Compacte CCS-kabels bieden niveau 2 snel DC-opladen

Comfortabel en betrouwbaar opladen is nodig om de "afstandsangst" voor elektrische voertuigen (EV) weg te nemen. Om aan deze behoeften te voldoen, moeten ontwerpers van EVSE-infrastructuur (EVSE) een aantal verschillende oplaadopties aanbieden, waaronder snelle laders met een gemiddeld vermogen, niveau 2, met gelijkstroom (DC) in woningen, winkels en bedrijven, die tot 80 ampère (A) kunnen leveren; snelle laders, niveau 3, met een hoog vermogen, die tot 500 A DC kunnen leveren; en laders met een lager vermogen, niveau 1, met wisselstroom (AC) voor 's nachts en in noodgevallen.

Gelijkstroomlading van EV's is echter complex. De EVSE moet voortdurend de connectorvergrendeling, systeemisolatie, laadspanning, laadstroom en connectortemperatuur controleren. Als een van deze parameters buiten de vastgestelde grenzen valt, wordt de EVSE uitgeschakeld. Ook het ontwerpen, assembleren en verzekeren van de mechanische en elektrische integriteit op lange termijn van een compacte kabel en connector voor gelijkstroomladers van niveau 2 kan een uitdaging zijn. De kabel bevat 5 geleiders: +DC, -DC, communicatie, slotmonitor en beschermende aarding. Deze geleiders moeten op betrouwbare wijze worden aangesloten op de EVSE aan de ene kant en op de connector van het compacte laadsysteem (CCS) aan de andere kant. Als een van deze verbindingen defect is, moet de EVSE waarschijnlijk duur en tijdrovend worden hersteld om een betrouwbare werking te garanderen.

Om de problemen rond de assemblage van CCS-connectoren en -kabels voor EVSE's van niveau 2 op te lossen, kunnen ontwerpers voorgeassembleerde compacte CCS-connectoren met aangehechte kabels gebruiken. Deze kabel- en connectorcombinaties zijn ontworpen voor gebruik op locaties waar opladen op niveau 3 niet nodig is, maar waar sneller opladen op niveau 2 de voorkeur geniet boven opladen op niveau 1. Deze kabels zijn verkrijgbaar in type 1 voor Noord-Amerika en type 2 voor Europa, waarbij type 1 voldoet aan de eisen van UL2251.

In dit artikel worden de verschillen tussen AC en DC CCS-connectoren en -kabels besproken en worden DC CCS-connectoren van niveau 2 en niveau 3 vergeleken op het punt van grootte en gebruiksgemak. Ook worden verschillende gebruikssituaties voor CCS-kabelassemblages met een gemiddeld vermogen besproken en worden vervolgens compacte CCS-kabelassemblages van Phoenix Contact type 1 en type 2 en aanbevelingen voor de installatie gepresenteerd.

Het verschil tussen AC en DC EV-laadkabels

De standaard CCS-laadinlaten zijn ontworpen om zowel AC- als DC-laadconnectoren te aanvaarden, wat flexibiliteit biedt en het ontwerp van EV's vereenvoudigt. AC-laden is inherent minder krachtig en maakt gebruik van kabels met insteekbare connectoren aan beide uiteinden (Afbeelding 1). Voor gelijkstroomlading, die op hogere vermogensniveaus werkt, is de laadkabel altijd aan één kant aangesloten op de EVSE, met een connector aan het andere uiteinde die in het stopcontact van het voertuig wordt gestoken. Bovendien hebben DC-connectoren veiligheidsvoorzieningen die hun AC-tegenhangers niet hebben, zoals vergrendelingsmechanismen en temperatuurbewaking.

Afbeelding 1: De kabels voor gelijkstroomlading zijn permanent aan de EVSE bevestigd en worden in de EV-aansluiting gestoken. Kabels voor wisselstroom opladen hebben stekkers aan beide uiteinden. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De CCS-connectoren voor gelijkstroomlading van niveau 2 en niveau 3 tot 250 kilowatt (kW) zijn van vergelijkbare grootte en kunnen in een gemeenschappelijke voertuiginlaat worden gebruikt. Het belangrijkste verschil is dat de kabeldiameter voor eenheden van 250 kW ongeveer 50% groter is om de hogere vermogens te kunnen dragen, samen met een overeenkomstige toename van het kabelgewicht. Als gevolg van de veel kleinere kabel zijn de connectoren en kabelassemblages van niveau 2 die geschikt zijn voor maximaal 80 kW aanzienlijk lichter en gemakkelijker te hanteren. Gelijkstroomlading met een hoog vermogen tot 500 kW of meer vereist een andere voertuiginlaat die vloeistofkoeling ondersteunt, alsmede een grotere connector en kabel (Tabel 1).

Tabel 1: Vergelijking van de afmetingen van CCS-connectoren en -kabels van type 2 voor DC-laders van 80 kW, 250 kW en 500 kW. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Vergrendelingsmechanismen zijn geïntegreerd in CCS DC-laadconnectorsystemen voor de veiligheid van de gebruiker en om een goede werking van de EVSE te garanderen. Deze vergrendelingen zijn ontworpen om hoge uittrekkrachten te weerstaan, waardoor het bijna onmogelijk is de connector los te koppelen terwijl de EV wordt opgeladen. Het vergrendelingsmechanisme in connectoren van type 1 is een handmatige klem, zoals weergegeven in Afbeelding 2. Bij connectoren van type 2 gebeurt de vergrendeling met een metalen bout die elektromagnetisch wordt bediend. In beide gevallen wordt het vergrendelingsmechanisme bewaakt en wordt de toestand ervan via een speciale verbinding aan de EVSE doorgegeven.

Afbeelding 2: CCS-connectoren van type 1 hebben een handbediende vergrendelingsklem. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Geïntegreerde temperatuurdetectie is vereist in CCS DC-laadconnectoren. Met een nauwkeurige temperatuurbewaking direct bij de vermogenscontacten kan het laadproces worden gestopt of vertraagd in geval van oververhitting om de gebruiker tegen gevaar en de EVSE tegen schade te beschermen. Deze connectoren bevatten twee PT1000-sensoren, één op elk contact (Afbeelding 3). Deze sensoren hebben een weerstand die lineair toeneemt met de stijging van de temperatuur, wat de temperatuurcontrole vereenvoudigt. De temperatuur wordt aan de EVSE doorgegeven via een signaallijn in de kabel.

Afbeelding 3: PT1000-temperatuursensoren zijn nodig op de contacten van de CCS-connector om de bedrijfstemperatuur te controleren en veilig laden te helpen garanderen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Beveiligde verbindingen

De verbindingen in de CCS-connector zijn bijzonder belangrijk. De interne verbindingen van de EVSE staan niet bloot aan grote mechanische spanningen, maar de CCS-connector wordt regelmatig aan- en afgekoppeld en de kabelverbindingen worden herhaaldelijk belast (Afbeelding 4). Verkeerd bevestigde verbindingskabels kunnen leiden tot contactdegradatie in de vorm van verhoogde weerstand of verlies van kabelbevestiging, waardoor oververhitting of kortstondige verbreking van de verbinding van een of meer geleiders optreedt. Inadequaat gemonteerde verbindingskabels zullen leiden tot verminderde betrouwbaarheid van het laadsysteem, ontevredenheid bij de gebruiker en mogelijke garantiekosten voor de fabrikanten van elektrische stroomvoorzieningen.

Afbeelding 4: De kleine afmetingen van de connectoren voor middenvermogen gelijkstroomlading maken het een uitdaging om te zorgen voor robuuste en betrouwbare kabelverbindingen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Niveau 2 gebruikssituaties

Naar verwachting zal gelijkstroomlading van niveau 2 populair zijn wanneer meer vermogen nodig is dan door wisselstroomlading kan worden geleverd en sneller laden van niveau 3 niet nodig is. De EVSE's die deze compacte connectoren gebruiken, voldoen aan de CCS-normen en de kleinere vormfactor verhoogt het gebruiksgemak. Ze zullen naar verwachting worden aangetroffen in een reeks toepassingen, waaronder:

Woonwijk: DC-laders van niveau 2 gebruiken 240 volt wisselstroom (Vac) en kunnen een accu drie tot zeven keer sneller opladen dan een standaard AC-lader van niveau 1, afhankelijk van de EV. Een bijkomend voordeel is dat gelijkstroomladers van niveau 2 voor huizen met zonnepanelen de gelijkstroom rechtstreeks van het zonnepaneel kunnen overbrengen, zodat er geen conversieverlies optreedt. In de toekomst, naarmate vehicle-to-grid (V2G) en vehicle-to-home (V2H) systemen gangbaarder worden, zullen bidirectionele Level 2 laders beschikbaar zijn die de omgekeerde stroom van het voertuig naar de woning of het net regelen.

Meergezinswoningen en stedelijke: Appartementencomplexen en flatgebouwen voorzien in DC-laders van niveau 2 voor bewoners en bezoekers. Bovendien omvat het zogenaamde "recht van overpad"-laden in stedelijke woonomgevingen laders die geparkeerde auto's op straat bedienen wanneer er geen garages beschikbaar zijn. In beide gevallen kan de lader een inkomstenstroom opleveren voor de eigenaar van de EVSE en gemak bieden aan EV-eigenaars in de buurt.

Openbare plaatsen waar auto's samenkomen: DC-laders van niveau 2 worden op steeds meer openbare plaatsen geïnstalleerd, zoals winkel- en entertainmentcentra, scholen en universiteiten, parkeergarages, sportstadions, benzinestations en reparatiebedrijven. Naarmate de verkoop van EV's blijft stijgen, worden ook DC-laders van niveau 2 aangetroffen bij autodealers. Deze laders worden gebruikt om ervoor te zorgen dat EV's volledig zijn opgeladen voordat ze aan klanten worden geleverd en om EV's op te laden die voor onderhoud worden achtergelaten.

Niveau 2 DC-connectoroplossingen

Wanneer laadstromen tot 80 A nodig zijn, kunnen ontwerpers van EVSE's zich wenden tot de lichte CCS C-Line DC-laadconnectoren en -kabels van Phoenix Contact. Ze zijn verkrijgbaar met verschillende kabellengten voor type 1- en type 2-toepassingen. Zo heeft laadkabel 1236308 een type 1 connector en een kabel van 4 meter (m) lang, en laadkabel 1236966 een type 2 connector en een kabel van 7 m lang. Deze ergonomische connectoren voldoen aan alle CCS-normen in een kleine vormfactor om snelle aansluitingen en ontkoppelingen te vergemakkelijken voor gebruik in een reeks oplaadtoepassingen met laag vermogen (Afbeelding 5). Indien gewenst kunnen ze worden voorzien van een bedrijfslogo om de merknaam EVSE te versterken. Ook al zijn ze klein van formaat, ze leveren hoge prestaties:

• Verzilverde contacten voor optimale prestaties en betrouwbaarheid
• Geïntegreerde sensoren om de temperatuur van de vermogenscontacten te controleren, evenals geïntegreerde vergrendelingsmechanismen, volgens de CCS-norm
• Voldoet aan DIN EN 50620, plus geëxtrudeerde isolatie en mantels tot 750 volt voor gebruik in zware omstandigheden bij het aansluiten van de EVSE op de EV.
• Verenigbaarheid met de vereisten van de IATF 16949 automotive norm en ISO 9001

Afbeelding 5: De ergonomische vorm van de CCS C-Line-connectoren en hun lichte bekabeling vergemakkelijken de bediening en het gebruiksgemak. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Integratie van EVSE's

Ter ondersteuning van de integratie van C-Line-kabels in EVSE's stelt Phoenix Contact de ontwerpers connectorhouders en kabelschroefverbindingen ter beschikking, waaronder de connectorhouder 1624143 en de kabelschroefverbinding 1424483 voor type 1-connectoren en de connectorhouder 1624153 en kabelschroefverbinding 1411134 voor type 2-connectoren. Door connectorhouders aan de zijkant of voorkant van de EVSE te installeren, krijgt een connector een veilige plaats wanneer hij niet in gebruik is. De connector klikt vast, maar kan gemakkelijk worden verwijderd. De houder kan worden gemonteerd met een helling van 0˚ tot 45˚. Het gebruik van een wartel beschermt de kabel als deze door de wand van de EVSE gaat, beschermt de kabel tegen beschadiging als de gebruiker eraan trekt, en voorkomt dat er vuil en vocht in de EVSE komt.

Afbeelding 6: Connectorhouders (links) en wartels (rechts) voor connectoren van type 2 vergemakkelijken de integratie van CCS C-Line-connectoren en -kabels in EVSE's. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Conclusie

Gelijkstroomlading van niveau 2 kan een waardevol alternatief zijn voor gelijkstroomlading van niveau 1 met een lager vermogen. Het ontwerp van DC-laadbekabeling en connectoren gaat echter gepaard met veel uitdagingen op het gebied van prestaties, veiligheid en regelgeving. Zoals aangetoond kunnen ontwerpers, door gebruik te maken van kant-en-klare kabel/connectorsamenstellen voor opladen van niveau 2, veel van deze uitdagingen snel aanpakken, samen met ingebouwde voordelen zoals een lichter gewicht en een ergonomisch ontwerp voor meer gebruiksgemak.

Aanbevolen lectuur

1. Bidirectionele stroomomzetters en PFC gebruiken om de efficiëntie van HEV, BEV en het elektriciteitsnet te verbeteren
2. Hoe snel en efficiënt flexibele EV-oplaadsystemen implementeren