Wprowadzenie do standardów branżowych ładowarek EV i samochodowych złączy zasilających

Przemysł motoryzacyjny to jedna z najbardziej innowacyjnych dziedzin na świecie, stale przesuwająca granice tego, co jest możliwe, opłacalne, bezpieczne, skalowalne, atrakcyjne i niezawodne. A ponieważ przemysł motoryzacyjny wciąż ewoluuje, nowe technologie, takie jak autonomiczna jazda, inteligentne systemy PCM / ECM / ECU, wysoce inteligentne systemy akumulatorów elektrycznych i inteligentne sieci ładowania, pojawiają się i zmieniają każdego roku.

Rozwój wymienionych technologii doprowadził do ogromnego wzrostu całkowitej liczby nisko- i wysokonapięciowych złącz, wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym. Oczywiście standardy bezpieczeństwa i niezawodności mają kluczowe znaczenie dla krótko- i długoterminowego sukcesu nowych technologii, ale z drugiej strony standardy mogą oznaczać też duże wyzwania dla producentów samochodów.

W artykule przedstawiono powszechne standardy motoryzacyjnych złączy elektrycznych, w tym wysokonapięciowych samochodowych złączy zasilających, oraz wyzwania projektowe związane z zaawansowanymi, powszechnie stosowanymi złączami do pojazdów elektrycznych (EV).

© Arrow

Standardy samochodowych złącz elektrycznych

Złącza samochodowe mogą mieć bardzo różne rozmiary, od czegoś tak małego, jak niskonapięciowe złącza komunikacyjne typu przewód-płytka, po wysokonapięciowe złącza ładowania pojazdów elektrycznych, które mogą bezpiecznie przewodzić setki woltów podczas ulewnego deszczu. W zależności od kraju, lecz także od zastosowanej technologii i jej umiejscowienia w pojeździe, często wymagane jest przestrzeganie zupełnie różnych standardów. Na przykład, niskonapięciowe złącza sygnałowe znajdujące się w kabinie pojazdu mogą nie wymagać takiej samej wodoodporności (stopień ochrony IP), jak złącza sygnałowe znajdujące się w komorze silnika.

Ponieważ nie istnieje zunifikowana globalna organizacja normalizacyjna dla branży motoryzacyjnej, popularne normy motoryzacyjne dotyczące złączy różnią się w zależności od regionu geograficznego, a najczęściej przywoływane organizacje ustalające normy motoryzacyjne to:

• ISO - Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna

• IEC - Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna

• SAE - Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacyjnych

• GB - Standardy Guobiao (Chińska Republika Ludowa)

Organizacje te prowadzą działania regulacyjne i ustalające standardy w prawie wszystkich kategoriach elektryki samochodowej, takich jak bezpieczeństwo, ochrona, połączenia międzysystemowe, komunikacja, topologia ładowania i inne.

Na przykład IEC 62196-1 jest standardem ustalonym przez IEC dla ‘wtyczek, gniazdek, złączy samochodowych i wejść samochodowych’ dla różnych złączy ładowania pojazdów elektrycznych o obciążalności do 690V AC i 250A. Inne międzynarodowe standardy, powszechnie stosowane dla złączy zasilających EV, to GB/T 20234, SAE J1772, ISO15118 i SAE J3068. Ponieważ istnieje wiele wyzwań projektowych, związanych ze złączami ładowania pojazdów elektrycznych i innymi złączami o dużej mocy w samochodzie, aby zachować jedność zasad bezpieczeństwa, często normy te odwołują się do siebie.

Jakie są wyzwania projektowe dla samochodowych złączy zasilania?

Istnieje kilka wyzwań projektowych, związanych ze złączami ładowania pojazdów elektrycznych i innymi złączami o dużej mocy w samochodzie.

Zagrożenie ze strony wyładowania łukowego

Ochrona przed niepożądanym łukiem elektrycznym i porażeniem użytkownika stanowi najwyższy priorytet standardów bezpieczeństwa. Wyładowanie łukowe występuje, gdy prąd elektryczny przepływa między przewodem pod napięciem oraz przewodem nie znajdującym się pod napięciem, gdy nie mają one ze sobą bezpośredniego kontaktu.

Jeśli nie są zachowane minimalne odległości między stykami przewodzącymi lub gdy użytkownik odłącza pojazd od stacji ładującej, systemy wysokonapięciowe, takie jak ładowarki EV, są podatne na wyładowania łukowe. Normy, takie jak SAE J1772 (powszechnie stosowane w Ameryce Północnej i Japonii) obejmują kilka środków bezpieczeństwa, które zapobiegają wyładowaniu łukowemu i porażeniu użytkownika, takie jak zintegrowany wtyk wykrywający bliskość złącza, wtyk sterujący (pilot pin) i wtyk uziemiający. Rozwiązania te mają na celu utrzymanie pinów ładujących w stanie odłączonym, dopóki korpus złącza nie zostanie w pełni dopasowany, a EV zasygnalizuje, że jest gotowy do ładowania.

Złącza J1772 są przystosowane do 10.000 cykli łączenia i do pracy w wymagających warunkach, takich jak deszcz i śnieg, przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa obsługi.

Bezpieczne opcje łączenia

Samochody podlegają ciągłym wibracjom na drodze, tak więc złącza obsługujące układ napędowy pojazdu elektrycznego muszą być odporne na poluzowanie z tego powodu. Złącza zasilania EV są powszechnie stosowane na zaciskach akumulatora, zaciskach punktów przyłączeniowych silnika i wiązkach przewodów zasilających. Istnieją różne rodzaje mechanicznych mechanizmów łączących, takich jak zamki dźwigniowe, przesuwne, połączenia śrubowe lub ryglowane, połączenia pin-gniazdo czy typu box-and-blade.

Różne typy samochodowych złączy zasilających mają pewne zalety i wady w trakcie operacji ich łączenia i odłączania, co sprawia, że ​​wybór złącza ma kluczowe znaczenie dla inżynierów i projektantów pojazdów elektrycznych. Każdy z tych typów połączeń musi być zgodny z różnymi normami bezpieczeństwa, takimi jak normy SAE i IEC, aby zapewnić ich funkcjonalność i bezpieczeństwo przez cały okres eksploatacji pojazdu.

Stopień ochrony

Normy klasy IP obejmują obudowy elektroniki i zostały opisane w normie IEC 60529. Stopień ochrony IP (Ingress Protection oznacza dosłownie ochronę przed wnikaniem) urządzenia elektronicznego mówi o tym, iż jest ono odporne na wnikanie określonej ilości ciał stałych i cieczy przez określony czas.

Złącza motoryzacyjne obejmują całe spektrum stopni ochrony IP, przy czym najbardziej rygorystycznym jest IP69K. Stopień ochrony IP68K oznacza, że ​​obudowa zapobiegnie przenikaniu kurzu i/lub płynów pod wysokim ciśnieniem i w wysokich temperaturach przez 8 godzin. Podczas gdy złącza IP69K są rzadkością, biorąc pod uwagę ich oczekiwany poziom narażenia na szkodliwe czynniki przez cały okres eksploatacji pojazdu, wiele złączy samochodowych ma stopień ochrony IP65 i więcej.

Ujednolicone standardy złącz zasilających

Standardy motoryzacyjne mają zadanie ujednolicenie poziom bezpieczeństwa i niezawodności pojazdów dla wszystkich producentów OEM w skali globalnej. Co więcej, specyficzne dla pojazdów elektrycznych standardy złączy samochodowych pozwalają różnym producentom OEM uniknąć opracowywania własnych konstrukcji złączy do ładowania pojazdów elektrycznych. Ujednolicenie topologii złączy zasilających EV i standardów bezpieczeństwa jest tym, co umożliwia pojazdom elektrycznym jazdę z Portugalii do Polski przy użyciu tylko jednego typu ładowarki - pod warunkiem, że wszystkie kraje między nimi będą stosować te same standardy samochodowego złącza zasilającego.

Normy, takie jak IEC 62196-1, są tworzone w celu zapewnienia funkcjonalności złączy stosowanych we wszystkich możliwych do przewidzenia warunkach użytkowania, a spełnienie rygorystycznych kryteriów projektowych często wiąże się z wysokimi kosztami produkcji, lecz także z możliwością  komercjalizacji produkowanych komponentów. Wysokie koszty wytwarzania często pozwalają na to, aby poszczególne elementy złącza zachowały niezawodność przez długi czas i co najważniejsze, bezpieczeństwo dla pojazdu i kierowcy w nieomal każdym przypadku.

Artykułopublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow