Kompakt CCS kábelek 2. szintű gyors egyenáramú töltéshez

Elektromos járműveknél kényelmes és megbízható töltésükre van szükség, a „kis hatótávolságukkal” kapcsolatos esetleges félelmek megszüntetéséhez. Ezen igények kielégítéséhez az elektromos járművek töltését szabályozó eszközök (EVSE) infrastruktúráinak tervezőinek többféle töltési lehetőséget kell biztosítaniuk, melyek többek között a következők: közepes teljesítményű, 2. szintű, 80 A felső határértékű, egyenáramú (DC) gyorstöltők lakossági, kereskedelmi és kiskereskedelmi környezetekben; nagy teljesítményű, 3. szintű, 500 A egyenáramot (DC) biztosítani képes ultragyors töltők; valamint kisebb teljesítményű, 1. szintű, váltakozó áramú (AC) töltők éjszakai és vészhelyzeti töltéshez.

Az elektromos járművek egyenáramú töltése azonban összetett feladat. Az EVSE-nek folyamatosan figyelnie kell a csatlakozó reteszeltségét, a rendszer szigeteltségét, a töltési feszültséget, a töltési áramot és a csatlakozó hőmérsékletét. Ha e paraméterek bármelyike a beállított határértékeken kívül esik, az EVSE leáll. A 2. szintű egyenáramú töltőkhöz való kompakt kábel és csatlakozó megtervezése, összeszerelése és hosszú távú mechanikai épségének és elektromos integritásának biztosítása is problémát jelenthet. A kábel 5 vezetőt tartalmaz: +DC, -DC, kommunikáció, reteszfigyelő és védőföld. Ezeket a vezetékeket egyik végükön megbízhatóan csatlakoztatni kell az EVSE-hez, a másik végüket pedig a kompakt töltőrendszer (CCS) csatlakozójához. Ha ezen csatlakozások bármelyike hibás, az EVSE-n valószínűleg drága és időigényes utómunkálatokat kell elvégezni a megbízható működés biztosításához.

A 2. szintű EVSE-k CCS-csatlakozóinak és kábeleinek összeszerelésével kapcsolatos aggályok megszüntetésére a tervezők már kábelekhez végződtetett, előre összeszerelt, kompakt CCS-csatlakozókat használhatnak. Ezen kábel-csatlakozó párosokat olyan helyeken történő használatra tervezték, ahol nincs szükség 3. szintű töltésre, de a gyorsabb 2. szintű töltés előnyben részesített az 1. szintűvel szemben. Ezek a kábelek Észak-Amerikában 1-es típusú, Európában pedig 2-es típusú kábelként kaphatók, és az 1-es típus megfelel az UL2251 szabvány követelményeinek.

Ez a cikk a váltóáramú és egyenáramú CCS csatlakozók és kábelek közötti különbségeket tekinti át, és összehasonlítja a 2. és 3. szintű egyenáramú CCS csatlakozókat méret és kényelem szempontjából. Foglalkozik a közepes teljesítményű szerelt CCS kábelek számos felhasználási esetével is, majd bemutatja a Phoenix Contact 1-es és 2-es típusú kompakt szerelt CCS kábeleit, valamint azok telepítési ajánlásait.

Elektromos járművek AC és DC töltőkábelei közötti különbségek

A szabványos CCS töltőcsatlakozókat úgy tervezték, hogy mind váltóáramú, mind egyenáramú töltőcsatlakozókkal párosíthatók legyenek, biztosítva a rugalmasságot és egyszerűsítve az elektromos járművek tervezését. A váltakozó áramú töltés eredendően kisebb teljesítményű, és a töltésre használt kábelek mindkét vége dugaszolható csatlakozóval van ellátva (1. ábra). A nagyobb teljesítményszintű egyenáramú töltőrendszereknél a töltőkábel egyik vége mindig az EVSE-hez csatlakozik, a másik végén pedig a jármű töltőaljzatába dugaszolható csatlakozó található. Ezen túlmenően az egyenáramú csatlakozók olyan biztonsági funkciókkal is rendelkeznek, amelyek nem találhatók meg váltakozó áramú társaikban, beleértve a reteszelő mechanizmusokat és a hőmérséklet-ellenőrzést.

1. ábra: Az egyenáramú töltéshez használt kábelek egyik vége állandóan az EVSE-hez van rögzítve, másik végük pedig az elektromos járműn lévő csatlakozóba dugaszolható. A váltóáramú töltéshez használt kábelek mindkét végén dugó van (kép: Phoenix Contact)

A 2. és 3. szintű egyenáramú töltéshez 250 kW teljesítményig használható CCS-csatlakozók hasonló méretűek, és a járműveken lévő azonos típusú töltőaljzatokkal kompatibilisek. A 250 kW névleges teljesítményű egységek elsődlegesen abban különböznek, hogy a kábelek átmérője körülbelül 50%-kal nagyobb a nagyobb teljesítményszintek elviseléséhez, valamint ennek megfelelően a kábelek is nehezebbek. A sokkal kisebb kábel miatt a legfeljebb 80 kW névleges teljesítményű, 2. szintű csatlakozó-kábel párosok jelentősen könnyebbek és kevesebb erőkifejtéssel mozgathatók. A nagy teljesítményű, 500 kW-os vagy annál nagyobb egyenáramú töltéshez folyadékhűtést támogató aljzatra, valamint nagyobb csatlakozóra és kábelre van szükség (1. táblázat).

1. táblázat: A 80 kW, 250 kW és 500 kW névleges teljesítményű egyenáramú töltőkhöz való 2-es típusú CCS-csatlakozós kábelek méreteinek összehasonlítása (kép: Phoenix Contact)

A CCS típusú egyenáramú töltőcsatlakozó-rendszerek a felhasználó biztonságának és az EVSE megfelelő működésének biztosításához beépített reteszelő mechanizmusokkal rendelkeznek. Ezeket a mechanizmusokat úgy tervezték, hogy nagy kihúzóerőknek is ellenáljanak, így szinte lehetetlenné teszik a csatlakozó leválasztását az elektromos jármű töltése közben. Az 1-es típusú csatlakozók reteszelőmechanizmusa egy kézzel működtetett kilincsmechanizmus, amint az a 2. ábrán látható. A 2-es típusú csatlakozóknál a reteszelés egy elektromágneses úton működtetett fémcsavarral van megvalósítva. Mindkét esetben a rendszer felügyeli a reteszelő mechanizmust, és annak állapotát egy erre a célra szolgáló vezetéken keresztül közli az EVSE-vel.

2. ábra: Az 1-es típusú CCS-csatlakozók kézi működtetésű reteszelő kilincsmechanizmussal rendelkeznek (kép: Phoenix Contact)

Az egyenáramú CCS töltőcsatlakozókban integrált hőmérséklet-érzékelésre van szükség. A tápérintkezők pontos hőmérsékletének közvetlen figyelésével a rendszer túlmelegedés esetén leállíthatja vagy lelassíthatja a töltési folyamatot, hogy megóvja a felhasználót a veszélytől az EVSE-t pedig a károsodástól. Ezek a csatlakozók két PT1000 érzékelőt tartalmaznak, egyet-egyet a két érintkezőnél (3. ábra). Az érzékelők ellenállása a hőmérséklet növekedésével lineárisan növekszik, egyszerűvé téve a hőmérséklet figyelését. A hőmérsékletet a rendszer a kábelben lévő jelvezetéken keresztül közli az EVSE-vel.

3. ábra: A CCS-csatlakozó érintkezőinél PT1000 hőmérséklet-érzékelőkre van szükség az üzemi hőmérséklet figyeléséhez és a biztonságos töltés biztosításához (kép: Phoenix Contact)

Biztonságos csatlakozások

A CCS-csatlakozókon belüli csatlakozások megfelősége különösen fontos. Az EVSE-n belüli csatlakozások nincsenek kitéve jelentős mechanikai igénybevételnek, de a CCS-csatlakozókat rendszeresen csatlakoztatják és leválasztják, így a kábel csatlakozásai ismételt igénybevételnek vannak kitéve (4. ábra). Nem megfelelően csatlakoztatott csatlakozókábelek esetén a megnövekedett ellenállás vagy a kábellel való megfelelő kapcsolat elvesztése miatt az érintkezők degradálódhatnak, ami túlmelegedést okozhat, illetve egy vagy több vezeték kapcsolatának pillanatnyi megszűnését. A nem megfelelően összeszerelt csatlakozókábelek a töltőrendszer megbízhatóságának csökkenéséhez, elégedetlen felhasználókhoz, az EVSE-gyártók számára pedig esetleges garanciális költségekhez vezetnek.

4. ábra: A közepes teljesítményű egyenáramú töltéshez használt csatlakozók kis mérete miatt a robusztus és megbízható kábelcsatlakoztatás biztosítása nem egyszerű feladat (kép: Phoenix Contact)

A 2. szint felhasználási esetei

A 2. szintű egyenáramú töltést általában akkor részesítik előnyben, amikor több energiára van szükség, mint amennyi váltakozó áramú töltéssel biztosítható, de a gyorsabb 3. szintű töltésre nincs szükség. Az ezeket a kompakt csatlakozókat használó EVSE-k megfelelnek a CCS-szabványoknak, és a kisebb méretformátum kényelmesebb és könnyebb használatot biztosít. Számos alkalmazási esetben találkozhatunk velük, többek között:

Külvárosi lakóövezetekben: A 2. szintű egyenáramú töltők 240 voltos váltóáram segítségével működnek, és az elektromos járműtől függően háromszor-hétszer gyorsabban képesek feltölteni egy akkucsomagot, mint egy egyszerű 1. szintű váltóáramú töltő. További előny, hogy a napelemmel rendelkező otthonok esetében a 2. szintű egyenáramú töltők képesek közvetlenül a napelemes tömbből átvenni az egyenáramot, kiküszöbölve az átalakítással járó energiaveszteséget. A jövőben, ahogy a Vehicle-to-Grid (V2G, visszatáplálás a villamos rendszerbe) és a Vehicle-to-Home (V2H, lakóház működtetése az autó akkumulátorával) rendszerek egyre elterjedtebbé válnak, olyan kétirányú 2. szintű töltők fognak majd rendelkezésre állni, amelyek a járműből otthonokba vagy a villamos hálózatba történő fordított energiaáramlást szabályozzák.

Többcsaládos lakóházaknál és városi környezetekben: A lakóparkoknál és társasházi közösségeknél 2. szintű egyenáramú töltőállomások biztosítottak a lakók és a látogatók számára. Ezen túlmenően a városi lakóövezetekben az ún. „Right of Way” töltés magában foglalja a garázs hiányában az utcán parkoló autókat kiszolgáló töltőket. Mindkét esetben a töltő bevételi forrást biztosíthat az EVSE tulajdonosának, és kényelmet a környékbeli villanyautó-tulajdonosoknak.

Közterületeken, ahol autók gyűlnek össze: Ma már egyre több nyilvános helyen telepítenek 2. szintű egyenáramú töltőket, például bevásárló- és szórakoztató központoknál, iskolák és főiskolák közelében, parkolóházakban, sportcsarnokoknál, benzinkutakon és szervizekben. Az eladott elektromos járművek számának folyamatos növekedésével a 2. szintű egyenáramú töltőkkel egyre nagyobb számban találkozhatunk az autókereskedésekben is. Ezeket a töltőket arra használják, hogy az eladók biztosítani tudják, hogy az elektromos járművek teljesen fel legyenek töltve az ügyfelekhez való kiszállítás előtt, és hogy a szervizelésre hagyott elektromos járműveket újra feltöltsék.

Néhány megoldás 2. szintű egyenáramú csatlakozókra

Ha akár 80 A erősségű töltőáramra is szükség van, az EVSE tervezői a Phoenix Contact könnyű CCS C-Line sorozatához tartozó egyenáramú töltőcsatlakozóihoz és szerelt kábeleihez fordulhatnak. Az 1-es és 2-es típusú töltési módokra különböző hosszúságú kábelek állnak rendelkezésre. Például az 1236308 töltőkábel 1-es típusú csatlakozóval és 4 méter hosszú kábellel rendelkezik, az 1236966 töltőkábel pedig 2-es típusú csatlakozóval és 7 méter hosszú kábellel. Ezek az ergonomikus csatlakozók megfelelnek az összes CCS-szabványnak, és kis méretűek, hogy megkönnyítsék a gyors csatlakoztatást és leválasztást számos kis teljesítményű töltési alkalmazási esetben (5. ábra). Kívánságra vállalati logóval is elláthatóak az EVSE márkajelzésének feltüntetéséhez. Kis méreteik ellenére nagy teljesítményűek, és a következőket tartalmazzák:

• Ezüstbevonatú érintkezők az optimális teljesítményhez és megbízhatósághoz.
• A tápérintkezők hőmérsékletének figyelésére képes integrált érzékelők, valamint a CCS szabvány szerinti integrált reteszelő mechanizmusok.
• Megfelelnek a DIN EN 50620 szabványnak, valamint névlegesen 750 volt átütési feszültségű extrudált szigeteléssel és védőköpennyel rendelkeznek, hogy az EVSE-nek az elektromos járműhöz való csatlakoztatása még súlyos időjárási viszonyok esetén is megvalósítható legyen.
• Kompatibilitás az IATF 16949 autóipari szabvánnyal és az ISO 9001 követelményeivel.

5. ábra: A CCS C-Line csatlakozók ergonomikus formája, valamint a kábel alacsony súlya egyszerű kezelhetőséget és kényelmet biztosít (kép: Phoenix Contact)

EVSE-kkel való integráció

A C-Line típusú szerelt kábelek EVSE-kbe történő integrálásának támogatására a Phoenix Contact csatlakozótartókat és tömszelencéket biztosít a tervezők számára, többek között az 1624143 jelölésű csatlakozótartót és az 1424483 tömszelencét az 1-es típusú csatlakozókhoz, valamint az 1624153 csatlakozótartót és az 1411134 tömszelencét a 2-es típusú csatlakozókhoz. Az EVSE-k oldalára vagy elejére szerelt csatlakozótartók biztonságos helyek a csatlakozók számára, amikor azok nincsennek használatban. A csatlakozó rögzül a helyén, de könnyen eltávolítható, a tartó pedig rugalmasan felszerelhető, 0˚ és 45˚ közötti mellső dőlésszöggel. A tömszelence védi a kábelt az EVSE falán történő átvezetéskor, óvja a kábelt a sérüléstől, ha a felhasználó azt meghúzná, és megakadályozza, hogy az EVSE-be szennyeződés és nedvesség jusson.

6. ábra: A 2-es típusú csatlakozókhoz való csatlakozótartók (balra) és tömszelencék (jobbra) megkönnyítik a CCS C-Line csatlakozóknak és szerelt kábeleknek EVSE-kbe történő integrálását (kép: Phoenix Contact)

Összegzés

A 2. szintű egyenáramú töltés fontos alternatívája lehet a kisebb teljesítményű 1. szintű töltésnek. A DC töltőkábelek és csatlakozók tervezése azonban számos teljesítménybeli, biztonsági és szabályozásnak való megfelelőségi problémával jár. Amint bemutattuk, a 2-es szintű töltéshez való szerelt csatlakozós kábelek használatával a tervezők gyorsan megoldhatnak számos ilyen problémát, valamint olyan velejáró előnyöket is kapnak, mint a könnyebb súly és az ergonómikus kialakítás, ami egyszerűbb használatot biztosít.

Ajánlott olvasnivaló

1. Hibrid gépkocsik (HEV), akkumulátoros elektromos járművek (BEV) és az elektromos hálózat hatékonyságának javítása kétirányú áramátalakítókkal és teljesítménytényező korrekcióval
2. Rugalmas villanyjárműtöltő rendszerek gyors és hatékony megvalósítása