Pro splnění všech požadavků na automobilové i neautomobilové systémy, lze vyžít konektory, které splňují specifikace kombinovaného nabíjecího systému (CCS). Tento článek shrnuje základní úrovně a režimy nabíjení elektromobilů a poté nabídne srovnání konektorů CCS typu 1, CCS typu 2 a čínských konektorů GB/T. Závěrem si uvedeme konektory s širším rozsahem provozních teplot a s vyšší stupněm krytí IP od Phoenix Contact , TE Connectivity  a Adam Tech .

CCS - Systém kombinovaného nabíjení EV

EV vozidlo musí mít připojovací místo určené pro nabíjení navrženo tak, aby umožňovalo připojení AC i DC napájecího zdroje. Nabíjení střídavým proudem je výhodné, když je elektromobil delší dobu zaparkován v garáži nebo na parkovišti. Rychlé stejnosměrné nabíjení se používá, když je elektromobil zaparkován na krátkou dobu v obchodech, na odpočívadlech a na vyhrazených nabíjecích stanicích (obrázek 1).

Obrázek 1: Jediný přívod CCS ve vozidle může podporovat rychlé nabíjení AC i DC. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Úrovně a režimy nabíjení EV

Klasifikace nabíjení EV zahrnuje: úrovně nabíjení, režimy nabíjení a v případě CCS ještě typy nabíjecích konektorů. 

V USA SAE J1772 definuje tři úrovně nabíjení:

• Úroveň 1 využívá domácí napájecí síť 120 V_AC a je omezena na přibližně 1,9 kW. Úroveň 1 je pomalá.
• Nabíjení úrovně 2 využívá jednofázové napájení 208/240 V_AC. Dokáže dodat až cca 19 kW. Úroveň 2 je „rychlé nabíjení střídavým proudem“ a nabíjí se třikrát až sedmkrát rychleji než úroveň 1. Úrovně 1 a 2 napájejí palubní nabíječku EV.
• Úroveň 3 je stejnosměrné rychlé nabíjení a používá externí stejnosměrnou nabíječku 600 V_DC při 400 A pro celkový výkon 240 kW. Pokročilé DC rychlé nabíječky mohou dodat až 500 kW (1 000 V_DC při 500 A).

V Evropě IEC 61851-1 definuje čtyři režimy nabíjení:

• Nabíjení v režimu 1 využívá jednoduchý kabel zapojený přímo do elektrické zásuvky. Má nízký výkon a je málo používaný.
• Režim 2 se také zapojuje přímo do elektrické zásuvky, ale přidává integrovanou ochranu, nazývanou ovládací a ochranné zařízení v kabelu (IC-CPD). Režim 2 je bezpečnější než režim 1, ale podporuje nabíjení pouze do výkonu asi 15 kW s třífázovým napájením.

Režimy 3 a 4 jsou rychlé nabíjení:

• Režim 3 využívá vyhrazenou nabíjecí stanici (také nazývanou napájecí zařízení EV nebo EVSE) k dodání až 120 kW AC. Všechny režimy 1, 2 a 3 využívají k řízení nabíjení baterie integrovanou nabíječku elektromobilu.
• Režim 4 se týká rychlého DC nabíjení. Palubní nabíječka EV je vynechána a EVSE dodává energii přímo do baterie přes DC konektor. V režimu 4 lze dodat několik stovek kW. Zatímco v režimu 3 je možná zpětná vazba energie pomocí vysokoúrovňového komunikačního protokolu (HLC) a řízení nabíjení, v režimu 4 je zpětná vazba vyžadována.

Typy připojení a režimy

CCS je standardizován v SAE J1772 s konektorem typu 1 v Severní Americe a v IEC 62196 s konektorem typu 2 v Evropě. Rozhraní HCL mezi EV a EVSE je založeno na ISO/IEC 15118 a DIN SPEC 70121. Existují tři možná připojení EV k napájení - A, B a C.

V případě A je kabel trvale připojen k EV a podle potřeby je zapojen do zdroje energie. Případ A se v CCS nepoužívá. Případy B a C se používají s CCS s odpovídajícím čínským standardem GB/T (obrázek 2). Pokud je napájecí kabel na obou koncích odnímatelný, jedná se o případ B. Pokud je kabel trvale připojen k EVSE, jedná se o případ C. Režim nabíjení 3 může používat případ B nebo C. Režim nabíjení 4 používá pouze případ C.

Obrázek 2: Porovnání typů, režimů a konektorů CCS typu 1 (Severní Amerika), typu 2 (Evropa) a GB/T (Čína). (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Monitorování teploty a aktivní chlazení

Monitorování kontaktní teploty je důležité v systémech rychlého nabíjení. Podle IEC 62196 nesmí nárůst teploty na kontaktech překročit 50°C. Rozhraní HCL mezi EV a EVSE se používá ke komunikaci údajů o teplotě. Pokud se teplota příliš zvýší, EVSE zpomalí nebo zastaví nabíjení. V případě konektorů CCS pro AC nabíjení monitorují termistory s kladným teplotním koeficientem (PTC) teplotu, jak vyžaduje DIN 60738. Pokud se konektor příliš zahřeje, nabíjení se zastaví (obrázek 3). Pro rychlé DC nabíjení vyžaduje DIN 60751 dva snímače Pt1000, jeden na každém kontaktu. Pt1000 má odpor, který se lineárně zvyšuje s rostoucí teplotou.

Obrázek 3: Teplotní snímač PTC vypne AC nabíjení, aby teplota nepřekročila bezpečnou úroveň (vlevo). Pro rychlé DC nabíjení umožňuje snímač Pt1000 nepřetržité sledování teploty (vpravo). (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Monitorování teploty spolu s aktivním chlazením je nutné v systémech, které dodávají nabíjecí proudy nad 250 A (obrázek 4). Díky aktivnímu chlazení mohou konektory CCS dodat až 500 kW (500 A při 1 000 V_DC ). V případě, že se neočekávaně zvýší okolní teplota nebo dojde k přetížení, monitorování teploty umožňuje systému zvýšit rychlost chlazení nebo snížit rychlost nabíjení, aby se teplota kontaktů konektoru udržela pod limitem specifikace +50 °C.

Obrázek 4: Aktivní chlazení kombinované se snímáním teploty může podporovat plné nabíjení proudem 500 A a udržovat nárůst teploty konektoru pod +50 °C. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact (upraveno autorem))

Integrované zamykací mechanismy

Uzamykací mechanismy jsou integrovány do konektorových systémů CCS. Uzamykací mechanismus u konektorů typu 1 je ruční zacvakávací mechanismus. U konektorů typu 2 je uzamčení provedeno pomocí elektromagneticky aktivovaného kovového šroubu (obrázek 5). Zámek je ovládán a jeho stav je sdělován EVSE prostřednictvím samostatného připojení.

Obrázek 5: Vstupy do vozidla CCS jsou vybaveny elektromechanicky ovládaným zajišťovacím čepem (vedle červených šipek vlevo nahoře) navrženým tak, aby vydržel velké vytahovací síly. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Konektory typu 1 a 2

Nabíjecí vstupy CHARX CCS od společnosti Phoenix Contact mají stejnosměrný průřez kabelů až 95 čtverečních milimetrů, které mohou podporovat nabíjecí rychlosti až 500 kW. Model 1194398 může dodat 125 kW za normálního provozu a až 250 kW v režimu boost (obrázek 6). Tento vstup CCS typu 1 je navržen pro použití v režimech nabíjení 2, 3 a 4. Obsahuje snímač teploty řetězu PTC na kontaktech AC a snímače Pt1000 na kontaktech DC.

Obrázek 6: Nabíjecí vstup vozidla model 1194398 CCS typ 1 pro nabíjení střídavým nebo stejnosměrným proudem může dodávat 125 kW za normálního provozu a až 250 kW v režimu boost. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Pro vyšší výkon je k dispozici konektor 1162148 od Phoenix Contact s přenosem energie až 500 kW v rychlém režimu a 250 kW v normálním provozu. Digitální přenos signálu pomocí pulzně šířkové modulace (PWM) je realizován pomocí powerline komunikace podle ISO/IEC 15118 a DIN SPEC 70121. Tento konektor lze spolehlivě provozovat v teplotách od -40°C do +60°C.

Pro aplikace, které potřebují AC zástrčku CCS typu 1 pro nabíjení úrovně 2, lze použít model 2267220-3 od TE Connectivity AMP Connectors (obrázek 7). Tento konektor je určen pro 240 V_AC a 32 A. Konektor obsahuje tři napájecí a dva signální kontakty. Je určen do provozních teplot od -55 °C do +105 °C a je dimenzován na 10 000 párovacích cyklů.

Obrázek 7: Nabíjecí konektor CCS typ 1 a jeho integrovaný systém manuálního zamykání (levá strana konektoru). (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Kabelové sestavy od Adam Tech obsahují zástrčky typu 1 a typu 2 s délkou kabelu 3 m nebo 5 m a jsou k dispozici s krytím IP54 nebo IP55. Například CA #EV03AT-004-5M je konektor typu 2 s 5m kabelem a krytím IP55 (obrázek 8). Má pět napájecích a dva signální kontakty a je dimenzován na 480 V_AC při 16 A s rozsahem provozních teplot -30 °C až +50 °C.

Obrázek 8: Konektory CA #EV03AT-004-5M CCS typ 2 jsou dimenzovány na 480 V_AC a 16 A. (Zdroj obrázku: Adam Tech)

Vlastnosti konektorů CCS

Mechanické a elektrické vlastnosti zástrček a konektorů CCS vozidel jsou standardizované, existuje však několik vlastností, na které si musíme dát pozor.

Úroveň IP ochrany

IP ochrana se definuje při zapojení, při odpojení bez krytí a odpojení s krytím. Některé nekryté zástrčky mají stupeň krytí IP20. To znamená, že jsou odolné proti dotyku a odolné vůči prachu nebo předmětům větších než 12 mm. Nemají však žádnou ochranu proti kapalinám a jsou náchylné k poškození, pokud přijdou do kontaktu s vodní sprchou. Třída ochrany IP54, IP55 a IP65 jsou běžné pro zástrčky CCS, když jsou zasunuté. Konektory s IP65 mají vyšší stupeň vodotěsnosti ve srovnání s konektory IP54, ale stejný stupeň vodotěsnosti ve srovnání s IP55. Konektory s IP54 a IP55 mají menší odolnost proti prachu ve srovnání s IP65.

Rozsah provozních teplot:

Pro toto neexistuje žádná norma. Běžné jsou rozsahy -30 °C až +50 °C a -40 °C až +60 °C, ale jsou k dispozici rozšířené rozsahy, jako je -55 °C až +105 °C (viz 2267220-3 od TE Connectivity výše).

Komponenty pro měření teploty:

Toto je standardizováno pro AC kontakty využívající PTC a pro DC kontakty se snímači Pt1000. V technickém listě jednotlivých stanic mohou být informace, které jsou matoucí. AC jednotky někdy mají definováno, že potřebují 'PTC' a někdy 'PTC chain.' Správné označení je 'PTC chain', protože na každém kontaktu je PTC. Pokud je v datovém listu uvedeno jednoduché „PTC“, měli bychom ověřit, že je nutno použít „řetězec PTC“ neboli „PTC chain“. V případě snímače Pt1000 se v některých technických listech uvádí snímač Pt100, který je méně citlivý a nesplňuje standardy CCS. Je běžnou chybou nazývat snímač Pt1000 snímačem Pt100, protože '100' je mnohem více používáno než '1000'. Je nutné si ověřit, že se skutečně jedná o Pt1000 a že je na každém kontaktu jeden.

Závěr

Rychlé nabíjení AC a DC podporuje rostoucí kapacita baterií, a tím i delší dojezd. Rychlé nabíjení AC se používá u elektromobilů, které cestují na relativně krátké vzdálenosti. Na dlouhé vzdálenosti je vhodné využít stejnosměrné rychlé nabíjení vyšším výkonem, které dokáže baterii dobít na 80 % plného nabití během několika minut. CCS nabízí bezpečný, inteligentní a efektivní způsob, jak kombinovat AC a DC rychlé nabíjení v automobilových i neautomobilových aplikacích.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.