Cablurile CCS compacte asigură o încărcare c.c. rapidă de nivelul 2

Este nevoie de o încărcare convenabilă și fiabilă pentru a elimina „anxietatea privind autonomia” asociată cu vehiculele electrice (VE). Pentru a răspunde acestor nevoi, proiectanții de infrastructuri de echipamente de service pentru vehicule electrice (EVSE) trebuie să includă o varietate de opțiuni de încărcare, inclusiv încărcătoare rapide de curent continuu (c.c.) de putere medie, de nivelul 2, în medii rezidențiale, comerciale și de vânzare cu amănuntul, care pot furniza până la 80 de amperi (A); încărcătoare ultra-rapide de mare putere, de nivelul 3, care pot furniza până la 500 A c.c.; și încărcătoare de curent alternativ (c.a.) de putere mai mică, de nivelul 1, pentru încărcarea pe timp de noapte și de urgență.

Cu toate acestea, încărcarea în curent continuu a vehiculelor electrice este complexă. EVSE trebuie să monitorizeze în permanență blocarea conectorului, izolarea sistemului, tensiunea de încărcare, curentul de încărcare și temperatura conectorului. Dacă oricare dintre acești parametri depășește limitele stabilite, EVSE se oprește. De asemenea, proiectarea, asamblarea și asigurarea integrității mecanice și electrice pe termen lung a unui cablu compact și a unui conector pentru încărcătoare de curent continuu de nivelul 2 pot fi o provocare. Cablul include 5 conductori: +c.c., -c.c., comunicații, monitor de blocare și masă de protecție. Aceste conductoare trebuie să fie conectate în mod fiabil la EVSE la un capăt și la conectorul sistemului compact de încărcare (CCS) la celălalt capăt. Dacă oricare dintre aceste conexiuni este defectă, EVSE va necesita probabil o reparație costisitoare și care consumă mult timp, pentru a asigura o funcționare fiabilă.

Pentru a răspunde preocupărilor legate de asamblarea conectorilor și a cablurilor CCS pentru EVSE de nivelul 2, proiectanții pot utiliza conectori CCS compacți preasamblați cu cabluri atașate. Aceste ansambluri de cabluri și conectori sunt concepute pentru a fi utilizate în locații în care nu este necesară o încărcare de nivelul 3, dar se preferă încărcarea mai rapidă de nivelul 2 față de cea de nivelul 1. Aceste cabluri sunt disponibile în tipul 1 pentru America de Nord și tipul 2 pentru Europa, tipul 1 îndeplinind cerințele UL2251.

Acest articol trece în revistă diferențele dintre conectorii și cablurile CCS de curent alternativ și de curent continuu și compară conectorii CCS c.c. de nivelul 2 și de nivelul 3 din perspectiva dimensiunii și a confortului. De asemenea, se prezintă mai multe cazuri de utilizare a ansamblurilor de cabluri CCS de putere medie, iar apoi sunt prezentate ansamblurile de cabluri compacte CCS de tipul 1 și 2 de la Phoenix Contact, împreună cu recomandările de instalare.

Diferența dintre cablurile de încărcare a vehiculelor electrice de curent alternativ și de curent continuu

Prizele de încărcare standard CCS sunt proiectate pentru a accepta atât conectori de încărcare de curent alternativ, cât și de curent continuu, oferind flexibilitate și simplificând în același timp proiectarea vehiculelor electrice. Încărcarea c.a. are în mod inerent o putere mai mică și utilizează cabluri cu conectori cu fișe la ambele capete (Figura 1). În cazul încărcării în curent continuu, care funcționează la niveluri de putere mai ridicate, cablul de încărcare este întotdeauna conectat la un capăt la EVSE, iar la celălalt capăt este conectat la un conector care se introduce în priza vehiculului. În plus, conectorii de curent continuu au caracteristici de siguranță care nu se găsesc la omologii lor pentru curent alternativ, inclusiv mecanisme de blocare și de monitorizare a temperaturii.

Figura 1: cablurile pentru încărcarea în curent continuu sunt atașate permanent la EVSE și sunt conectate la priza EV. Cablurile pentru încărcarea c.a. au prize la ambele capete. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Conectorii CCS pentru încărcarea în curent continuu de nivelul 2 și de nivelul 3 de până la 250 de kilowați (kW) au dimensiuni similare și pot fi utilizați într-o priză comună pentru vehicule. Principala diferență constă în creșterea cu aproximativ 50% a diametrului cablului pentru unitățile cu o putere nominală de 250 kW, pentru a putea transporta niveluri de putere mai mari, împreună cu o creștere corespunzătoare a greutății cablului. Ca urmare a utilizării unui cablu mult mai mic, conectorul de nivelul 2 și ansamblurile de cabluri cu o putere nominală de până la 80 kW sunt mult mai ușoare și mai simplu de manevrat. Încărcarea în curent continuu de mare putere, de până la 500 kW sau mai mult, necesită o intrare diferită în vehicul, care să accepte răcirea cu lichid, precum și un conector și un cablu mai mare (Tabelul 1).

Tabelul 1: compararea dimensiunilor conectorilor și a cablurilor CCS de tip 2 pentru încărcătoare de curent continuu cu o putere nominală de 80 kW, 250 kW și 500 kW. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Mecanismele de blocare sunt integrate în sistemele conectorilor de încărcare în curent continuu CCS pentru siguranța utilizatorului și pentru a asigura funcționarea corectă a EVSE. Aceste încuietori sunt concepute pentru a rezista la forțe mari de tragere, ceea ce face aproape imposibilă decuplarea conectorului în timp ce vehiculul electric este în curs de încărcare. Mecanismul de blocare la conectorii de tip 1 este o clemă manuală, așa cum se arată în Figura 2. În cazul conectorilor de tip 2, blocarea se realizează cu ajutorul unui șurub metalic controlat electromagnetic. În ambele cazuri, mecanismul de blocare este monitorizat, iar starea acestuia este comunicată către EVSE printr-o conexiune dedicată.

Figura 2: conectorii CCS de tip 1 includ o clemă de blocare acționată manual. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Este necesară detectarea integrată a temperaturii în conectorii de încărcare CCS c.c. Datorită monitorizării precise a temperaturii direct la contactele de alimentare, procesul de încărcare poate fi oprit sau încetinit în caz de supraîncălzire, pentru a proteja utilizatorul de pericol și EVSE-ul de deteriorare. Acești conectori includ doi senzori PT1000, câte unul pe fiecare contact (Figura 3). Acești senzori au o rezistență care crește liniar odată cu creșterea temperaturii, simplificând astfel monitorizarea temperaturii. Temperatura este comunicată către EVSE prin intermediul unei linii de semnal din cablu.

Figura 3: senzorii de temperatură PT1000 sunt necesari pe contactele conectorului CCS pentru a monitoriza temperatura de funcționare și a contribui la obținerea unei încărcări sigure. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Conexiuni securizate

Conexiunile din interiorul conectorului CCS sunt deosebit de importante. Conexiunile interne ale EVSE nu sunt supuse unor solicitări mecanice semnificative, dar conectorul CCS va fi cuplat și decuplat în mod regulat, iar conexiunile cablurilor vor fi supuse unor solicitări repetate (Figura 4). Cablurile de conectare atașate necorespunzător pot duce la degradarea contactului sub forma unei rezistențe crescute sau a pierderii atașării cablului, provocând supraîncălzirea sau pierderea temporară a conexiunii unuia sau mai multor conductori. Cablurile de conectare asamblate necorespunzător vor cauza scăderea fiabilității sistemului de încărcare, nemulțumirea utilizatorilor și posibile cheltuieli de garanție pentru producătorii de EVSE.

Figura 4: dimensiunile reduse ale conectorilor pentru încărcarea c.c. de putere medie fac dificilă asigurarea unor conexiuni robuste și fiabile ale cablurilor. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Cazuri de utilizare de nivelul 2

Se preconizează că încărcarea de nivelul 2 în curent continuu va fi populară în cazul în care este nevoie de mai multă energie decât cea care poate fi furnizată prin încărcarea în curent alternativ, iar încărcarea mai rapidă de nivelul 3 nu este necesară. EVSE-urile care utilizează acești conectori compacți respectă standardele CCS, iar factorul de formă mai mic sporește confortul și ușurința de utilizare. Se preconizează că vor fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, inclusiv:

Rezidențial suburban: încărcătoarele de curent continuu de nivelul 2 utilizează curent alternativ de 240 de volți (Vc.a.) și pot reîncărca un acumulator de trei până la șapte ori mai rapid decât un încărcător c.a. de bază de nivelul 1, în funcție de vehiculul electric. Un alt beneficiu este că, în cazul locuințelor cu panouri solare, încărcătoarele de curent continuu de nivelul 2 pot transfera energie de curent continuu direct de la panoul solar, eliminând pierderile de energie la conversie. În viitor, pe măsură ce sistemele vehicul-rețea (V2G) și vehicul-casă (V2H) vor deveni mai comune, vor fi disponibile încărcătoare bidirecționale de nivelul 2 care vor controla fluxul invers de energie de la vehicul la casă sau la rețea.

Locuințe multifamiliale și urbane: pentru complexele de apartamente și comunitățile din acestea se oferă încărcătoare de curent continuu de nivelul 2 pentru rezidenți și vizitatori. În plus, așa-numita încărcare cu „drept de trecere” în mediile rezidențiale urbane include încărcătoare care deservesc mașinile parcate pe stradă atunci când nu sunt disponibile garaje. În ambele cazuri, încărcătorul poate oferi o sursă de venituri proprietarului EVSE și un confort pentru proprietarii de vehicule electrice din vecinătate.

Locuri publice în care se adună mașini: încărcătoarele c.c. de nivelul 2 sunt instalate într-o varietate tot mai mare de locuri publice, cum ar fi centre comerciale și de divertisment, școli și colegii, parcări, stadioane, benzinării și ateliere de reparații. Pe măsură ce vânzările de vehicule electrice continuă să crească, încărcătoarele de curent continuu de nivelul 2 se găsesc și în reprezentanțele auto. Aceste încărcătoare sunt utilizate pentru a garanta că vehiculele electrice sunt complet încărcate înainte de a fi livrate clienților și pentru a reîncărca vehiculele electrice lăsate în service.

Soluții de conectare c.c. de nivelul 2

Atunci când este nevoie de un curent de încărcare de până la 80 A, proiectanții EVSE pot folosi conectorul de încărcare c.c. CCS C-Line de greutate redusă și la ansamblurile de cabluri de la Phoenix Contact. Acestea sunt disponibile cu diferite lungimi de cablu pentru aplicații de tip 1 și tip 2. De exemplu, cablul de încărcare 1236308 are un conector de tip 1 și un cablu cu o lungime de 4 metri (m), iar cablul de încărcare 1236966 are un conector de tip 2 și un cablu cu o lungime de 7 m. Acești conectori ergonomici îndeplinesc toate standardele CCS într-un factor de formă mic pentru a facilita conectările și deconectările rapide în vederea utilizării într-o gamă de aplicații de încărcare de putere redusă (Figura 5). Dacă se dorește, acestea pot fi furnizate cu logoul unei companii pentru a îmbunătăți imaginea de marcă a EVSE. Chiar dacă sunt de dimensiuni mici, acestea au performanță bună și includ:

• Contacte placate cu argint pentru performanță și fiabilitate optime
• Senzori integrați pentru monitorizarea temperaturii contactelor de alimentare, precum și mecanisme de blocare integrate, conform standardului CCS
• Conformitate cu DIN EN 50620, plus izolație extrudată și mantale cu o tensiune nominală de până la 750 volți pentru utilizare în medii solicitante la conectarea EVSE cu VE
• Compatibilitate cu cerințele standardului IATF 16949 pentru industria auto și ISO 9001

Figura 5: forma ergonomică a conectorilor CCS C-Line, plus cablarea lor ușoară, facilitează ușurința de manevrare și comoditatea. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Integrarea EVSE

Pentru a susține integrarea ansamblurilor de cabluri C-Line în EVSE, Phoenix Contact pune la dispoziția proiectanților suporturi de conectori și presetupe de cablu, inclusiv suportul de conectori 1624143 și presetupa de cablu 1424483 pentru conectorii de tip 1, precum și suportul de conectori 1624153 și presetupa de cablu 1411134 pentru conectorii de tip 2. Instalarea suporturilor pentru conectori pe partea laterală sau frontală a EVSE oferă un loc sigur pentru un conector atunci când acesta nu este utilizat. Conectorul se blochează în poziție, dar poate fi îndepărtat cu ușurință. Suportul are flexibilitatea care îi permite să fie montat cu o înclinare frontală de la 0˚ la 45˚. Folosirea unui presetupe pentru cabluri protejează cablul în timp ce trece prin peretele EVSE, protejează cablul împotriva deteriorării în cazul în care utilizatorul trage de el și previne pătrunderea murdăriei și a umidității în EVSE.

Figura 6: suporturile pentru conectori (stânga) și presetupele de cablu (dreapta) pentru conectorii de tip 2 facilitează integrarea ansamblurilor de conectori și cabluri CCS C-Line în EVSE. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Concluzie

Încărcarea în curent continuu de nivelul 2 poate constitui o alternativă valoroasă la încărcarea de nivelul 1, cu putere mai mică. Cu toate acestea, proiectarea cablurilor și a conectorilor de încărcare în curent continuu se confruntă cu numeroase provocări legate de performanță, siguranță și reglementare. După cum s-a arătat, prin utilizarea ansamblurilor de cabluri/conectori din comerț pentru încărcarea de nivelul 2, proiectanții pot aborda rapid multe dintre aceste provocări, alături de avantajele încorporate, cum ar fi greutatea mai mică și designul ergonomic pentru o mai mare ușurință în utilizare.

Lectură recomandată

1. Utilizarea convertoarelor de putere bidirecționale și PFC pentru îmbunătățirea eficienței HEV, BEV și a rețelei electrice
2. Cum să implementați rapid și eficient sisteme flexibile de încărcare a vehiculelor electrice