Kompaktit CCS-kaapelit tarjoavat tason 2 nopean tasavirtalatauksen

Sähköajoneuvoihin liittyvän toimintamatkasta aiheutuvan huolen poistamiseksi tarvitaan kätevää ja luotettavaa latausta. Näiden tarpeiden tukemiseksi sähköautojen huoltolaitteiden (EVSE) infrastruktuurin suunnittelijoiden on tarjottava erilaisia latausvaihtoehtoja, kuten keskitehoiset, tason 2 tasavirta-pikalaturit asuinalueilla ja kaupallisissa sekä vähittäismyyntiympäristöissä (jopa 80 ampeeria (A)), suuritehoiset, tason 3 huippunopeat laturit (jopa 500 A tasavirtaa (DC)), sekä pienitehoisemmat, tason 1 vaihtovirtalaturit (AC-lataus), jotka soveltuvat yönyli- ja hätälataukseen.

Sähköautojen tasavirtalataus on kuitenkin monimutkaista. EVSE:n on jatkuvasti seurattava liittimen lukitusta, järjestelmän eristystä, latausjännitettä, latausvirtaa ja liittimen lämpötilaa. Jos jokin näistä parametreista ylittää asetetut rajat, EVSE katkaisee virransyötön. Myös tason 2 tasavirtalatureihin tarkoitettujen kompaktien kaapelien ja liittimien suunnittelu, kokoaminen sekä niiden pitkäaikaisen mekaanisen ja sähköisen kestävyyden varmistaminen on haastavaa. Kaapelissa on 5 johdinta: +DC, -DC, viestintä, lukitusvalvonta ja suojamaadoitus. Nämä johtimet on liitettävä luotettavasti toisessa päässä EVSE-laitteeseen ja toisessa päässä CCS (Compact Charging System) -liittimeen. Jos jossakin näistä liitännöistä on vikaa, EVSE:n luotettava toiminta vaatii todennäköisesti kalliita ja aikaa vieviä korjaustöitä.

Suunnittelijat voivat ratkaista nämä ongelmat tason 2 EVSE-laitteiden kanssa käytettävissä CCS-liittimissä ja -kokoonpanoissa käyttämällä valmiita kompakteja CCS-liittimiä ja niihin liitettyjä kaapeleita. Nämä kaapeli- ja liitinkokoonpanot on suunniteltu käytettäväksi paikoissa, joissa tason 3 latausta ei tarvita, mutta joissa halutaan tason 1 latausta nopeampi tason 2 lataus. Näitä kaapeleita on saatavana tyypin 1 kaapeleina Pohjois-Amerikassa ja tyypin 2 kaapeleina Euroopassa. Tyypin 1 kaapelit täyttävät UL2251-standardin vaatimukset.

Tässä artikkelissa tarkastellaan vaihtovirralle ja tasavirralle tarkoitettujen CCS-liittimien ja -kaapeleiden eroja sekä verrataan tasojen 2 ja 3 CCS-tasavirtaliittimien kokoa ja käyttömukavuutta. Siinä käsitellään myös useita keskitehoisten CCS-kaapelikokoonpanojen käyttötapauksia ja esitellään sitten Phoenix Contactin tyypin 1 ja tyypin 2 kompaktit CCS-kaapelikokoonpanot sekä asennussuositukset.

Vaihtovirralle ja tasavirralle tarkoitettujen EV-latauskaapelien ero

CCS:n vakiolatausliitännät on suunniteltu niin, että niihin voidaan kytkeä sekä vaihtovirta- että tasavirtalatausliitin. Tämä parantaa joustavuutta ja yksinkertaistaa EV-suunnittelua. Vaihtovirtalataus on luonnostaan pienitehoisempi, ja siinä käytetään kaapeleita, joiden molemmissa päissä on irrotettavat liittimet (kuva 1). Suuremmalla teholla toimivassa tasavirtalatauksessa latauskaapeli on aina kytketty EVSE-infrastruktuuriin toisesta päästä, ja sen toisessa päässä on liitin, joka työnnetään ajoneuvon pistorasiaan. Lisäksi tasavirtaliittimissä on sellaisia suojausominaisuuksia, joita ei ole vastaavissa vaihtovirtaliittimissä, esimerkkinä lukitusmekanismi ja lämpötilan seuranta.

Kuva 1: Tasavirtalatauksessa käytettävät kaapelit on yhdistetty kiinteästi EVSE-infrastruktuuriin ja toisesta päästään ne yhdistetään sähköajoneuvon liittimeen. Vaihtovirtalataukseen tarkoitetuissa kaapeleissa on liittimet molemmissa päissä. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Tasojen 2 ja 3 enintään 250 kilowatin (kW) tasavirtalataukseen tarkoitetut CCS-liittimet ovat samankokoisia, ja niiden kanssa voidaan käyttää yhteistä ajoneuvoliitintä. Suurin ero on se, että kaapelin halkaisija kasvaa noin 50 % yksiköissä, joiden nimellisteho on 250 kW. Tällainen kaapeli pystyy siirtämään korkeamman virtamäärän, mutta kaapelin paino kasvaa vastaavasti. Paljon pienemmän kaapelin ansiosta enintään 80 kW:lle mitoitetut tason 2 liittimet ja kaapelikokoonpanot ovat huomattavasti kevyempiä ja helpompia käsitellä. Suuritehoinen jopa 500 kW:n tasavirtalataus vaatii ajoneuvoon erilaista liitintä, joka tukee nestejäähdytystä sekä suurempaa liitintä ja kaapelia (taulukko 1).

Taulukko 1: Tyypin 2 CCS-liittimien ja kaapeleiden kokovertailu 80 kW:n, 250 kW:n ja 500 kW:n tasavirtalatureille. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Tasavirtalatauksen CCS-liitinjärjestelmiin on integroitu lukitusmekanismit käyttäjän turvallisuuden ja EVSE:n asianmukaisen toiminnan takaamiseksi. Nämä lukot on suunniteltu kestämään suuria ulosvetovoimia, joten liittimen irrottaminen sähköauton latauksen aikana on lähes mahdotonta. Tyypin 1 liittimissä lukitusmekanismi on manuaalisesti käytettävä kuvassa 2 esitetty lukitus. Tyypin 2 liittimissä lukitus tapahtuu sähkömagneettisesti ohjatulla metallipultilla. Lukitusmekanismia valvotaan molemmissa tapauksissa ja sen tila ilmoitetaan EVSE:lle dedikoidun yhteyden kautta.

Kuva 2: Tyypin 1 CCS-liittimissä on manuaalisesti käytettävä lukitus. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Tasavirtalatauksen CCS-liittimissä on oltava integroitu lämpötilan mittaus. Kun lämpötilaa seurataan tarkasti suoraan virtakoskettimista, latausprosessi voidaan pysäyttää tai sitä voidaan hidastaa liittimen kuumentuessa liikaa. Tämä suojaa käyttäjää vaaroilta ja EVSE-infrastruktuuria vahingoittumiselta. Näissä liittimissä on kaksi PT1000-anturia, yksi kummassakin koskettimessa (kuva 3). Näiden antureiden resistanssi kasvaa lineaarisesti lämpötilan noustessa, mikä tekee lämpötilan seuraamisesta helpompaa. Lämpötila ilmoitetaan EVSE:lle kaapelin sisältämän signaalijohdon avulla.

Kuva 3: Käyttölämpötilan valvonta ja latausturvallisuus vaativat, että CCS-liittimissä on PT1000-lämpötila-anturit. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Suojatut yhteydet

CCS-liittimen sisäiset liitännät ovat erittäin tärkeitä. EVSE:n sisäisiin liitäntöihin ei kohdistu merkittäviä mekaanisia rasituksia, mutta CCS-liitintä kytketään ja irrotetaan vähän väliä ja sen kaapeliliitäntöihin kohdistuu toistuvaa rasitusta (kuva 4). Jos liitäntäkaapelit on kiinnitetty puutteellisesti, niiden kontakti voi heiketä ja niiden resistanssi voi kasvaa tai kaapelin kiinnitys voi heiketä ja aiheuttaa ylikuumenemista sekä yhden tai useamman johdinyhteyden hetkellistä katkeamista. Puutteellisesti kootut liitäntäkaapelit heikentävät latausjärjestelmän luotettavuutta, lisäävät käyttäjien tyytymättömyyttä ja synnyttävät EVSE-valmistajille mahdollisia takuukustannuksia.

Kuva 4: Liittimet ovat keskitehoisessa tasavirtalatauksessa pieniä ja siksi lujatekoiset ja luotettavat kaapeliliitännät ovat haastavia. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Tason 2 käyttötapaukset

Tason 2 tasavirtalatauksesta tullee suosittu tilanteissa, joissa tarvitaan enemmän virtaa kuin vaihtovirtalataus tarjoaa, mutta jossa nopeampi tason 3 lataus ei kuitenkaan ole tarpeen. Näitä kompakteja liittimiä käyttävät EVSE:t täyttävät CCS-standardit ja koska ne ovat pienempiä, niiden käyttö on mukavampaa ja helpompaa. Niitä tultaneen käyttämään useissa erilaisissa sovelluksissa, kuten:

Esikaupunkialueiden asuinalueet: Tason 2 tasavirtalaturit käyttävät 240 voltin vaihtovirtaa (Vac) ja ne voivat ladata akun sähköajoneuvosta riippuen kolmesta seitsemään kertaa nopeammin kuin tason 1 vaihtovirtalaturi. Lisäetuna tässä on myös se, että jos talossa on aurinkopaneelit, tason 2 tasavirtalaturit voivat käyttää tasavirtaa suoraan aurinkopaneelista, jolloin muunnoksessa syntyvät tehohäviöt jäävät pois. Tulevaisuudessa, kun ajoneuvosta verkkoon- (V2G) ja ajoneuvosta kotiin (V2H) -järjestelmät yleistyvät, saataville tulee kaksisuuntaisia tason 2 latureita, jotka ohjaavat vastasuuntaista virrankulkua ajoneuvosta kotiin tai verkkoon.

Kerrostalot ja kaupunkialueet: Asunto- ja taloyhtiöt tarjoavat tason 2 tasavirtalatureita asukkaille ja vierailijoille. Lisäksi kaupunkialueiden asuinympäristöissä tapahtuvassa niin sanotussa tienvarsipysäköinnissä voidaan käyttää latauslaitteita, joilla voidaan ladata kadulle pysäköityjä autoja silloin, kun autotalleja ei ole käytettävissä. Molemmissa tapauksissa laturi voi tarjota tulovirran EVSE:n omistajalle ja käyttömukavuutta sähköautojen omistajille lähialueella.

Julkiset paikat, joissa on paljon autoja: Tason 2 tasavirtalatureita asennetaan kasvamassa määrin julkisiin paikkoihin, kuten ostos- ja viihdekeskuksiin, kouluihin ja korkeakouluihin, pysäköintitiloihin, urheiluareenoille, huoltoasemille ja korjaamoihin. Sähköautojen myynnin kasvaessa tason 2 tasavirtalatureita löytyy myös autoliikkeistä. Näillä latauslaitteilla ladataan sähköautot täyteen ennen niiden toimittamista asiakkaille ja niillä ladataan huoltoon jätettyjä sähköautoja.

Tason 2 tasavirtaliitinratkaisut

Kun tarvitaan enintään 80 ampeerin latausvirtaa, EVSE-suunnittelijat voivat käyttää Phoenix Contactin tasavirtalataukseen tarkoitettuja kevyitä CCS C-Line -liittimiä ja kaapelikokoonpanoja. Niitä on saatavana eri pituisilla kaapeleilla tyypin 1 ja tyypin 2 sovelluksiin. Esimerkiksi latauskaapelissa 1236308 on tyypin 1 liitin ja 4 metriä (m) pitkä kaapeli, ja latauskaapelissa 1236966 on tyypin 2 liitin ja 7 metriä pitkä kaapeli. Nämä ergonomiset liittimet täyttävät kaikki CCS-standardit ja niiden koko on pieni, mikä helpottaa nopeaa liittämistä ja irrottamista erilaisissa pienitehoisissa lataussovelluksissa (kuva 5). Haluttaessa ne voidaan toimittaa yrityksen logolla varustettuna, mikä tehostaa EVSE-brändäystä. Vaikka ne ovat kooltaan pieniä, ne ovat erittäin suorituskykyisiä ja tarjoavat mm.:

• Hopeoidut koskettimet, jotka takaavat optimaalisen suorituskyvyn ja luotettavuuden.
• Integroidut anturit virtakoskettimien lämpötilan valvomiseksi sekä integroidut lukitusmekanismit CCS-standardin mukaisesti.
• Liitin täyttää DIN EN 50620 -standardin vaatimukset sekä tarjoaa suulakepuristetun jänniteluokitukseltaan 750 voltin eristyksen ja suojukset, joiden ansiosta niitä voidaan käyttää vaativissa ympäristöissä, kun EVSE kytketään sähköajoneuvoon.
• Täyttää autoteollisuuden IATF 16949 -standardin ja ISO 9001 -standardin vaatimukset.

Kuva 5: CCS C-Line -liittimien ergonominen muoto sekä niiden keveä kaapeli helpottaa niiden käsittelyä ja käyttömukavuutta. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

EVSE-integrointi

Phoenix Contact helpottaa C-Line-kaapelikokoonpanojen integrointia EVSE-infrastruktuuriin tarjoamalla suunnittelijoille pidikkeitä liittimille ja kaapeliläpivientejä, esimerkkeinä pidike 1624143 ja kaapeliläpivienti 1424483 tyypin 1 liittimille sekä pidike 1624153 ja kaapeliläpivienti 1411134 tyypin 2 liittimille. Kun EVSE:n sivulle tai etupuolelle asennetaan pidike liittimelle, se suojaa liitintä silloin kun liitin ei ole käytössä. Liitin lukittuu paikalleen, mutta se voidaan helposti irrottaa. Pidike voidaan asentaa joustavasti 0˚ – 45˚:n kallistuskulmaan eteenpäin. Kaapelitiivisteen käyttö suojaa kaapelia sen kulkiessa EVSE:n seinän läpi ja se suojaa kaapelia vahingoittumiselta, jos käyttäjä vetää siitä, sekä estää lian ja kosteuden pääsyn EVSE-laitteen sisään.

Kuva 6: Liittimen pidike (vasemmalla) ja kaapeliläpivienti (oikealla) tyypin 2 liittimille helpottaa CCS C-Line -liittimen ja kaapelikokoonpanojen integrointia EVSE-infrastruktuuriin. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Yhteenveto

Tason 2 tasavirtalataus voi olla haluttu vaihtoehto pienitehoisemmalle tason 1 lataukselle. Tasavirtalatauksessa kaapelien ja liittimien suunnitteluun liittyy kuitenkin monia suorituskykyyn, turvallisuuteen ja lakisääteisiin vaatimuksiin liittyviä haasteita. Kuten artikkelissa osoitetaan, käyttämällä valmiita kaapeli-/liitinkokoonpanoja tason 2 lataukseen suunnittelijat voivat nopeasti vastata moniin näistä haasteista, ja lisäksi ne tarjoavat sellaisia etuja kuten kevyemmän painon ja ergonomisen muotoilun, jotka helpottavat niiden käyttöä.

Suositeltavaa luettavaa

1. Paranna HEV- ja BEV-ajoneuvojen sekä sähköverkon tehokkuutta käyttämällä kaksisuuntaisia virtamuuntajia ja PFC:tä
2. Miten toteuttaa nopeasti ja tehokkaasti joustavia EV-latausjärjestelmiä?