Kable CCS dla szybkiego ładowania DC poziomu 2

Aby wyeliminować powszechne obawy o zasięg samochodu elektrycznego (EV) potrzebne jest opracowanie wygodnego i niezawodnego sposobu ładowania. W poszukiwaniu właściwego rozwiązania, projektanci infrastruktury dla pojazdów EV (EV service equipment, EVSE) muszą rozważyć różne opcje, w tym szybkie ładowarki średniej mocy poziomu 2, ładowarki prądu stałego (DC) w budynkach mieszkalnych lub komercyjnych, dostarczających do 80A, ultraszybkie ładowarki poziomu 3 o dużej mocy, które mogą dostarczać prąd AC do 500A DC lub ładowarki niższej mocy, poziomu 1, ładowanie prądem przemiennym (AC) do ładowania nocnego i awaryjnego.

Ładowanie pojazdów elektrycznych prądem stałym jest skomplikowane. EVSE musi stale monitorować blokadę złącza, izolację systemu, napięcie ładowania, prąd ładowania i temperaturę złącza. Jeśli którykolwiek z tych parametrów przekroczy ustalone limity, EVSE powinien się wyłączyć. Ponadto wyzwaniem może być projektowanie, montaż i zapewnienie długoterminowej mechanicznej i elektrycznej integralności kompaktowego kabla i złącza do ładowarek DC poziomu 2. Kabel zawiera 5 przewodów: +DC, -DC, komunikacja, monitor blokady i uziemienie ochronne. Z jednej strony przewody te muszą być niezawodnie połączone z EVSE, z drugiej ze złączem kompaktowego systemu ładowania (compact charging system, CCS). Jeśli którekolwiek z tych połączeń jest wadliwe, EVSE prawdopodobnie będzie wymagało kosztownych i czasochłonnych przeróbek, aby zapewnić niezawodne działanie.

Aby rozwiązać problemy związane z montażem złączy i kabli CCS dla EVSE poziomu 2, projektanci mogą użyć wstępnie zmontowanych zestawów złączy CCS z dołączonymi kablami. Zespoły kabli i złączy są przeznaczone do użytku w miejscach, w których ładowanie poziomu 3 nie jest potrzebne, jednak szybsze ładowanie poziomu 2 jest preferowane ponad poziom 1. Kable tego typu są produkowane w dwóch typach: typie 1 dla Ameryki Północnej, zgodnym z UL2251 i typie 2, przeznaczonym dla Europy.

W artykule dokonano przeglądu różnic między złączami i kablami CCS AC i DC oraz porównano złącza DC CCS poziomu 2 i 3 pod względem rozmiaru i wygody łączenia. Omówiono również kilka przypadków zastosowania zespołów kablowych średniej mocy CCS, a następnie przedstawiono kompaktowe wiązki kablowe CCS typu 1 i typu 2 firmy Phoenix Contact wraz z zaleceniami dotyczącymi ich instalacji.

Różnica między kablami ładowania AC i DC EV

Standardowe gniazda ładowania CCS są zaprojektowane tak, aby być zgodnymi  zarówno ze złączami ładowania AC, jak i DC, zapewniając jednocześnie elastyczność i  uproszczenie projektu EV. Ładowanie prądem przemiennym odbywa się z natury z niższą mocą i wykorzystuje kable ze złączami  wtykowymi na obu końcach (rysunek 1). W przypadku ładowania prądem stałym, które działa przy wyższych poziomach mocy, kabel ładujący jest zawsze podłączony do EVSE na jednym końcu, a złącze na drugim końcu, które jest włożone do gniazda pojazdu. Ponadto złącza DC mają funkcje bezpieczeństwa niespotykane w ich odpowiednikach AC, w tym mechanizmy blokujące i monitorowanie temperatury.

Rysunek 1: Kable do ładowania DC są na stałe przymocowane do EVSE i podłączone do gniazda EV. Kable do ładowania AC mają wtyczki na obu końcach (źródło: Phoenix Contact).

Złącza CCS do ładowania DC poziomu 2 i 3 o mocy do 250 kilowatów (kW) mają podobny rozmiar i pasują do wspólnego gniazda pojazdu. Podstawową różnicą jest około 50-procentowy wzrost średnicy kabla dla jednostek o mocy znamionowej 250 kW, umożliwiający przenoszenie wyższych poziomów mocy oraz związany z tym wzrost masy kabla. Dzięki znacznie mniejszemu kablowi złącze poziomu 2 i zespoły kabli o mocy do 80 kW są znacznie lżejsze i łatwiejsze w obsłudze. Ładowanie prądem stałym o dużej mocy do 500 kW lub więcej wymaga innego gniazda pojazdu, chłodzonego cieczą, a także większego złącza i kabla (Tabela 1).

Tabela 1: Porównanie wielkości złączy i kabli CCS dla ładowarek prądu stałego typu 2 o mocy znamionowej 80 kW, 250 kW i 500 kW. (Źródło: Phoenix Contact)

Celem zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika i prawidłowego działania EVSE, systemy złączy ładowania CCS DC posiadają zintegrowane mechanizmy blokujące. Blokady  są zaprojektowane tak, aby wytrzymać duże siły wyciągające, co sprawia, że odłączenie złącza podczas ładowania pojazdu elektrycznego jest prawie niemożliwe. Jak pokazano na Rysunku 2, mechanizm blokujący w złączach typu 1 to zacisk ręczny, natomiast w złączach typu 2 blokowanie odbywa się za pomocą metalowej śruby sterowanej elektromagnetycznie. W obu przypadkach mechanizm blokujący jest monitorowany, a jego stan jest komunikowany do EVSE poprzez dedykowane połączenie.

Rysunek 2: Złącza CCS typu 1 zawierają ręcznie obsługiwany zacisk blokujący. (Źródło: Phoenix Contact)

W złączach ładowania CCS DC wymagany jest zintegrowany czujnik temperatury. Dzięki precyzyjnemu monitorowaniu temperatury bezpośrednio na stykach zasilania, aby chronić użytkownika przed niebezpieczeństwem, a EVSE przed uszkodzeniem, proces ładowania można zatrzymać lub spowolnić w przypadku przegrzania. Złącza te zawierają dwa czujniki PT1000, po jednym na każdy styk (Rysunek 3). Tego typu czujniki mają rezystancję, która rośnie liniowo wraz ze wzrostem temperatury, co upraszcza monitorowanie temperatury, a informacja o jej poziomie jest przekazywana do EVSE poprzez linię sygnałową w kablu.