CCS-csatlakozók használata a biztonságos villanyjármű-gyorstöltő rendszerek megvalósításának egyszerűsítésére

A villanyjárművek (EV-k) használata a mezőgazdaságtól kezdve az önkormányzatokon át a magánfelhasználókig számos területen növekszik, ami nagyrészt a kis hatótávolságtól való félelem folyamatos csökkenésének köszönhető. Bár a fejlett akkumulátortechnikák egységnyi térfogatra vetítve nagyobb akkumulátorkapacitást – és ezáltal nagyobb hatótávolságokat – tesznek lehetővé, az ilyen fejlesztések haszna korlátozott, ha túl sokáig tart az akkumulátor újratöltése. Ez azzal a kötelezettséggel jár az autóipari vállalatok és azok alkatrész-beszállítói számára, hogy rövid idő alatt alkalmazniuk kell a kifejlesztett gyorstöltési megoldásokat.

A töltés egyik kritikus elemét a csatlakozók jelentik. Ezeknek ma már 500 kW teljesítmény leadására is képeseknek kell lenniük akár 1000 V egyenfeszültség mellett, miközben tudniuk kell kezelni a váltakozó áramú áramforrásokat is. Emellett meg kell felelniük az IEC 62196 és a SAE J1772 szabvány biztonságos és intelligens gyorstöltésre vonatkozó követelményeinek is. Az autóipari és nem autóipari rendszerekkel szemben támasztott összes igény kielégítése érdekében az akkumulátoros villanyjárművek (BEV-k) rendszereinek tervezői olyan csatlakozókat használhatnak, amelyek megfelelnek a kombinált töltőrendszerre (CCS) vonatkozó előírásoknak.

Ez a cikk áttekinti az alapvető villanyjárműtöltési szinteket és módokat, majd áttér a CCS-csatlakozókra vonatkozó követelményekre, beleértve a CCS 1. típusú, a CCS 2. típusú és a kínai GB/T csatlakozók összehasonlítását. A cikk az egyes szállítók által kínált kibővített képességek, például a nagyobb üzemi hőmérséklet-tartományok és a magasabb védettségi osztályok (IP) áttekintésével zárul, a Phoenix Contact, a TE Connectivity és az Adam Tech által gyártott CCS-csatlakozók példáit használva szemléltetésképpen.

Kombinált villanyjárműtöltő rendszer

A (járműveken található) CSS járműtöltő aljzatokat úgy tervezték, hogy váltakozó áramú és egyenáramú tápcsatlakozókat egyaránt fogadjanak. A váltakozó áramú gyorstöltés akkor előnyös, ha a jármű hosszabb ideig parkol egy garázsban vagy parkolóban, a gyors egyenáramú töltés pedig akkor, ha rövid ideig parkol üzletek parkolóiban, pihenőhelyeken vagy e célra kiépített töltőállomásokon (1. ábra).

1. ábra: Egyetlen CCS járműtöltő aljzat támogatja mind a váltakozó áramú, mind az egyenáramú gyorstöltést (kép: Phoenix Contact)

Villanyjárműtöltési szintek és üzemmódok

A villanyjárműtöltési minősítések tartalmazzák a töltési szinteket, a töltési módokat, a huzalozási módokat és a CCS esetében a töltőcsatlakozók típusait is. Az Amerikai Egyesült Államokban a SAE J1772 szabvány három töltési szintet határoz meg:

• Az 1. szint a lakossági 120 V-os váltakozó áramú áramellátást használja, és körülbelül 1,9 kW-ra van korlátozva. Az 1. szint lassú.
• A 2. szintű töltés 208/240 V feszültségű egyfázisú váltakozó áramot használ. 240 V-os áramforrással legfeljebb mintegy 19 kW teljesítményt képes szolgáltatni. A 2. szint a „váltakozó áramú gyorstöltés”, és háromszor-hétszer gyorsabban tölt, mint az 1. szintű. Az 1. és 2. szint a villanyjármű fedélzeti töltőjét használja.
• A 3. szint egyenáramú gyorstöltés, amely külső egyenáramú töltő segítségével 600 V egyenfeszültséget szolgáltat 400 A áramerősség mellett, ami 240 kW összteljesítményt jelent. A korszerű egyenáramú gyorstöltők már 500 kW teljesítményt tudnak szolgáltatni (1000 V egyenfeszültség 500 A áramerősség mellett).

Európában az IEC 61851-1 szabvány a villanyjárműtöltés négy módját határozza meg:

• Az 1. töltési mód egy egyszerű kábelt használ, amelyet közvetlenül a hálózati csatlakozóba (konnektorba) dugnak. Kis teljesítményű, és ritkán használják.
• A 2. töltési módnak megfelelő kábel szintén közvetlenül a hálózati csatlakozóba csatlakoztatható, de kiegészítésül beépített védelemmel, úgynevezett kábelen belüli vezérlő- és védőeszközzel (IC-CPD) van ellátva. A 2. töltési mód biztonságosabb, mint az 1. töltési mód, de csak körülbelül 15 kW teljesítményű háromfázisú töltést tesz lehetővé.

A 3. és 4. töltési mód gyorstöltés:

• A 3. töltési mód külön e célra szolgáló töltőállomást (más néven villanyjármű-ellátó berendezést vagy EVSE-t) használ, amely váltakozó árammal akár 120 kW teljesítmény leadására is képes. Az 1., 2. és 3. töltési mód egyaránt a villanyjármű fedélzeti töltőjét használja az akkumulátor töltésének vezérlésére.
• A 4. töltési mód a gyors egyenáramú töltést jelenti. Ez a megoldás megkerüli a villanyjármű fedélzeti töltőjét, és az EVSE egy egyenáramú csatlakozón keresztül közvetlenül az akkumulátort látja el energiával. A 4. töltési móddal több száz kW is leadható. Míg a 3. töltési mód esetén csak lehetséges a magas szintű kommunikációs protokoll (HLC) és a töltésvezérlés segítségével megvalósított energia-visszacsatolás, a 4. töltési mód esetén kötelező.

Csatlakozótípusok, csatlakozási módok és fajták

A CCS-t Észak-Amerikában az SAE J1772 szabvány 1. típusú csatlakozóval, míg Európában az IEC 62196 szabvány 2. típusú csatlakozóval szabványosította. A villanyjármű és az EVSE közötti HLC-illesztőegység az ISO/IEC 15118 és a DIN SPEC 70121 szabványon alapul. Három lehetséges villanyjármű–áramforrás kapcsolat létezik: A, B és C fajtájú.

Az A fajta esetén a kábel állandóan a villanyjárműhöz van csatlakoztatva, és akkor csatlakoztatják az áramforráshoz, amikor arra szükség van. Az A fajtát a CCS nem használja. A CCS és az annak megfelelő kínai GB/T szabvány (2. ábra) a B és a C fajtát használja. A B fajta esetében a tápkábel mindkét végén lecsatlakoztatható, míg a C fajta esetében a tápkábel állandóan az EVSE-hez van csatlakoztatva. A 3. töltési mód használhatja a B és a C fajtát is. A 4. töltési mód csak a C fajtát használja.

2. ábra: Az 1. típusú (Észak-Amerika), a 2. típusú (Európa) és a GB/T (Kína) CCS-csatlakozótípusok, csatlakozási módok és fajták összehasonlítása (kép: Phoenix Contact)

Hőmérséklet-figyelés és aktív hűtés

A gyorstöltő rendszerek esetében fontos az érintkezők hőmérsékletének figyelése. Az IEC 62196 szabvány szerint az érintkezőknél a hőmérséklet-emelkedés nem haladhatja meg az 50 °C-ot. A villanyjármű és az EVSE közötti HLC-illesztőegység a hőmérsékleti adatok továbbítására szolgál. Ha a hőmérséklet túlságosan megemelkedik, az EVSE lelassítja vagy leállítja a töltést. A váltakozó áramú töltéshez használt CCS-csatlakozók esetében pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) termisztorok figyelik a hőmérsékletet, ahogy azt a DIN 60738 szabvány előírja. Ha a csatlakozó túlságosan felmelegszik, a töltés leáll (3. ábra). Gyors egyenáramú töltéshez a DIN 60751 szabvány két Pt1000 érzékelőt ír elő, egyet-egyet mindkét érintkezőn. A Pt1000 ellenállása a hőmérséklet emelkedésével lineárisan nő.

3. ábra: A PTC hőmérséklet-érzékelő leállítja a váltakozó áramú töltést, hogy a hőmérséklet ne lépje túl a biztonságos szintet (balra). Gyors egyenáramú töltés esetén egy Pt1000-es érzékelő teszi lehetővé a hőmérséklet folyamatos figyelését (jobbra) (kép: Phoenix Contact)

A 250 A-nál nagyobb töltőáramú rendszereknél a hőmérséklet-figyelés mellett aktív hűtésre is szükség van (4. ábra). Aktív hűtés kialakításával a CCS-csatlakozók akár 500 kW (500 A áramerősség 1000 V egyenfeszültség mellett) teljesítmény leadására is képesek. Abban az esetben, ha a környezeti hőmérséklet váratlanul megemelkedik, vagy túlterhelési állapot alakul ki, a hőmérséklet-figyelés lehetővé teszi a rendszer számára a hűtés erősségének növelését vagy a töltési áramerősség csökkentését, hogy a csatlakozó érintkezőinek hőmérséklet-emelkedése az előírt +50 °C-os határérték alatt maradjon.

4. ábra: A hőmérséklet-érzékeléssel kombinált aktív hűtés képes lehetővé tenni a teljes 500 A áramerősségű töltést úgy, hogy közben 50 °C alatt tartja a csatlakozó hőmérséklet-emelkedését (kép: Phoenix Contact (a szerző által módosítva))

Beépített reteszelőmechanizmusok

A CCS-csatlakozók beépített reteszelőmechanizmusokkal vannak ellátva. Az 1. típusú csatlakozók reteszelőmechanizmusa egy kézzel működtetett kilincsmechanizmus.. A 2. típusú csatlakozóknál a reteszelés egy elektromágneses úton működtetett fémcsavarral van megvalósítva (5. ábra). A reteszelés vezérlése külön kapcsolaton keresztül történik, és a reteszelés állapotát közlik az EVSE berendezéssel.

5. ábra: A CCS járműtöltő aljzatok elektromechanikusan vezérelt reteszelőcsavarral vannak ellátva (a piros nyilak mellett, balra fent), amelyet úgy terveztek, hogy nagy kihúzóerőknek is ellenálljon (kép: Phoenix Contact)

1. és 2. típusú töltőaljzatok és töltődugaszok

A Phoenix Contact cég által gyártott CHARX CCS-töltőaljzatok egyenáramú kábeleinek keresztmetszete akár 95 négyzetmilliméter is lehet, ami akár 500 kW töltési teljesítményt is lehetővé tesz. Az 1194398-as jelű típus normál üzemmódban 125 kW-os, teljesítménynövelt üzemmódban pedig akár 250 kW-os töltési teljesítményt is képes szolgáltatni (6. ábra). Ezt az 1. típusú CCS-aljzatot a 2., 3. és 4. töltési móddal történő használatra tervezték. A váltakozó áramú érintkezőkön PTC-láncként kialakított hőmérséklet-érzékelőt, az egyenáramú érintkezőkön pedig Pt1000-es érzékelőket használ.

6. ábra: Az 1194398 típusú, váltakozó és egyenáramú töltéshez is használható, 1. típusú CCS járműtöltő aljzat normál üzemmódban 125 kW, teljesítménynövelt üzemmódban pedig akár 250 kW teljesítmény leadására is képes (kép: Phoenix Contact)

Nagyobb teljesítményigény esetén a Phoenix Contact 1162148 jelű járműtöltő aljzata 500 kW töltési teljesítményt tesz lehetővé teljesítménynövelt üzemmódban, és 250 kW-ot normál üzemben. A digitális jelátvitel erősáramú tápkábelen át megvalósított impulzusszélesség-modulációval (PWM) történik az ISO/IEC 15118 és a DIN SPEC 70121 szabvány szerint. A készülék üzemi környezetihőmérséklet-tartománya: –40 °C – +60 °C.

Azokon a területeken, ahol a 2. szintű töltéshez 1. típusú váltakozó áramú CCS-dugaszra van szükség, használható a TE Connectivity AMP Connectors 2267220-3 jelű típusa (7. ábra). Ez a 240 V váltakozó feszültségre és 32 A áramerősségre méretezett csatlakozó három áramellátó és két jelérintkezővel van ellátva. Megnövelt üzemi hőmérséklet-tartománya –55 °C – +105 °C, és névlegesen 10 000 csatlakoztatást visel el.

7. ábra: 1. típusú CCS villanyjárműtöltő csatlakozó a beépített mechanikus reteszelőrendszerrel (a csatlakozó bal oldalán) (kép: TE Connectivity)

Az Adam Tech villanyjárműtöltő kábelszerelvényei 1. és 2. típusú csatlakozókat tartalmaznak 3 méteres (9,84 láb) vagy 5 méteres (16,4 láb) hosszúságú kábelekkel, és IP54 vagy IP55 védettségi (IP) besorolással kaphatóak. A CA #EV03AT-004-5M jelű szerelvény például egy 2. típusú csatlakozó 5 m hosszú kábellel és IP55 védettséggel (8. ábra). Öt áramellátó és két jelérintkezővel van ellátva, névlegesen 480 V váltakozó feszültségen 16 A erősségű áram leadására képes, és –30 °C és +50 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban használható,

8. ábra: A CA #EV03AT-004-5M 2. típusú CCS-csatlakozók névlegesen 480 V váltakozó feszültségen 16 A erősségű áram leadására képesek (kép: Adam Tech)

CCS-méretezési megfontolások

A CCS járműtöltő aljzatok és dugaszok általános mechanikai és villamos jellemzői szabványosak, de van néhány terület, amellyel a tervezőknek tisztában kell lenniük, amikor ezeket az eszközöket méretezik:

IP-besorolások: Ezek a minősítések többféleképpen vannak megadva: bedugva, kihúzva, fedő nélkül és kihúzva, fedővel. Néhány fedetlen dugasz IP20-as besorolású, ami azt jelenti, hogy érintésvédett és porálló, és 12 mm-nél nagyobb tárgyak nem tudnak belejutni. Nem védett viszont a folyadékok ellen, és hajlamos a károsodásra, ha vízpermettel érintkezik. A CCS dugaszok lefedve vagy bedugva jellemzően IP54, IP55 vagy IP65 minősítésűek. Az IP65 minősítés az IP54-nél magasabb fokú vízállóságot jelent, de ugyanolyan fokút, mint az IP55 minősítés. Az IP54 és IP55 minősítésű egységek kevésbé porvédettek, mint az IP65 minősítésűek.

Üzemi hőmérséklet-tartomány: Ez a jellemző nincs szabványosítva. Gyakoriak az olyan tartományok, mint –30 °C – +50 °C, illetve –40 °C – +60 °C, de kaphatóak megnövelt, például –55 °C – +105 °C hőmérséklet-tartományú termékek is (lásd fentebb a TE Connectivity cég 2267220-3 jelű termékét).

Hőmérsékletmérő alkatrészek: Ez a PTC-eszközöket használó váltakozó áramú érintkezők és a Pt1000 érzékelőkkel ellátott egyenáramú érintkezők esetében szabványosítva van. Az adatlap megfogalmazása itt zavaró lehet. A légkondicionáló egységeknél néha PTC, míg máskor PTC-lánc néven emlegetik ezeket a részegységeket. A helyes megnevezés a PTC-lánc, mivel minden érintkezőn van egy PTC termisztor. Ha az adatlapon egyszerűen csak PTC szerepel, a tervezőknek meg kell győződniük arról, hogy valójában nem PTC-láncról van-e szó. A Pt1000 érzékelő esetében egyes adatlapok Pt100 érzékelőt említenek, amely kevésbé érzékeny, és nem felel meg a CCS-szabványoknak. Gyakori hiba a Pt1000-es érzékelőt Pt100-as eszköznek nevezni, mivel a Pt100-as sokkal elterjedtebb, mint a Pt1000-es. A tervezőknek meg kell győződniük arról, hogy valóban Pt1000 érzékelőről van-e szó, és hogy minden érintkezőn van-e egy.

Összegzés

Az akkumulátoros villanyjárművek (BEV-k) váltakozó áramú és egyenáramú gyorstöltése támogatja a villanyjármű-akkumulátorok növekvő kapacitását és a nagyobb hatótávolság iránti igényt. A váltakozó áramú gyorstöltést olyan villanyjárműveknél használják, amelyek viszonylag rövid távolságokat tesznek meg. A másik lehetőség a nagyobb teljesítményű egyenáramú gyorstöltés, amely néhány perc alatt akár a teljes töltöttség 80%-ára is képes feltölteni a villanyjármű akkumulátorát, ami jobban kielégíti a hosszú távú vezetés iránti igényeket. A CCS biztonságos, intelligens és hatékony megoldást kínál a tervezők számára a váltakozó áramú és egyenáramú gyorstöltés kombinálására úgy az autóipari, mint a nem autóipari felhasználási területeken.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to Rapidly and Efficiently Implement Flexible EV Charging Systems (A rugalmas villanyjárműtöltő rendszerek gyors és hatékonyan megvalósításának módja)