Többféle csatlakozó használata a villanyjárművek teljes körű töltőinfrastruktúrájának támogatása érdekében

A villanyjárművek (EV, electric vehicle) közelgő, nagy mennyiségben történő használatának támogatásához mindenütt elérhető töltőinfrastruktúrára lesz szükség. A tervezőknek sokféle infrastrukturális megoldást kell kidolgozniuk a lakóépületek, szállodák, üzletek és éttermek, kereskedelmi és ipari létesítmények, parkolóházak, benzinkutak, pihenőhelyek számára és egyéb helyszínekhez, hogy a kényelmes villanyjárműtöltés mindig rendelkezésre álljon. Bizonyos esetekben a felhasználóknak bőven van idejük, és mindössze néhány kilowattnyi váltakozó áramú töltési teljesítményre van szükségük hosszabb időn keresztül. Más körülmények között az idő a legfontosabb, és a felhasználók több száz kW egyenáramú teljesítményt igényelnek a villanyjárművek percek alatt történő feltöltéséhez.

A tervezőknek különböző csatlakozófajtákra van szükségük, amelyek képesek kezelni a kis teljesítményű váltakozó áramú, a nagy teljesítményű egyenáramú és a kettő közötti teljesítményszinteket. Ezeknek a csatlakozóknak a felhasználók kényelme érdekében ergonomikusoknak kell lenniük, valamint erőseknek és egyszerűen felszerelhetőeknek, hogy támogassák a villanyjárműgyártók költségtakarékos és megbízható megoldások iránti igényeit. A töltőfejeknek és a töltőaljzatoknak meg kell felelniük a CCS (combined charging system, kombinált töltőrendszerekre vonatkozó) szabvány, az SAE J1772 és az IEC 62196 követelményeinek.

Ez a cikk a villanyjárműtöltőkre vonatkozó műszaki követelményeket tekinti át különböző környezetekben, a lakóépületekben található kis teljesítményű váltakozó áramú töltőktől a különböző kereskedelmi helyszíneken található nagy teljesítményű töltőkig (HPC, high power charging), beleértve a villamos teljesítményt és a csatlakozószabványokat, valamint a folyadékhűtés szükségességét a nagy teljesítményű töltőberendezésekben. Ezután bemutatja a Phoenix Contact cégnek a villanyjárműtöltők mindenféle kialakítási igényét, valamint a nagy teljesítményű töltőberendezések kábeleinek és csatlakozóinak folyadékhűtési rendszerét támogató néhány váltakozó áramú és egyenáramú töltőaljzatát, töltőfejét és kábelrendszerét.

Észak-Amerikában, Európában és Kínában már kidolgozták a villanyjárműtöltési szabványokat, és kifejlesztették az azokhoz tartozó csatlakozókat. Az észak-amerikai és az európai szabványok a kombinált töltőrendszerekre vonatkozó (CCS) szabványon alapulnak, amely a jármű egyetlen töltőaljzatában egyesítve teszi lehetővé a váltakozó áramú és az egyenáramú töltést. Az 1. típusú CCS-csatlakozókat Észak-Amerikában és Dél-Koreában, a 2. típusú CCS-csatlakozókat pedig Európában, a Közel-Keleten, Dél-Afrikában, Dél-Amerikában, Ausztráliában, Új-Zélandon és még néhány más területen használják. Kína a saját útját járja a GB/T szabvánnyal, amely külön töltőaljzatot ír elő a váltakozó áramú és az egyenáramú töltéshez (1. ábra).

1. ábra: A villanyjárműtöltési szabványokat regionális alapon dolgozták ki Észak-Amerikában, Európában és Kínában (kép: Phoenix Contact)

A CCS típusai

A CCS szabványnak két változata van, az 1. és a 2. típusú. Az 1. típus megfelel a SAE J1772 és az IEC 62196-3 szabványnak, és az észak-amerikai piacra lett kifejlesztve. A váltakozó áramú és egyenáramú töltőfejek felépítése kompatibilis a villanyjárművekben található közös CCS-csatlakozóaljzattal.

A 2. típus szintén megfelel az IEC 62196-3 szabványnak, de nem felel meg a SAE J1772 szabványnak. Ezt eredetileg Európában fejlesztették ki, és mint fentebb említettük, több régióban is átvették. A 2. típusú váltakozó áramú és egyenáramú töltőfejek szintén kompatibilisek a villanyjárművekben található közös CCS-csatlakozóaljzattal.

A GB/T 20234 töltési szabványt csak Kínában használják. Ebben az esetben a váltakozó áramú és az egyenáramú csatlakozók különböző elrendezésűek, és külön töltőaljzatot kell használni a járművön a váltakozó áramú és az egyenáramú töltéshez.

2. ábra: Egy 1. típusú CCS (balra), egy 2. típusú CCS (középen) és egy GB/T (jobbra) villanyjármű-töltőaljzat (kép: Phoenix Contact)

Töltési módok

Észak-Amerikában és Európában a CCS 1. és CSS 2. típusú csatlakozók közötti fizikai különbségeken túlmenően is eltérő töltési módokat használnak. A kisebb teljesítményű töltési módok a fedélzeti villanyjárműtöltőt használják, míg a nagyobb teljesítményű töltési módok külső töltőkre támaszkodnak. Ezenkívül a nagyobb teljesítményszintek nagyobb hűtési feladatot is jelenthetnek, és előnyös lehet a pontosabb hőmérséklet-figyelés.

Az észak-amerikai SAE J1772 szabvány három töltési módot vagy szintet ismer:

• Az 1. szintet elsősorban lakóépületekben használják, és 120 V váltakozó feszültségről működik körülbelül 1,9 kW teljesítményig.
• A 2. szint nagyobb, 208/240 V egyfázisú váltakozó feszültséget használ. Ezt „gyors váltakozó áramú töltésnek” nevezik, és körülbelül 19 kW teljesítményt képes a fedélzeti villanyjárműtöltőre juttatni.
• A 3. szint egyenáramú töltés külső egyenáramú töltővel. Az alapszintű megoldás 600 V egyenfeszültséget használ legfeljebb 400 A mellett, legfeljebb 240 kW teljesítményig. A fejlettebb konstrukciók 1 kV egyenfeszültséget (kV_DC) és 500 A-t, összesen 500 kW-ot tudnak szolgáltatni.

Az IEC 61851-1 négy töltési módot határoz meg. Az 1., 2. és 3. töltési mód a villanyjármű fedélzeti töltőjét használja:

• Az 1. és 2. töltési mód kis teljesítményű váltakozó áramú töltésre szolgál. Az 1. töltési módhoz való kábelek közvetlenül a hálózati aljzatba (konnektor) csatlakoznak, és a rendelkezésre álló teljesítmény korlátozott. A 2. töltési mód szintén közvetlenül a váltakozó áramú hálózatra csatlakozik, de egy kábelbe épített vezérlő- és védőberendezéssel egészül ki, amely akár 15 kW-os háromfázisú váltakozó áramot is képes biztonságosan szolgáltatni.
• A 3. töltési mód a gyors váltakozó áramú töltés, amely egy töltőállomás segítségével akár 120 kW váltakozó áramú teljesítmény szolgáltatására is képes. A 3. szintű töltők esetenként valamilyen magas szintű kommunikációs (HLC, high-level communications) protokollt is tartalmazhatnak a külső váltakozó áramú áramforrás és a fedélzeti töltő között a töltésvezérléshez.
• A 4. töltési mód a gyors egyenáramú töltés, és több száz kilowattot képes közvetlenül az akkumulátorba juttatni. A 4. töltési módban szükség van valamilyen magas szintű kommunikációs protokollra a töltő vezérléséhez szükséges visszacsatolás biztosítása végett.

Túlmelegedés elleni védelem

A váltakozó áramú és egyenáramú töltőkábelekben egyaránt van túlmelegedés elleni védelem. Váltakozó áramú töltés esetén 80 A-ig a PTC (pozitív hőmérsékleti együtthatójú) termisztoros lánc az általános. Ez egy eszközláncból áll, minden érintkezőn egy-egy eszközzel. A határhőmérséklet túllépése esetén történő biztonságos leállítást az ellenállásértékek figyelése garantálja.

A nagy teljesítményű töltők érintkezőinél nagyobb pontosságú Pt1000 érzékelőket használnak a gyors reagálás biztosítása és a rendszer nagy teljesítményszinteken való egyenletes működésének lehetővé tétele érdekében.

A váltakozó áramú töltőaljzatok és töltőkábelek változatai

A váltakozó áramú töltőrendszerek tervezői számára a Phoenix Contact olyan univerzális töltőaljzatok teljes választékát kínálja, amelyek tudnak fogadni váltakozó áramú és egyenáramú töltőfejeket, valamint kínál olyan kizárólag váltakozó áramú töltőaljzatokat is, amelyek megfelelnek Észak-Amerikában az 1. típus, Európában pedig a 2. típus követelményeinek, és olyan járművekhez használhatóak, amelyek nem igényelnek egyenáramú töltést. Ezek a szerelvények tartalmaznak egy 2 méteres töltőkábelt, valamint 1 méteres kábeleket a reteszelő működtetőeleméhez, a hőmérséklet-érzékelőhöz és kommunikációs célokra. A szerelvények el vannak látva reteszelőmechanizmusokkal, hőmérséklet-érzékelőkkel és porvédősapkákkal. Néhány példa az IEC 62196-2 és SAE J1772 1. típusú csatlakozókban használható kábelezésre:

• Az 1271960 típusú járműtöltő aljzat legfeljebb 12 kW egyfázisú váltakozó áramot képes kezelni. Ez a töltőaljzat több mint 10 000 bedugás–kihúzási ciklusra van méretezve.
• Nagyobb teljesítményű töltőkhöz való az 1271836 típusú töltőaljzat, amely névlegesen legfeljebb 20 kW egyfázisú váltakozó áramú teljesítményig használható. Egy reteszelőszerkezet és egy porvédő sapka is tartozik hozzá.

A Phoenix Contact váltakozó áramú töltőkábelek széles választékát is kínálja, többek között az alábbiakat:

• 1277166 típusú töltőkábel SAE J1772 1. típusú járműtöltőkhöz. Egyik végén töltőfej van rászerelve, a másik vége pedig szabad a töltőberendezésbe való állandó bekötéshez. PTC-láncos hőérzékelőt tartalmaz, és maximum 20 kW egyfázisú váltakozó áramú teljesítményt képes kezelni. Egy 25 láb (7,5 m) hosszú kábel tartozik hozzá (3. ábra).
• Az 1627692 típusú töltőkábel hordozható váltakozó áramú töltőkábel, amelynek egyik végére egy 2. típusú töltőaljzatokba dugható töltőfej van szerelve, a másik végére pedig egy 2. típusú IEC 62196-2 töltőberendezésekhez csatlakoztatható váltakozó áramú csatlakozóaljzat. Ez a töltőkábel akár 26,6 kW háromfázisú váltakozó áramú teljesítmény továbbítására is képes, tartalmaz magas szintű kommunikációs (HLC) protokoll csatlakoztatására szolgáló érintkezőket, és 5 m hosszú.

3. ábra: 20 kW teljesítményre méretezett hordozható váltakozó áramú töltőkábel (kép: Phoenix Contact)

Egyenáramú töltőkábelek

A Phoenix Contact a családi házakban, lakótelepeken és lakóparkokban, bolti és vállalati parkolókban és parkolóházakban használt közepes teljesítményű töltőrendszerekhez az egyenáramú töltőkábeleket tartalmazó CCS C termékcsaládot kínálja. Ezek a kábelek 1. és 2. típusú kivitelben kaphatóak, és egyik végükön hőmérséklet-érzékelőkkel ellátott töltőfejjel, a másik végükön pedig szabad kábelcsatlakozókkal vannak ellátva. Példák az 1. típusú kábelekre:

• Az 5 m hosszú, 1105880 típusú töltőkábel névlegesen 40 kW teljesítmény átvitelére alkalmas
• A 7 m hosszú, 1236563 típusú töltőkábel névlegesen 80 kW teljesítmény átvitelére alkalmas (4. ábra)

4. ábra: Ez az egyenáramú töltőkábel 80 kW teljesítmény átvitelére alkalmas, és 7 m hosszú kábellel van ellátva (kép: Phoenix Contact)

Univerzális töltőaljzat

Az 1210900 típusú univerzális töltőaljzat váltakozó áramú és egyenáramú, az IEC 62196-2, IEC 62196-3 szabvány szerinti CCS 1. típusú töltőfejekkel kompatibilis, névleges értékei: 1 kV egyenfeszültségről legfeljebb 200 A, illetve 250 V egyfázisú váltakozó feszültségről 80 A áramerősségig használható. Az egyenáramú érintkezők két Pt1000-es hőérzékelővel, a váltakozó áramú érintkezők pedig PTC-láncos hőérzékelővel vannak ellátva.

500 kW-os egyenáramú töltőkábelrendszer

A nagy teljesítményű (HPC), 4. töltési módú egyenáramú töltőrendszerek tervezői használhatják az 1085658 kábelrendszert, amely folyadékhűtéses töltőfejet és töltőkábelt tartalmaz, és amely 1 kV egyenfeszültségről akár 500 A-t is képes leadni. Megfelel a SAE J1772 és az IEC 62196-3-1 CSS 1. típusra vonatkozó előírásainak. A rendszer tartalmaz a hőmérséklet, a kábelszakadás és a hűtőfolyadék-szivárgás figyelésére szolgáló érzékelőket is (5. ábra). A hőmérséklet-figyelés az egyenáramú érintkezők esetében két NTC-vel (negatív hőmérsékleti együtthatójú termisztor), a kábelben lévő egyenáramú tápvezetékek esetében szintén két NTC-vel történik.

5. ábra: Ez a nagy teljesítményű egyenáramú töltőkábel egy összetett rendszer (kép: Phoenix Contact)

A Phoenix Contact egy önálló hűtőegységet is kínál ezekhez az egyenáramú töltőkábelekhez. A hűtőegység a nagy teljesítményű egyenáramú töltőrendszerek optimális hűtése érdekében egy változtatható fordulatszámú ventilátort és szivattyút is tartalmaz (6. ábra). A szivattyú és a ventilátor 0 V és 10 V közötti egyenfeszültségről működik, a ventilátor legfeljebb 1,97 A-t, a szivattyú pedig legfeljebb 1,8 A-t fogyaszt. A hűtőfolyadék 50% víz és 50% glikol keveréke. A kábelek és vezetékek 1,5 m hosszúak. Az 1085658 kábellel együtt használva a rendszer hűtési kapacitása 3 m-es kábelek esetén 600 W, 4 m-es kábelek esetén 800 W, 5 m-es kábelek esetén 900 W, 6 m-es kábelek esetén pedig 1050 W.

6. ábra: Folyadékhűtő rendszer nagy teljesítményű egyenáramú töltőkábelekhez (kép: Phoenix Contact)

Összegzés

Ahhoz, hogy a villanyjárművek széles körű elterjedéséhez szükséges átfogó töltőinfrastruktúra rendelkezésre álljon, többféle villanyjárműtöltő-típusra és teljesítményszintre lesz szükség. A tervezőknek többféle töltőt kell kifejleszteniük a villanyjárművek akkumulátorainak belső töltőáramkörét használó kis teljesítményű, 1,9 kW-os váltakozó áramú töltőktől kezdve egészen a belső töltőáramkört megkerülő és az akkumulátorokat közvetlenül töltő nagy teljesítményű, folyadékhűtéses kábelű 500 kW-os egyenáramú töltőkig. A töltők esetében ezen két szélsőség között többféle teljesítményszintre és töltési módra lesz szükség ahhoz, hogy a családi házakban és lakóépületekben, szállodákban, üzletekben és éttermekben, kereskedelmi és ipari létesítményekben, parkolóházakban, benzinkutakon, pihenőhelyeken és más területeken mindig lehetőség legyen a villanyjárművek töltésére.