Hoe een reeks connectors gebruiken om een uitgebreide infrastructuur voor het laden van elektrische voertuigen te ondersteunen

Er zal een alomtegenwoordige oplaadinfrastructuur nodig zijn om de komende toename van het gebruik van elektrische voertuigen te ondersteunen. Ontwerpers worden uitgedaagd om een breed scala aan infrastructuuroplossingen te ontwikkelen voor gebruik in woningen, hotels, winkels en restaurants, commerciële en industriële locaties, parkeergarages, benzinestations, rustplaatsen en andere locaties voor het altijd beschikbaar en gemakkelijk opladen van elektrische voertuigen. In sommige gevallen hebben gebruikers de luxe van tijd en hebben zij gedurende langere tijd slechts een paar kilowatt (kW) aan wisselstroom (AC) laadvermogen nodig. In andere omstandigheden is tijd van essentieel belang en zullen gebruikers honderden kW gelijkstroom nodig hebben om EV's in enkele minuten op te laden.

Ontwerpers hebben verschillende connectoropties nodig die kunnen omgaan met laag vermogen wisselstroom, hoog vermogen gelijkstroom en een reeks vermogensniveaus daartussenin. Die connectors moeten ergonomisch zijn om de gebruiker gebruiksgemak te bieden, en ze moeten robuust en eenvoudig te installeren zijn om tegemoet te komen aan de behoeften van EV-fabrikanten aan kosteneffectieve en betrouwbare oplossingen. De laadgrepen en stroominlaten moeten voldoen aan de eisen van de norm voor gecombineerde laadsystemen (CCS), SAE J1772, en IEC 62196.

Dit artikel geeft een overzicht van de technische vereisten voor EV-laders in verschillende omgevingen, van AC-laders met laag vermogen in woningen tot HPC-laders (High Power Charging) op verschillende commerciële locaties, inclusief de elektrische prestaties en interfacenormen en de behoefte aan vloeistofkoeling in HPC-installaties. Vervolgens wordt een reeks AC- en DC-laadinlaten, handgrepen en kabelsystemen van Phoenix Contact gepresenteerd die de behoeften van alle soorten EV-laderontwerpen ondersteunen, evenals een vloeistofkoelsysteem voor HPC-kabels en connectors.

In Noord-Amerika, Europa en China zijn laadnormen voor EV en bijbehorende connectors ontwikkeld. De normen in Noord-Amerika en Europa zijn beide gebaseerd op de CCS-norm (combined charging system), die AC- en DC-lading combineert in één enkele aansluiting op het voertuig. CCS type 1-connectors komen vooral voor in Noord-Amerika en Korea, en CCS type 2-connectors in Europa, het Midden-Oosten, Zuid-Afrika, Zuid-Amerika, Australië, Nieuw-Zeeland en enkele andere gebieden. China is zijn eigen weg gegaan met de GB/T-norm die aparte inlaten voor AC- en DC-laden vereist (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In Noord-Amerika, Europa en China zijn regionale laadnormen voor EV ontwikkeld. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

CCS-types

Er zijn twee versies van de CCS-norm, type 1 en type 2. Type 1 voldoet aan de normen SAE J1772 en IEC 62196-3 en is ontwikkeld voor de Noord-Amerikaanse markt. De structuur van de AC- en DC-laadconnectors is compatibel met een gemeenschappelijke CCS-voertuiginvoer.

Type 2 voldoet ook aan IEC 62196-3, maar niet aan SAE J1772. Het werd oorspronkelijk in Europa ontwikkeld en is, zoals hierboven vermeld, in verschillende regio's overgenomen. De AC- en DC-laadconnectors van type 2 zijn ook compatibel met een gemeenschappelijke CCS-voertuiginvoer.

De laadnorm GB/T 20234 wordt alleen in China gebruikt. In dit geval hebben de AC- en DC-connectors verschillende interfaces en moeten in het voertuig afzonderlijke inlaten worden gebruikt.

Afbeelding 2: Voorbeelden van CCS type 1 (links), CCS type 2 (midden) en GB/T (rechts) EV-laadstroominlaten. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Laadmodi

Naast de fysieke verschillen tussen CCS type 1- en type 2-connectors worden in Noord-Amerika en Europa verschillende laadmodi gebruikt. Bij een lager vermogen wordt de ingebouwde EV-lader gebruikt, terwijl bij een hoger vermogen externe laders worden gebruikt. Bovendien kunnen hogere vermogensniveaus grotere thermische uitdagingen hebben en profiteren van een nauwkeuriger temperatuurbewaking.

De Noord-Amerikaanse SAE J1772-norm onderscheidt drie standen of niveaus:

• Niveau 1 is voornamelijk bedoeld voor woningen en gebruikt 120 volt wisselstroom (Vac) om tot ongeveer 1,9 kilowatt (kW) te leveren.
• De hogere spanning 208/240 eenfase wisselstroom wordt gebruikt door niveau 2. Dat heet "snelladen" en kan ongeveer 19 kW leveren aan de ingebouwde EV-lader.
• Niveau 3 is gelijkstroom opladen met behulp van een externe gelijkstroomlader. De basisspecificatie is voor 600 V_DC bij maximaal 400 ampère (A) voor maximaal 240 kW. Geavanceerde ontwerpen kunnen 1 kilovolt DC (kV_DC) en 500 A leveren voor een totaal van 500 kW.

In IEC 61851-1 worden vier laadmodi gedefinieerd. Modi 1, 2 en 3 maken gebruik van de ingebouwde lader van de EV:

• Modi 1 en 2 zijn voor het opladen met laag vermogen via wisselstroom. Mode 1 kabels worden rechtstreeks in het stopcontact gestoken, en het beschikbare vermogen is beperkt. Mode 2 wordt ook rechtstreeks op het wisselstroomnet aangesloten, maar voegt een controle- en beveiligingsinrichting in de kabel toe om veilig tot 15 kW met driefasige wisselstroom te leveren.
• Mode 3 is snelladen via wisselstroom en maakt gebruik van een laadstation om tot 120 kW wisselstroom te leveren. Niveau 3 laders kunnen optioneel een communicatieprotocol op hoog niveau (HLC) bevatten tussen de externe wisselstroombron en de ingebouwde lader voor de controle van het laden.
• Mode 4 is snel DC-laden en kan enkele honderden kilowatts rechtstreeks aan de batterij leveren. In mode 4 is HLC nodig voor de feedback die nodig is voor de regeling van de lader.

Thermische bescherming

Zowel de AC- als de DC-laadkabels zijn voorzien van een thermische beveiliging. Voor wisselstroomlading tot 80 A is een thermistorketen met positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) gebruikelijk. Het bestaat uit een keten van apparaten, met één op elk contact. De bewaking van de weerstandswaarden garandeert een veilige uitschakeling wanneer de grenstemperatuur wordt overschreden.

Op de contacten van laders met hoog vermogen worden Pt1000-sensors met hogere nauwkeurigheid gebruikt om een snelle respons te garanderen en het systeem in staat te stellen consistent te werken bij hoge vermogens.

AC-ingang en bekabelingsopties

Voor ontwerpers van AC-laadsystemen biedt Phoenix Contact een volledig assortiment van universele laadinlets die zowel AC- als DC-ingangen kunnen accepteren, en speciale laadinlets voor AC alleen die voldoen aan de eisen voor Type 1 in Noord-Amerika en Type 2 in Europa en geschikt zijn voor voertuigen die geen DC-laden nodig hebben. Deze assemblages omvatten een voedingskabel van 2 meter en kabels van 1 meter voor de vergrendelingsactuator, de temperatuursensor en de communicatie. Ze hebben vergrendelingsmechanismen, temperatuursensors en stofkappen. Voorbeelden van bekabeling voor gebruik in IEC 62196-2 en SAE J1772 Type 1-toepassingen zijn:

• Model 1271960 voertuiglader kan tot 12 kW enkelfasige wisselstroom verwerken. Deze inlaat is berekend op meer dan 10.000 inbreng-/uittrekcycli.
• Voor toepassingen met een hoger vermogen kan het model 1271836 worden gebruikt, dat geschikt is voor maximaal 20 kW eenfasig wisselstroomvermogen. Een vergrendeling en een beschermkap zijn inbegrepen.

Phoenix Contact biedt ook een reeks AC-laadkabels, waaronder:

• Model 1277166 voor gebruik met SAE J1772 Type 1-voertuigladers. Het heeft een laadconnector voor voertuigen aan de ene kant en is open aan de andere kant voor de bevestiging van een permanente oplader. Hij omvat PTC-kettingthermische detectie en kan tot 20 kW enkelfasige wisselstroom verwerken. Het omvat een kabel van 25 voet (Afbeelding 3).
• Model 1627692 mobiele AC-laadkabel met een voertuiglaadconnector voor Type 2-inlaten aan het ene uiteinde en een infrastructuur AC-connector aan het andere uiteinde voor gebruik met Type 2 IEC 62196-2-laders. Deze kabel kan tot 26,6 kW 3-fase wisselstroom leveren, bevat contacten voor HLC-aansluitingen en is 5 m lang.

Afbeelding 3: Mobiele AC-laadkabel voor 20 kW. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

DC-laadkabels

Phoenix Contact biedt haar CCS C-Line van DC-laadkabels aan voor laadsystemen met een gemiddeld vermogen voor particuliere woningen, appartementencomplexen, bedrijven en parkeergelegenheden. Deze kabels zijn verkrijgbaar in Type 1- en Type 2-uitvoeringen en de assemblages hebben een voertuiglaadconnector met temperatuursensors aan de ene kant en open kabelverbindingen aan de andere kant. Voorbeelden van ontwerpen van type 1 zijn:

• Het 5 m lange model 1105880 voor 40 kW
• Het 7 m lange model 1236563 voor 80 kW (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Deze DC-laadconnector is berekend op 80 kW en heeft een kabel van 7 m. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Universele laadaansluiting

Het model 1210900 universele laadinlaat werkt met AC en DC CCS Type 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3-connectors met een nominaal vermogen tot 200 A en 1 kV_DC, of 80 A en 250 Vac eenfase. De DC-contacten hebben twee PT1000 thermische sensors, en de AC-contacten hebben een PTC-ketting thermische sensors.

500 kW DC-bekabelingssysteem

Ontwerpers van krachtige modus 4 HPC DC-laadsystemen kunnen zich wenden tot het bekabelingssysteem 1085658 dat een vloeistofgekoelde voertuigconnector en kabel omvat die tot 500 A bij 1 kV_DC kunnen leveren. Hij voldoet aan de vereisten van CSS Type 1, SAE J1772 en IEC 62196-3-1. Het systeem omvat sensors voor temperatuurcontrole, kabelbreuken en koelmiddellekken (Afbeelding 5). De temperatuurcontrole wordt uitgevoerd met twee NTC's voor de gelijkstroomcontacten en twee NTC's voor de gelijkstroomdraden in de kabel.

Afbeelding 5: Deze krachtige gelijkstroomlaadkabel is een complex systeem. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Phoenix Contact biedt bij deze DC-laadkabels ook een zelfstandige koeleenheid aan. Hij omvat een ventilator en pomp met variabele snelheid voor een optimale koeling van krachtige gelijkstroomlaadsystemen (Afbeelding 6). De pomp en de ventilator werken van 0 V_DC tot 10 V_DC, de ventilator verbruikt maximaal 1,97 A, en de pomp maximaal 1,8 A. De koeloplossing is een mengsel van 50% water en 50% glycol. De kabels en bedrading zijn 1,5 meter lang. In combinatie met de 1085658-bekabeling heeft het systeem een koelcapaciteit van 600 W voor 3 m kabels, 800 W voor 4 m kabels, 900 W voor 5 m kabels en 1050 W voor 6 m kabels.

Afbeelding 6: Vloeistofkoelsysteem voor DC-laadkabels met hoog vermogen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Samenvatting

Er zal een breed scala aan modellen en vermogens van EV-laders nodig zijn om de uitgebreide laadinfrastructuur voor een brede invoering van EV tot stand te brengen. Ontwerpers moeten laderontwerpen ontwikkelen van 1,9 kW AC-laders met een laag vermogen die gebruik maken van het interne laadcircuit van de EV-batterij, tot HPC 500 kW DC-laders met vloeistofgekoelde bekabeling die het interne laadcircuit omzeilen en de batterijen rechtstreeks laden. Tussen deze uitersten zal een breed scala van laadniveaus en laadmodi nodig zijn om het altijd beschikbare opladen van elektrische voertuigen mogelijk te maken in particuliere woningen en appartementsgebouwen, hotels, winkels en restaurants, commerciële en industriële locaties, parkeergarages, tankstations, rustplaatsen en andere locaties.