Utilizați conectorii CCS pentru a simplifica implementarea sistemelor sigure de încărcare rapidă a vehiculelor electrice

Vehiculele electrice (VE) se folosesc din ce în ce mai des în mai multe aplicații, de la agricultură și municipalități la consumatori, în mare parte datorită reducerii continue a „anxietății privind autonomia”. În timp ce tehnologiile avansate ale bateriilor permit o capacitate mai mare a acestora pe unitate de volum – și, prin urmare, autonomii mai mari – utilitatea acestor progrese este limitată dacă reîncărcarea bateriei durează prea mult. Acest lucru a făcut ca întreprinderile din industria auto și furnizorii de componente să adopte rapid metodologiile de încărcare rapidă.

Una dintre componentele critice ale încărcării sunt conectorii. În prezent, aceștia trebuie să fie capabili să gestioneze până la 500 de kilowați (kW) la o tensiune de până la 1.000 de volți în curent continuu, găzduind, în același timp, și surse de curent alternativ. De asemenea, aceștia trebuie să îndeplinească cerințele standardelor IEC 62196 și SAE J1772 pentru o încărcare rapidă sigură și inteligentă. Pentru a satisface toate cerințele sistemelor auto și non-auto, proiectanții de sisteme BEV pot apela la conectori care respectă specificațiile sistemului de încărcare combinată (CCS).

Acest articol trece în revistă nivelurile și modurile de bază de încărcare a vehiculelor electrice, apoi trece la cerințele pentru conectorii CCS, incluzând o comparație între conectorii CCS de tip 1, CCS de tip 2 și conectorii chinezești GB/T. Articolul se încheie prin examinarea capacităților extinse oferite de unii furnizori, cum ar fi intervale mai largi de temperatură de funcționare și grade mai mari de protecție împotriva infiltrării (IP), folosind exemple de conectori CCS de la Phoenix Contact, TE Connectivity și Adam Tech.

Sistem de încărcare combinată pentru vehicule electrice

Priza CSS pentru vehicule este proiectată pentru a accepta atât conectori de alimentare de curent alternativ, cât și de curent continuu. Încărcarea rapidă la curent alternativ este avantajoasă atunci când vehiculul este parcat pentru perioade îndelungate într-un garaj sau într-o parcare, iar încărcarea rapidă la curent continuu este utilizată atunci când vehiculul este parcat pentru perioade scurte de timp la magazine, popasuri și stații de încărcare dedicate (Figura 1).

Figura 1: o singură priză CCS pentru vehicule poate accepta atât încărcarea la curent alternativ, cât și cea rapidă la curent continuu. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Niveluri și moduri de încărcare a vehiculelor electrice

Clasificările de încărcare a vehiculelor electrice includ: nivelurile de încărcare, modurile de încărcare, cazurile de cablare și, în cazul CCS, tipurile de conectori de încărcare. În SUA, SAE J1772 recunoaște trei niveluri de încărcare:

• Nivelul 1 utilizează curentul electric rezidențial de 120 V _c.a. și este limitat la aproximativ 1,9 kW. Nivelul 1 este lent.
• Încărcarea de nivelul 2 utilizează energie monofazată de 208/240 V _c.a. Acesta poate furniza până la aproximativ 19 kW cu o sursă de 240 V _c.a. Nivelul 2 este „încărcare rapidă la curent alternativ” și se încarcă de la trei până la șapte ori mai repede decât nivelul 1. Nivelurile 1 și 2 alimentează încărcătorul de la bordul vehiculului electric.
• Nivelul 3 este o încărcare rapidă în curent continuu și utilizează un încărcător c.c. extern pentru a furniza 600 V _c.c. la 400 amperi (A) pentru o putere totală de 240 kW. Încărcătoarele rapide de curent continuu avansate pot furniza 500 kW (1.000 V _c.c. la 500 A).

În Europa, IEC 61851-1 definește patru moduri de încărcare a vehiculelor electrice:

• Modul 1 de încărcare utilizează un simplu cablu conectat direct la o priză de curent alternativ. Este de mică putere și se utilizează rar.
• Modul 2 se conectează tot direct la o priză de curent alternativ, dar adaugă protecție integrată, numită dispozitiv de control și protecție în cablu (IC-CPD). Modul 2 este mai sigur decât modul 1, dar acceptă doar încărcarea până la aproximativ 15 kW cu energie trifazată.

Modurile 3 și 4 sunt pentru încărcare rapidă:

• Modul 3 utilizează o stație de încărcare dedicată (denumită și echipament de alimentare pentru vehicule electrice sau EVSE) pentru a furniza c.a. de până la 120 kW. Modurile 1, 2 și 3 utilizează încărcătorul de la bordul vehiculului electric pentru a controla încărcarea bateriei.
• Modul 4 se referă la încărcarea rapidă în curent continuu. Încărcătorul de la bordul vehiculului electric este ocolit, iar EVSE furnizează energie direct la baterie prin intermediul unui conector de curent continuu. Cu modul 4 se pot furniza câteva sute de kW. În timp ce în modul 3 este posibil un feedback energetic cu ajutorul unui protocol de comunicare de nivel înalt (HLC) și controlul încărcării, în modul 4 acesta este obligatoriu.

Tipuri, moduri și cazuri de conectare

CCS este standardizat în SAE J1772 cu conector de tip 1 în America de Nord și în IEC 62196 cu conector de tip 2 în Europa. Interfața HCL dintre VE și EVSE se bazează pe ISO/IEC 15118 și DIN SPEC 70121. Există trei posibilități de conectare a VE la rețeaua electrică: cazurile A, B și C.

În cazul A, cablul este conectat în permanență la vehiculul electric și este conectat la sursa de alimentare în funcție de necesități. Cazul A nu este utilizat în CCS. Cazurile B și C sunt utilizate cu CCS și cu standardul chinezesc corespunzător numit GB/T (Figura 2). Dacă cablul de alimentare este detașabil la ambele capete, este vorba de cazul B. Dacă cablul este conectat permanent la EVSE, este vorba de cazul C. Modul de încărcare 3 poate utiliza fie cazul B, fie cazul C. Modul de încărcare 4 utilizează numai cazul C.

Figura 2: comparație între tipurile, modurile și cazurile aferente conectorilor CCS de tip 1 (America de Nord), tip 2 (Europa) și GB/T (China). (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Monitorizarea temperaturii și răcirea activă

Monitorizarea temperaturii de contact este importantă în sistemele de încărcare rapidă. Conform IEC 62196, creșterea temperaturii la contacte nu poate depăși 50 °C. Interfața HCL dintre VE și EVSE este utilizată pentru a comunica datele privind temperatura. Dacă temperatura crește prea mult, EVSE va încetini sau va opri încărcarea. În cazul conectorilor CCS pentru încărcarea în curent alternativ, termistoarele cu coeficient pozitiv de temperatură (PTC) monitorizează temperatura, conform cerințelor DIN 60738. În cazul în care conectorul se încălzește prea tare, încărcarea se oprește (Figura 3). Pentru încărcarea rapidă în curent continuu, DIN 60751 solicită doi senzori Pt1000, câte unul pe fiecare contact. Un Pt1000 are o rezistență care crește liniar odată cu creșterea temperaturii.

Figura 3: un senzor de temperatură PTC oprește încărcarea în curent alternativ pentru a împiedica temperatura să depășească nivelurile de siguranță (stânga). Pentru încărcarea rapidă în curent continuu, un senzor Pt1000 permite monitorizarea continuă a temperaturii (dreapta). (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Monitorizarea temperaturii, împreună cu răcirea activă, este necesară în sistemele care furnizează curenți de încărcare de peste 250 A (Figura 4). Fiind proiectați cu răcire activă, conectorii CCS pot furniza până la 500 kW (500 A la 1.000 V _c.c.). În cazul în care temperatura ambiantă crește neașteptat sau apare o stare de suprasarcină, monitorizarea temperaturii permite sistemului să crească rata de răcire sau să reducă rata de încărcare pentru a menține creșterea temperaturii contactelor conectorului sub limita specificată de +50 °C.

Figura 4: răcirea activă combinată cu detectarea temperaturii poate permite o încărcare completă de 500 A și menține creșterea temperaturii conectorului sub +50 °C. (Sursa imaginii: Phoenix Contact (modificat de autor))

Mecanisme de blocare integrate

În sistemele de conectare CCS sunt integrate mecanisme de blocare. Mecanismul de blocare la conectorii de tip 1 este un mecanism cu prindere manuală. În cazul conectorilor de tip 2, blocarea se realizează cu ajutorul unui bolț metalic activat electromagnetic (Figura 5). Blocarea este controlată, iar starea acesteia este comunicată către EVSE printr-o conexiune separată.

Figura 5: prizele vehiculelor CCS sunt echipate cu un bolț de blocare controlat electromecanic (lângă săgețile roșii, în stânga sus), conceput pentru a rezista la forțe mari de tragere. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Prize și conectori de tip 1 și 2

Prizele de încărcare CHARX CCS de la Phoenix Contact au secțiuni transversale ale cablurilor de curent continuu de până la 95 de milimetri pătrați, care pot accepta rate de încărcare de până la 500 kW. Modelul 1194398 poate furniza o putere de încărcare de 125 kW în condiții normale de funcționare și de până la 250 kW în modul cu amplificare (Figura 6). Această priză CCS de tip 1 este concepută pentru a fi utilizată în modurile de încărcare 2, 3 și 4. Acesta include un senzor de temperatură PTC în lanț pe contactele de curent alternativ și senzori Pt1000 pe contactele de curent continuu.

Figura 6: priza de încărcare a vehiculelor 1194398 CCS de tip 1, pentru încărcarea cu energie de curent alternativ sau continuu, poate furniza 125 kW în condiții normale de funcționare și până la 250 kW în modul cu amplificare. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Pentru nevoi de putere mai mari, priza de încărcare a vehiculelor 1162148 de la Phoenix Contact acceptă rate de încărcare de 500 kW în modul de încărcare în rafală și 250 kW în regim normal. Transmiterea semnalelor digitale utilizând modulația impulsului în lățime (PWM) este implementată cu ajutorul comunicației prin linii electrice în conformitate cu ISO/IEC 15118 și DIN SPEC 70121. Aceasta are o gamă de temperaturi ambiante de funcționare cuprinsă între -40 °C și +60 °C.

Aplicațiile care au nevoie de o fișă de curent alternativ CCS de tip 1 pentru încărcarea de nivelul 2 pot utiliza modelul 2267220-3 de la conectorii AMP de la TE Connectivity (Figura 7). Cu o tensiune nominală de 240 V _c.a. și 32 A, acest conector are trei contacte de alimentare și două contacte de semnal. Are o gamă extinsă de temperaturi de funcționare de la -55 °C la +105 °C și este evaluat pentru 10.000 de cicluri de cuplare.

Figura 7: conectorul CCS de tip 1 pentru încărcarea vehiculelor electrice care prezintă sistemul integrat de blocare manuală (partea stângă a conectorului). (Sursa imaginii: TE Connectivity)

Ansamblurile de cabluri pentru încărcătoare de VE de la Adam Tech includ fișe de tip 1 și 2 cu lungimi de cablu de 3 metri (m) (9,84 picioare (ft.)) sau 5 m (16,4 picioare) și sunt disponibile cu grade de protecție la infiltrare (IP) de IP54 sau IP55. De exemplu, CA #EV03AT-004-5M este un conector de tip 2 cu un cablu de 5 m și o clasificare IP55 (Figura 8). Acesta are cinci contacte de alimentare și două contacte de semnal și este evaluat pentru 480 V _c.a. la 16 A, cu un interval de temperatură de funcționare de la -30 °C la +50 °C.

Figura 8: conectorii CCS de tip 2 CA #EV03AT-004-5M sunt evaluați pentru 480 V _c.a. la 16 A. (Sursa imaginii: Adam Tech)

Considerente privind specificațiile CCS

Caracteristicile mecanice și electrice generale ale prizelor și conectorilor de încărcare a vehiculelor CCS sunt standardizate, dar există câteva aspecte pe care proiectanții trebuie să le ia în calcul atunci când formulează specificațiile acestor dispozitive:

Clasificarea IP: aceste clasificări sunt specificate în mai multe moduri: în stare conectată, în stare deconectată fără acoperire și în stare deconectată cu acoperire. Unele fișe neacoperite sunt clasificate pentru IP20, ceea ce înseamnă că sunt rezistente la atingere și la praf sau la obiecte cu dimensiuni de peste 12 mm. Cu toate acestea, nu au protecție împotriva lichidelor și vor fi susceptibile la deteriorare dacă intră în contact cu jeturi de apă. Evaluările IP54, IP55 și IP65 sunt comune pentru fișele CCS atunci când sunt acoperite sau când sunt conectate. IP65 are un grad mai mare de impermeabilizare în comparație cu unitățile IP54, dar același grad de impermeabilizare în comparație cu unitățile IP55. Unitățile IP54 și IP55 sunt mai puțin rezistente la praf în comparație cu unitățile IP65.

Gama de temperaturi de funcționare: nu există un standard pentru această specificație. Gamele de temperatură, cum ar fi de la -30 °C la +50 °C și de la -40 °C la +60 °C, sunt comune, dar sunt disponibile și game extinse, cum ar fi de la -55 °C la +105 °C (consultați modelul 2267220-3 de la TE Connectivity de mai sus).

Componente de măsurare a temperaturii: acestea sunt standardizate pentru contactele de curent alternativ care utilizează dispozitive PTC și pentru contactele de curent continuu cu senzori Pt1000. Formularea din fișa tehnică poate deveni derutantă în acest caz. Unitățile de c.a. menționează uneori utilizarea „PTC” și uneori „lanț PTC”. Denumirea corectă este „lanț PTC”, deoarece există câte un PTC pe fiecare contact. În cazul în care în fișa tehnică se menționează un simplu „PTC”, proiectanții trebuie să confirme că se utilizează un „lanț PTC”. În cazul senzorului Pt1000, unele fișe tehnice menționează un senzor Pt100, care este mai puțin sensibil și nu respectă standardele CCS. Este o greșeală comună ca un senzor Pt1000 să fie numit un dispozitiv Pt100, deoarece „100” este mult mai des utilizat decât „1000”. Proiectanții ar trebui să confirme că este, într-adevăr, Pt1000 și că există câte unul pe fiecare contact.

Concluzie

Încărcarea rapidă cu c.a. și c.c. a BEV susține capacitățile tot mai mari ale bateriilor VE și cererea de autonomie extinsă. Încărcarea rapidă în curent alternativ este utilizată în cazul vehiculelor electrice care parcurg distanțe relativ scurte. Alternativ, încărcarea rapidă în curent continuu de putere mai mare, care poate aduce bateria unui vehicul electric la 80% din încărcarea completă în câteva minute, vine în sprijinul nevoilor de conducere pe distanțe lungi. CCS oferă proiectanților o modalitate sigură, inteligentă și eficientă de a combina încărcarea rapidă în curent alternativ și curent continuu în aplicațiile din domeniul auto și din afara acestuia.

Lectură recomandată

1. Cum să implementați rapid și eficient sisteme flexibile de încărcare a vehiculelor electrice