CCS-connectoren gebruiken om de implementatie van veilige snellaadsystemen voor EV te vereenvoudigen

Het gebruik van elektrische voertuigen (EV's) neemt toe in tal van toepassingen, van landbouw en gemeenten tot consumenten, grotendeels dankzij de voortdurende vermindering van de "actieradiusangst". Hoewel geavanceerde accutechnologieën een grotere accucapaciteit per volume-eenheid mogelijk maken - en dus een groter rijbereik - is het nut van dergelijke vooruitgang beperkt als het te lang duurt om de accu weer op te laden. Dit heeft de autofabrikanten en hun toeleveranciers ertoe aangezet om snel laadmethoden in te voeren.

Een van de cruciale onderdelen bij het opladen zijn de connectoren. Zij moeten nu in staat zijn tot 500 kilowatt (kW) bij 1000 volt gelijkstroom te verwerken, terwijl zij ook geschikt moeten zijn voor wisselstroombronnen. Zij moeten ook voldoen aan de eisen van de IEC 62196- en SAE J1772-normen voor veilig en intelligent snelladen. Om aan alle systeemeisen voor auto's en niet-auto's te voldoen, kunnen ontwerpers van BEV-systemen een beroep doen op connectoren die voldoen aan de specificaties van het Gecombineerd Oplaadsysteem (CCS).

In dit artikel worden de basisniveaus en -modi voor het opladen van EV besproken, waarna de vereisten voor CCS-connectoren aan bod komen, met inbegrip van een vergelijking van CCS-connectoren van type 1, CCS-connectoren van type 2 en Chinese GB/T-connectoren. Tot slot worden aan de hand van voorbeelden van CCS-connectoren van Phoenix Contact, TE Connectivity en Adam Tech de uitgebreide mogelijkheden besproken die sommige leveranciers bieden, zoals een groter bedrijfstemperatuurbereik en een hogere IP-bescherming (ingress protection).

Gecombineerd oplaadsysteem voor EV

De CSS-voertuiginlet is ontworpen voor zowel wissel- als gelijkstroomaansluitingen. Snelladen met wisselstroom is voordelig wanneer langere tijd geparkeerd wordt in een garage of op een parkeerplaats, en snelladen met gelijkstroom wordt gebruikt wanneer korte tijd geparkeerd wordt bij winkels, rustplaatsen en speciale oplaadstations (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Eén CCS-voertuiginlet kan zowel AC- als DC-snelladen ondersteunen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

EV-laadniveaus en -modi

De classificaties voor het opladen van elektrische voertuigen omvatten oplaadniveaus, oplaadmodi, bedradingswijzen en, in het geval van CCS, types oplaadconnectoren. In de V.S. erkent SAE J1772 drie oplaadniveaus:

• Niveau 1 gebruikt residentiële 120 V_AC stroom en is beperkt tot ongeveer 1,9 kW. Niveau 1 is langzaam.
• Niveau 2 opladen werkt met 208/240 V_AC eenfasestroom. Hij kan tot ongeveer 19 kW leveren met een 240 V_AC bron. Niveau 2 is "snel AC opladen" en laadt drie tot zeven keer sneller op dan niveau 1. Niveaus 1 en 2 voeden de onboard EV-lader.
• Niveau 3 is gelijkstroom snelladen en maakt gebruik van een externe gelijkstroomlader om 600 V_DC bij 400 ampères (A) te leveren voor een totaal vermogen van 240 kW. Geavanceerde DC-snelladers kunnen 500 kW leveren (1.000 V_DC bij 500 A).

In Europa definieert IEC 61851-1 vier modi voor het opladen van EV:

• Modus 1 opladen werkt met een eenvoudige kabel die rechtstreeks op een stopcontact wordt aangesloten. Het vermogen is laag en het wordt niet vaak gebruikt.
• Mode 2 wordt ook rechtstreeks op een stopcontact aangesloten, maar voegt een geïntegreerde bescherming toe, een zogeheten in-cable control and protection device (IC-CPD). Modus 2 is veiliger dan modus 1, maar ondersteunt slechts het laden tot ongeveer 15 kW met driefasenstroom.

Modi 3 en 4 zijn snelladen:

• Mode 3 maakt gebruik van een speciaal oplaadstation (ook wel EV supply equipment of EVSE genoemd) om tot 120 kW wisselstroom te leveren. De modi 1, 2 en 3 maken allemaal gebruik van de ingebouwde lader van de EV om het opladen van de batterij te regelen.
• Modus 4 verwijst naar snel DC-opladen. De onboard EV-lader wordt overgeslagen en de EVSE levert rechtstreeks stroom aan de batterij via een DC-connector. Enkele honderden kW kunnen worden geleverd met modus 4. Terwijl energieterugkoppeling via een communicatieprotocol op hoog niveau (HLC) en laadcontrole mogelijk is in modus 3, is zij vereist in modus 4.

Verbindingstypes, -modi en -gevallen

CCS is gestandaardiseerd in SAE J1772 met connector Type 1 in Noord-Amerika, en in IEC 62196 met connector Type 2 in Europa. De HCL-interface tussen de EV en de EVSE is gebaseerd op ISO/IEC 15118 en DIN SPEC 70121. Er zijn drie mogelijke verbindingen tussen EV en stroom; gevallen A, B, en C.

In geval A is de kabel permanent verbonden met de EV, en wordt hij indien nodig op de stroombron aangesloten. Geval A wordt niet gebruikt in CCS. De gevallen B en C worden gebruikt met CCS, en met de overeenkomstige Chinese norm, GB/T genaamd (figuur 2). Als de stroomkabel aan beide uiteinden afneembaar is, is dat geval B. Als de kabel permanent met de EVSE verbonden is, is dat geval C. Laadmodus 3 kan zowel geval B als C gebruiken. Laadmodus 4 gebruikt alleen geval C.

Afbeelding 2: Vergelijking van CCS type 1 (Noord-Amerika), type 2 (Europa), en GB/T (China) connectortypes, modi en gevallen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Temperatuurbewaking en actieve koeling

Het bewaken van de contacttemperatuur is belangrijk in snellaadsystemen. Volgens IEC 62196 mag de temperatuurstijging aan de contacten niet meer dan 50 °C bedragen. De HCL-interface tussen de EV en de EVSE wordt gebruikt om de temperatuurgegevens door te geven. Als de temperatuur te hoog oploopt, zal de EVSE het laden vertragen of stoppen. In het geval van CCS-connectoren voor wisselstroomlading, bewaken PTC-thermistors (positieve temperatuurcoëfficiënt) de temperatuur, zoals vereist door DIN 60738. Als de connector te heet wordt, stopt het opladen (Afbeelding 3). Voor snel laden met gelijkstroom zijn volgens DIN 60751 twee Pt1000 sensoren nodig, één op elk contact. Een Pt1000 heeft een weerstand die lineair toeneemt met de stijgende temperatuur.

Afbeelding 3: Een PTC-temperatuursensor schakelt het opladen van wisselstroom uit om te voorkomen dat de temperatuur te hoog oploopt (links). Bij snel DC-laden kan met een Pt1000-sensor de temperatuur continu worden bewaakt (rechts). (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Temperatuurbewaking, samen met actieve koeling, is nodig in systemen die laadstromen van meer dan 250 A leveren (Afbeelding 4). Met een actief koelingsontwerp kunnen CCS-connectoren tot 500 kW (500 A bij 1.000 V_DC) leveren. Wanneer de omgevingstemperatuur onverwacht stijgt of zich een overbelastingstoestand ontwikkelt, kan het systeem door temperatuurbewaking de koelsnelheid verhogen of de oplaadsnelheid verlagen om de temperatuurstijging van de connectorcontacten onder de specificatiegrens van +50 °C te houden.

Afbeelding 4: Actieve koeling in combinatie met temperatuurmeting kan een volledige lading van 500 A aan en de temperatuurstijging van de connector onder +50 °C houden. (Bron afbeelding: Phoenix Contact (gewijzigd door auteur))

Geïntegreerde vergrendelingsmechanismen

Vergrendelingsmechanismen zijn geïntegreerd in CCS-connectorsystemen. Het vergrendelmechanisme in Type 1 connectoren is een manueel vergrendelmechanisme. Bij verbindingen van type 2 wordt de vergrendeling tot stand gebracht met behulp van een elektromagnetisch geactiveerde metalen bout (Afbeelding 5). Het slot wordt bestuurd en de toestand ervan wordt via een aparte verbinding doorgegeven aan de EVSE.

Afbeelding 5: De inlaten van CCS-voertuigen zijn uitgerust met een elektromechanisch gestuurde vergrendelingsbout (naast de rode pijlen, linksboven), die is ontworpen om grote uittrekkrachten te weerstaan. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Type 1 en 2 inlets en aansluitingen

De CHARX CCS-laadinlaten van Phoenix Contact hebben DC-kabeldoorsneden tot 95 vierkante millimeter die laadsnelheden tot 500 kW kunnen ondersteunen. Het model 1194398 kan 125 kW opladen bij normaal bedrijf en tot 250 kW in boost-modus (Afbeelding 6). Deze CCS type 1 inlet is ontworpen voor gebruik in de laadmodi 2, 3, en 4. Hij omvat een PTC-kettingtemperatuursensor op de wisselstroomcontacten en Pt1000-sensoren op de gelijkstroomcontacten.

Afbeelding 6: Het model 1194398 CCS type 1 laadinlet voor voertuigen voor het opladen met wissel- of gelijkstroom kan 125 kW leveren bij normaal bedrijf, en tot 250 kW in boost-modus. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Voor hogere vermogensbehoeften ondersteunt de 1162148 laadinlaat van Phoenix Contact laadsnelheden van 500 kW in burst-modus en 250 kW in normaal bedrijf. De digitale signaaloverdracht via pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt gerealiseerd met powerline-communicatie volgens ISO/IEC 15118 en DIN SPEC 70121. Het heeft een omgevingstemperatuurbereik van -40 °C tot +60 °C.

Toepassingen die een CCS type 1 AC-plug nodig hebben voor niveau 2-laden, kunnen gebruik maken van het model 2267220-3 van TE Connectivity AMP Connectors (Afbeelding 7). Deze connector, die geschikt is voor 240 V_AC en 32 A, heeft drie voedingscontacten en twee signaalcontacten. Hij heeft een groot bedrijfstemperatuurbereik van -55 °C tot +105 °C en is geschikt voor 10.000 paringscycli.

Afbeelding 7: CCS type 1 EV-laadconnector met het geïntegreerde handmatige vergrendelingssysteem (linkerkant van de connector). (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Adam Tech's EV-laadkabelassemblages omvatten plugs van type 1 en type 2 met kabellengten van 3 meter (m) (9,84 voet (ft.)) of 5 m (16,4 ft.), en zijn verkrijgbaar met een IP-beschermingsgraad van IP54 of IP55. De CA #EV03AT-004-5M is bijvoorbeeld een type 2 connector met een kabel van 5 m en een IP55-classificatie (Afbeelding 8). Hij heeft vijf voedingscontacten en twee signaalcontacten en is geschikt voor 480 V_AC bij 16 A met een bedrijfstemperatuurbereik van -30 °C tot +50 °C.

Afbeelding 8: De CA #EV03AT-004-5M CCS type 2 connectoren zijn geschikt voor 480 V_AC bij 16 A. (Bron afbeelding: Adam Tech)

Overwegingen inzake CCS-specificatie

De algemene mechanische en elektrische kenmerken van CCS-laadcontactdozen en -connectoren voor voertuigen zijn gestandaardiseerd, maar er zijn een paar gebieden waarop ontwerpers moeten letten bij het specificeren van deze apparaten:

IP-classificaties: Deze classificaties worden op verschillende manieren gespecificeerd; wanneer aangesloten, wanneer losgekoppeld zonder deksel, en losgekoppeld met een deksel. Sommige onbedekte plugs zijn IP20, wat betekent dat ze aanraakbestendig zijn en bestand zijn tegen stof of voorwerpen die groter zijn dan 12 mm. Hij biedt echter geen bescherming tegen vloeistoffen en zal gevoelig zijn voor beschadiging als hij in contact komt met waterspatten. IP54, IP55 en IP65 zijn gangbare classificaties voor CCS-plugs wanneer ze zijn afgedekt of wanneer ze in het stopcontact zijn gestoken. IP65 heeft een hogere waterdichtheidsgraad vergeleken met IP54-toestellen, maar dezelfde waterdichtheidsgraad vergeleken met IP55-toestellen. IP54- en IP55-apparaten zijn minder stofdicht dan IP65-apparaten.

Bedrijfstemperatuurbereik: Er is geen standaard voor deze specificatie. Bereiken zoals -30 °C tot +50 °C en -40 °C tot +60 °C zijn gebruikelijk, maar grotere bereiken zoals -55 °C tot +105 °C zijn beschikbaar (zie de 2267220-3 van TE Connectivity hierboven).

Componenten voor temperatuurmeting: Dit is gestandaardiseerd voor de wisselstroomcontacten met PTC-apparaten en op de gelijkstroomcontacten met Pt1000-sensoren. De formulering in de datasheet kan hier verwarrend zijn. AC-eenheden roepen soms om het gebruik van "PTC" en soms om "PTC-ketting". De juiste benaming is "PTC-ketting", aangezien er op elk contact een PTC is. Indien in het gegevensblad een eenvoudige "PTC" wordt vermeld, moeten ontwerpers bevestigen dat een "PTC-ketting" wordt gebruikt. In het geval van de Pt1000-sensor wordt in sommige datasheets een Pt100-sensor genoemd, die minder gevoelig is en niet aan de CCS-normen voldoet. Het is een veel voorkomende fout om een Pt1000-sensor een Pt100-apparaat te noemen, aangezien de '100' veel meer wordt gebruikt dan de '1000'. Ontwerpers moeten bevestigen dat het inderdaad Pt1000 is en dat er één op elk contact zit.

Conclusie

AC- en DC-snelladen voor BEV ondersteunen de groeiende capaciteit van EV-batterijen en de vraag naar grotere rijbereiken. AC snelladen wordt gebruikt bij EV's die relatief korte afstanden afleggen. Anderzijds kan met gelijkstroom snelladen met een hoger vermogen, waarmee een EV-batterij in enkele minuten tot 80% van de volledige lading kan worden opgeladen, tegemoet worden gekomen aan de behoeften van langeafstandsritten. Het CCS biedt ontwerpers een veilige, intelligente en efficiënte manier om AC en DC snelladen te combineren in automobiel- en niet-automobieltoepassingen.

Aanbevolen lectuur

1. Hoe snel en efficiënt flexibele EV-oplaadsystemen implementeren