Cum se utilizează o gamă de conectori pentru a susține o infrastructură completă de încărcare a vehiculelor electrice

Pentru a susține dezvoltarea viitoare a utilizării vehiculelor electrice (VE) va fi nevoie de o infrastructură de încărcare omniprezentă. Proiectanții încearcă să dezvolte o gamă largă de soluții de infrastructură pentru utilizare în locuințe, hoteluri, magazine și restaurante, spații comerciale și industriale, parcări, benzinării, popasuri și alte locații pentru o încărcare a vehiculelor electrice mereu disponibilă și convenabilă. În unele cazuri, utilizatorii își vor permite luxul de a avea timp și vor avea nevoie doar de câțiva kilowați (kW) de putere de încărcare în curent alternativ (c.a.) pe o perioadă mai lungă de timp. În alte circumstanțe, timpul va fi prețios, iar utilizatorii vor solicita sute de kW de curent continuu (c.c.) pentru încărcarea vehiculelor electrice în câteva minute.

Proiectanții au nevoie de diverse opțiuni de conectori care să poată gestiona curent alternativ de joasă putere, curent continuu de mare putere și o gamă de niveluri de putere intermediare. Acești conectori trebuie să fie ergonomici pentru a asigura confortul utilizatorului și trebuie să fie rezistenți și ușor de instalat pentru a răspunde nevoilor producătorilor de vehicule electrice de a găsi soluții rentabile și fiabile. Mânerele de încărcare și mufele de alimentare trebuie să satisfacă cerințele standardului privind Sistemul de încărcare combinată (CCS), SAE J1772 și IEC 62196.

Acest articol trece în revistă cerințele tehnice pentru încărcătoarele VE într-o serie de medii, de la încărcătoarele c.a. de mică putere în locuințe până la încărcătoarele de mare putere (HPC) în diverse locații comerciale, inclusiv standardele de performanță electrică și de interfață și necesitatea răcirii cu lichid în instalațiile HPC. Apoi, prezintă o gamă de mufe de încărcare c.a. și c.c., mânere și sisteme de cabluri de la Phoenix Contact care răspund nevoilor tuturor tipurilor de încărcătoare pentru vehicule electrice, împreună cu un sistem de răcire cu lichid pentru cabluri și conectori HPC.

Standardele de încărcare a vehiculelor electrice și conectorii corespunzători au fost elaborate în America de Nord, Europa și China. Standardele din America de Nord și din Europa se bazează pe standardul sistemului de încărcare combinată (CCS), care combină încărcarea c.a. și c.c. într-o singură mufă pe vehicul. Conectorii CCS de tip 1 sunt preponderenți în America de Nord și Coreea, iar conectorii CCS de tip 2 se găsesc în Europa, Orientul Mijlociu, Africa de Sud, America de Sud, Australia, Noua Zeelandă și în alte zone. China a urmat propria cale, cu standardul GB/T, care prevede mufe separate pentru încărcarea c.a. și c.c. (Figura 1).

Figura 1: Standardele de încărcare a vehiculelor electrice au fost elaborate la nivel regional în America de Nord, Europa și China. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Tipuri de CCS

Există două versiuni ale standardului CCS, tipul 1 și tipul 2. Tipul 1 respectă standardele SAE J1772 și IEC 62196-3 și a fost dezvoltat pentru piața nord-americană. Structura conectorilor de încărcare de c.a. și c.c. este compatibilă cu o mufă comună pentru vehicule CCS.

Tipul 2 respectă, de asemenea, IEC 62196-3, dar nu și SAE J1772. Acesta a fost dezvoltat inițial în Europa și a fost adoptat în mai multe regiuni, după cum s-a menționat mai sus. Conectorii de încărcare de tip 2 c.a. și c.c. sunt, de asemenea, compatibili cu o mufă comună pentru vehicule CCS.

Standardul de încărcare GB/T 20234 este utilizat numai în China. În acest caz, conectorii c.a. și c.c. au interfețe diferite și necesită utilizarea unor mufe separate pe vehicul.

Figura 2: Exemple de mufe de alimentare pentru încărcarea vehiculelor electrice CCS de tip 1 (stânga), CCS de tip 2 (centru) și GB/T (dreapta). (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Moduri de încărcare

Pe lângă diferențele fizice dintre conectorii CCS de tip 1 și de tip 2, în America de Nord și în Europa se utilizează moduri de încărcare diferite. Modurile cu putere redusă utilizează încărcătorul de bord al vehiculului electric, în timp ce modurile cu putere mai mare se bazează pe încărcătoarele externe. În plus, nivelurile mai ridicate de putere pot avea provocări termice mai mari și pot beneficia de o monitorizare a temperaturii cu o precizie mai mare.

Standardul nord-american SAE J1772 recunoaște trei moduri sau niveluri:

• Nivelul 1 este destinat în principal mediului rezidențial și utilizează 120 de volți c.a. (Vc.a.) pentru a furniza până la aproximativ 1,9 kilowați (kW).
• Nivelul 2 utilizează o tensiune mai mare de 208/240 c.a. monofazat. Acest lucru se numește „încărcare rapidă în curent alternativ” și poate furniza aproximativ 19 kW încărcătorului de bord al vehiculului electric.
• Nivelul 3 este încărcarea în curent continuu cu ajutorul unui încărcător extern c.c. Specificația de bază este de 600 V_c.c. la o tensiune de până la 400 de amperi (A) pentru o putere maximă de 240 kW. Proiectele avansate pot furniza 1 kilovolt c.c. (kV_c.c.) și 500 A pentru un total de 500 kW.

IEC 61851-1 definește patru moduri de încărcare. Modurile 1, 2 și 3 utilizează încărcătorul de la bordul vehiculului electric:

• Modurile 1 și 2 sunt pentru încărcarea c.a. de putere redusă. Cablurile din modul 1 se conectează direct la priza c.a., iar puterea disponibilă este limitată. Modul 2 se conectează, de asemenea, direct la rețeaua c.a., dar adaugă un dispozitiv de control și protecție în cablu pentru a furniza până la 15 kW c.a. trifazat în siguranță.
• Modul 3 este o încărcare rapidă în curent alternativ și utilizează o stație de încărcare pentru a furniza până la 120 kW c.a. Încărcătoarele de nivelul 3 pot include, opțional, un protocol de comunicații de nivel înalt (HLC) între sursa de alimentare externă c.a. și încărcătorul de la bord pentru controlul încărcării.
• Modul 4 este o încărcare rapidă în curent continuu și poate furniza câteva sute de kilowați direct la baterie. În modul 4 este nevoie de HLC pentru a furniza feedbackul necesar pentru controlul încărcătorului.

Protecție termică

Protecția termică este asigurată atât în cablurile de încărcare c.a., cât și în cele c.c. Pentru încărcarea în curent alternativ de până la 80 A, se obișnuiește utilizarea unui lanț de termistoare cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC). Acesta este format dintr-un lanț de dispozitive, cu câte unul pe fiecare contact. Monitorizarea valorilor rezistenței asigură o oprire sigură în cazul în care se depășește limita de temperatură.

Senzorii Pt1000 de acuratețe mai mare sunt utilizați pe contactele încărcătoarelor de mare putere pentru a asigura un răspuns rapid și pentru a permite sistemului să funcționeze în mod constant la niveluri ridicate de putere.

Opțiuni de mufe c.a. și cablare

Pentru proiectanții sistemelor de încărcare c.a., Phoenix Contact oferă o gamă completă de mufe de încărcare universale care pot accepta intrări c.a. sau c.c, precum și mufe dedicate numai pentru c.a. care îndeplinesc cerințele pentru tipul 1 în America de Nord și tipul 2 în Europa și sunt potrivite pentru vehiculele care nu necesită încărcare c.c. Aceste ansambluri includ un cablu de alimentare de 2 metri și cabluri de 1 metru pentru dispozitivul de acționare a blocării, senzorul de temperatură și comunicațiile. Acestea au mecanisme de blocare, senzori de temperatură și capace de protecție împotriva prafului. Exemple de cablaje utilizate în aplicațiile IEC 62196-2 și SAE J1772 tip 1 includ:

• Modelul 1271960 de mufă pentru încărcarea vehiculelor poate gestiona până la 12 kW c.a. monofazat. Această mufă are o capacitate nominală de peste 10.000 de cicluri de introducere/scoatere.
• Aplicațiile de putere mai mare pot utiliza modelul 1271836, cu o putere nominală de până la 20 kW c.a. monofazat. Sunt incluse un dispozitiv de acționare a blocării și un capac de protecție.

De asemenea, Phoenix Contact oferă o gamă de cabluri de încărcare c.a., inclusiv:

• Modelul 1277166 pentru utilizare cu încărcătoare de vehicule SAE J1772 tip 1. Acesta are un conector de încărcare a vehiculului la un capăt și este deschis la celălalt capăt pentru fixarea permanentă a încărcătorului. Include senzori termici pentru lanțul PTC și poate gestiona până la 20 kW c.a. monofazat. Include un cablu de 7,60 metri (25 de picioare) (Figura 3).
• Modelul 1627692 de cablu de încărcare mobil c.a. cu un conector de încărcare pentru vehicule pentru mufe de tip 2 la un capăt și un conector de infrastructură c.a. la celălalt capăt pentru utilizare cu încărcătoare IEC 62196-2 de tip 2. Acest ansamblu de cabluri poate furniza până la 26,6 kW c.a. trifazat, include contacte pentru conexiuni HLC și are o lungime de 5 m.

Figura 3: Ansamblu de cabluri de încărcare mobile c.a. cu o putere nominală de 20 kW. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Cabluri de încărcare c.c.

Phoenix Contact oferă gama CCS C-Line de cabluri de încărcare c.c. pentru sistemele de încărcare de putere medie utilizate în reședințe private, complexe de apartamente, întreprinderi și parcări. Aceste cabluri sunt disponibile în modele de tip 1 și tip 2, iar ansamblurile au un conector de încărcare a vehiculului cu senzori de temperatură la un capăt și conexiuni de cablu deschise la celălalt. Exemple de modele de tip 1 includ:

• Modelul 1105880 cu o lungime de 5 m și o putere nominală de 40 kW.
• Modelul 1236563, cu o lungime de 7 m și o putere nominală de 80 kW (Figura 4).

Figura 4: Acest conector de încărcare c.c. este prevăzut pentru 80 kW și are un cablu de 7 m. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Mufă universală de încărcare

Mufa universală de încărcare, model 1210900, funcționează cu conectori c.a. și c.c. CCS tip 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 cu o capacitate nominală de până la 200 A și 1 kV_c.c. sau 80 A și 250 Vc.a. monofazat. Contactele c.c. au doi senzori termici PT1000, iar contactele c.a. au o schemă de detecție termică cu lanț PTC.

Sistem de cablare de 500 kW c.c.

Proiectanții sistemelor de încărcare c.c. de mare putere în modul 4 HPC pot utiliza sistemul de cablare 1085658, care include un conector pentru vehicule răcit cu lichid și un cablu care poate furniza până la 500 A la 1 kV_c.c. Acesta îndeplinește cerințele CSS tip 1, SAE J1772 și IEC 62196-3-1. Sistemul include senzori pentru monitorizarea temperaturii, rupturi ale cablurilor și scurgeri de lichid de răcire (Figura 5). Monitorizarea temperaturii este implementată cu două NTC-uri pentru contactele c.c. și două NTC-uri pentru firele de alimentare c.c. din cablu.

Figura 5: Acest ansamblu de cabluri de încărcare c.c. de mare putere este un sistem complex. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

În plus, Phoenix Contact oferă o unitate de răcire autonomă cu aceste cabluri de încărcare c.c. Acesta include un ventilator și o pompă cu viteză variabilă pentru a asigura o răcire optimizată pentru sistemele de încărcare c.c. de mare putere (Figura 6). Pompa și ventilatorul funcționează de la 0 V_c.c. la 10 V_c.c., ventilatorul consumă maximum 1,97 A, iar pompa necesită până la 1,8 A. Soluția de răcire este un amestec de 50% apă și 50% glicol. Cablurile și firele au o lungime de 1,5 metri. Atunci când este combinat cu cablajul 1085658, sistemul are o capacitate de răcire de 600 W pentru cabluri de 3 m, 800 W pentru cabluri de 4 m, 900 W pentru cabluri de 5 m și 1050 W pentru cabluri de 6 m.

Figura 6: Sistem de răcire cu lichid pentru cablurile de încărcare c.c. de mare putere. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Rezumat

Va fi nevoie de o gamă largă de tipuri de încărcătoare pentru vehicule electrice și de niveluri de putere pentru a asigura o infrastructură de încărcare completă pentru adoptarea pe scară largă a vehiculelor electrice. Proiectanții trebuie să dezvolte modele de încărcătoare de la încărcătoare de joasă putere de 1,9 kW c.a. care utilizează circuitele interne ale încărcătorului de baterii pentru vehicule electrice, până la încărcătoare HPC de 500 kW c.c. cu cabluri răcite cu lichid care ocolesc circuitele interne de încărcare și încarcă direct bateriile. Între aceste extreme, va fi nevoie de o gamă largă de niveluri de putere a încărcătorului și de moduri de încărcare pentru a susține încărcarea permanentă a vehiculelor electrice în reședințe private și clădiri de apartamente, hoteluri, magazine și restaurante, spații comerciale și industriale, parcări, benzinării, popasuri și alte locații.