Erilaiset liittimet kattavan latausinfrastruktuurin tarjoamiseksi sähköajoneuvoille

Sähköajoneuvojen (Electric Vehicle, EV) kiihtyvä yleistyminen vaatii kaikkialla läsnä olevan latausinfrastruktuurin. Suunnittelijoiden haasteena on kehittää kattavat infrastruktuuriratkaisut, jotka täyttävät kotitalouksien, myymälöiden, ravintoloiden, kaupallisten ja teollisten toimipaikkojen, parkkihallien, huoltoasemien, levähdyspaikkojen ja muiden sijaintien jatkuvasti saatavilla olevan ja kätevän EV-latauksen tarpeet. Joissain tapauksissa käyttäjillä on paljon aikaa, ja he tarvitsevat lataukseen vain muutaman kilowatin vaihtovirtaa (Alternating Current, AC) pitkällä aikavälillä. Joskus taas aika on kortilla ja käyttäjät tarvitsevat satoja kilowatteja tasavirtaa (Direct Current, DC), jotta he voivat ladata sähköajoneuvon minuuteissa.

Suunnittelijat tarvitsevat erilaisia liitinvaihtoehtoja, jotka tukevat matalaa vaihtovirtaa, korkeaa tasavirtaa ja erilaisia tehotasoja tältä väliltä. Liitinten on oltava ergonomisia, käteviä käyttää, kestäviä ja yksinkertaisia asentaa, jotta sähköajoneuvovalmistajat saavat tarvitsemansa kustannustehokkaat ja luotettavat ratkaisut. Latauskahvojen ja virtaliitäntöjen on täytettävä Combined Charging System (CCS)-, SAE J1772- ja IEC 62196 ‑standardien vaatimukset.

Tässä artikkelissa tutustutaan sähköajoneuvolatureiden teknisiin vaatimuksiin eri olosuhteissa aina matalan vaihtovirran kotitalouslatureista kaupallisten toimipaikkojen tarpeisiin vastaaviin suurteholatauksen (High Power Charging, HPC) ratkaisuihin, mukaan lukien niiden sähköinen suorituskyky, liitinstandardit ja HPC-asennusten nestejäähdytystarpeet. Sen jälkeen artikkelissa tutustutaan kaikkien erityyppisten EV-latausratkaisujen tarpeita tukeviin Phoenix Contactin erilaisiin AC- ja DC-latausliitäntöihin, kahvoihin ja kaapelijärjestelmiin sekä HPC-kaapeleiden ja -liitinten nestejäähdytykseen.

Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja Kiinassa on kehitetty sähköajoneuvojen latausstandardeja ja niitä vastaavia liittimiä. Pohjois-Amerikan ja Euroopan standardit pohjautuvat kumpikin Combined Charging System (CCS) ‑standardiin, jossa AC- ja DC-lataus on yhdistetty yhteen ajoneuvoliittimeen. Tyypin 1 CCS-liittimet ovat yleisiä Pohjois-Amerikassa ja Koreassa, kun taas tyypin 2 CCS-liittimiä käytetään Euroopassa, Lähi-idässä, Etelä-Afrikassa, Etelä-Amerikassa, Australiassa, Uudessa-Seelannissa ja eräillä muilla alueilla. Kiinassa on käytössä oma GB/T-standardinsa, joka vaatii erilliset AC- ja DC-latausliittimet (kuva 1).

Kuva 1: Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja Kiinassa on kehitetty alueellisia sähköajoneuvojen latausstandardeja. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

CCS-tyypit

CCS-standardista on kaksi eri tyyppiä: 1 ja 2. Pohjois-Amerikan markkinoille kehitetty tyyppi 1 täyttää SAE J1772- ja IEC 62196-3 ‑standardit. AC- ja DC-latausliitäntöjen rakenne on yhteensopiva yhteisen CCS-ajoneuvoliitännän kanssa.

Myös tyyppi 2 täyttää IEC 62196-3 ‑standardin vaatimukset, mutta ei SAE J1772 -standardia. Tämä alun perin Euroopassa kehitetty standardi on otettu käyttöön muillakin alueilla, kuten ylempänä on esitetty. Tyypin 2 AC- ja DC-latausliittimet ovat myös yhteensopivia yleisen CCS-ajoneuvoliitännän kanssa.

GB/T 20234 ‑latausstandardia käytetään vain Kiinassa. Tämän standardin AC- ja DC-liittimet eroavat toisistaan, joten ajoneuvoissa on käytettävä erillisiä liittimiä.

Kuva 2: Sähköajoneuvojen latausliittimiä: tyypin 1 CCS (vasemmalla), tyypin 2 CCS (keskellä) ja GB/T (oikealla). (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Lataustilat

Tyypin 1 ja 2 CCS-liitinten fyysisten erojen lisäksi Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa käytetään eri lataustiloja. Matalamman tehon tilat käyttävät ajoneuvon sisäistä EV-laturia, kun taas suurtehotilat vaativat ulkoisen laturin. Lisäksi suuremman tehon tiloihin liittyy korkeampia lämpöhaasteita, joten niissä on etua lämpötilan tarkemmasta seurannasta.

Pohjois-Amerikan SAE J1772 ‑standardissa määritellään kolme eri tilaa eli tasoa:

• Taso 1 on tarkoitettu pääasiallisesti kotitalouskäyttöön jännitteellä 120 V (AC) ja sen teho on enintään 1,9 kilowattia.
• Taso 2 käyttää 208/240 voltin korkeamman jännitteen AC-yksivaihevirtaa. Tämä nopeaksi AC-lataamiseksi kutsuttu tila voi syöttää jopa 19 kilowattia ajoneuvon sisäiseen EV-laturiin.
• Taso 3 käyttää DC-virtaa ja ulkoista DC-laturia. Perusspesifikaatio on 600 V_DC ja jopa 400 ampeeria, mikä tarkoittaa jopa 240 kilowattia. Parhaissa malleissa voidaan syöttää jopa 1 kilovoltti (kV_DC) ja 500 ampeeria, mikä merkitsee yhteensä jopa 500 kilowattia.

IEC 61851-1 ‑standardissa on määritelty neljä lataustilaa. Tilat 1, 2 ja 3 käyttävät ajoneuvon sisäistä EV-laturia:

• Tilat 1 ja 2 on tarkoitettu vähävirtaiseen AC-lataukseen. Tilan 1 kaapeli kytketään suoraan AC-virtapistokkeeseen, joten saatavilla on vain rajoitetusti tehoa. Myös tilan 2 kaapeli kytketään suoraan AC-virtapistokkeeseen, mutta sen kaapeliin on rakennettu ohjaus- ja suojauslaite, joka syöttää turvallisesti jopa 15 kilowattia AC-kolmivaihevirtaa.
• Tilan 3 nopea AC-lataus siirtää latausaseman avulla jopa 120 kilowattia AC-virtaa. Tason 3 laturit voivat tukea myös ulkoisen AC-virtalähteen ja sisäisen laturin välistä High-Level Communications (HLC) -protokollaa latauksen ohjaukseen.
• Tilan 4 nopea DC-lataus voi syöttää useita satoja kilowatteja suoraan akkuun. HLC on pakollinen ominaisuus, sillä tila 4 tarvitsee palautetietoja latauksen hallintaan.

Terminen suojaus

Sekä AC- että DC-laturikaapelit tarjoavat lämpösuojauksen. Enintään 80 A:n AC-latauksessa hyödynnetään yleisesti PTC (Positive Temperature Coefficient) ‑termistoriketjua. Se koostuu komponenttiketjuista, jossa kussakin koskettimessa on yksi komponentti. Resistanssiarvojen seurannalla voidaan varmistaa turvallinen sammutus lämpötilarajan ylittyessä.

Suurteholatureiden koskettimissa käytetään tarkempia Pt1000-antureita, jotta voidaan varmistaa nopea vaste ja järjestelmän johdonmukainen toiminta suurella teholla.

AC-latausliittimet ja -kaapelivaihtoehdot

Phoenix Contact tarjoaa AC-latausjärjestelmien suunnittelijoille täyden valikoiman AC- ja DC-virralle sopivia universaaleja latausliittimiä sekä Pohjois-Amerikan tyypin 1 ja Euroopan tyypin 2 vaatimukset täyttäviä AC-liittimiä ajoneuvoille, jotka eivät tarvitse DC-latausta. Näihin kokoonpanoihin sisältyy 2 metrin latauskaapeli sekä 1 metrin kaapelit lukkiutuvaa kahvaa, lämpötila-anturia ja tietoliikennettä varten. Ne tarjoavat lukitusmekanismin, lämpötila-anturit ja pölysuojat. Seuraavassa on esimerkkejä IEC 62196-2- ja SAE J1772 ‑vaatimukset täyttävien tyypin 1 sovellusten kaapelointivaihtoehdoista:

• Mallin 1271960 ajoneuvolatausliitin tukee jopa 12 kW:n AC-yksivaihevirtaa. Tämä liitin on luokiteltu kestämään yli 10 000 kytkentä-/irtikytkentäsykliä.
• Korkeatehoisemmissa sovelluksissa voidaan käyttää mallia 1271836, jonka teholuokka on 20 kW AC-yksivaihevirtaa. Mukaan kuuluu lukkiutuva kahva ja suojus.

Phoenix Contact tarjoaa myös valikoiman AC-latauskaapeleita, kuten seuraavat:

• Malli 1277166 sopii SAE J1772 ‑standardin tyypin 1 ajoneuvolatureille. Sen yhdessä päässä on ajoneuvon latausliitin ja toinen pää on avoinna pysyvää laturikytkentää varten. Siinä on PTC-ketjupohjainen lämmöntunnistus, ja se tukee jopa 20 kW:n AC-yksivaihevirtaa. Sen mukana tulee 25 jalkaa pitkä kaapeli (kuva 3).
• Malli 1627692 on siirrettävä AC-latauskaapeli, jossa on yhdessä päässä tyypin 2 ajoneuvoliitäntä ja toisessa päässä tyypin 2 AC-infrastruktuuriliitäntä IEC 62196-2 ‑latureille. Tämä 5 metriä pitkä kaapelikokoonpano mahdollistaa jopa 26,6 kW:n AC-kolmivaihevirran siirtämisen, ja siihen kuuluu koskettimet HLC-liitäntää varten.

Kuva 3: Siirrettävä AC-latauskaapelikokoonpano 20 kW:n teholuokituksella. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

DC-latauskaapelit

Phoenix Contact tarjoaa CCS C-Line ‑sarjan DC-latauskaapeleita virraltaan keskisuuriin latausjärjestelmiin, joita käytetään kotitalouksissa, kerrostaloissa, yrityksissä ja parkkitiloissa. Näitä kaapeleita on saatavilla tyypin 1 ja 2 liitännöillä, ja kokoonpanojen ajoneuvolatausliitännöissä on yhdessä päässä lämpötila-anturit ja toisessa avoimet kaapeliliitännät. Seuraavassa on esimerkkejä tyypin 1 versioista:

• Malli 1105880, pituus 5 metriä ja teholuokitus 40 kW
• Malli 1236563, pituus 7 metriä ja teholuokitus 80 kW (kuva 4)

Kuva 4: Tämä DC-latausliitin on kiinni 7 metrin kaapelissa, ja sen teholuokitus on 80 kW. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Universaali latausliitin

Universaali latausliitin 1210900 toimii standardien IEC 62196-2 ja IEC 62196-3 mukaisten CCS-tyypin 1 AC- ja DC-kaapeleiden kanssa teholuokituksella 200 A / 1 kV_DC ja 80 A / 250 V AC (yksivaihe). DC-koskettimissa on kaksi PT1000-lämpöanturia, ja AC-koskettimissa on PTC-ketjupohjainen lämmöntunnistus.

500 kW:n DC-kaapelointijärjestelmä

Tilan 4 suuritehoisten HPC-DC-latausjärjestelmien suunnittelijat voivat käyttää 1085658-kaapelointijärjestelmää. Siihen kuuluu nestejäähdytetty ajoneuvoliitin ja kaapeli, jonka kapasiteetti on jopa 500 A / 1 kV_DC. Se täyttää CSS-tyypin 1, SAE J1772:n ja IEC 62196-3-1:n vaatimukset. Järjestelmään kuuluu anturit lämpötilan, kaapelin rikkoutumisten ja jäähdytysainevuotojen havaitsemiseen (kuva 5). Lämmönseuranta on toteutettu DC-koskettimissa kahdella NTC (Negative Temperature Coefficient) ‑termistorilla ja kaapelin DC-johtimissa kahdella NTC-termistorilla.

Kuva 5: Tämä DC-suurteholataukseen tarkoitettu kaapelikokoonpano on kompleksinen järjestelmä. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Phoenix Contact tarjoaa näille DC-latauskaapeleille myös erillisen jäähdytysyksikön. Siihen kuuluu muuttuvanopeuksinen tuuletin ja pumppu, jotka tarjoavat DC-latausjärjestelmille optimaalisen jäähdytyksen (kuva 6). Pumppu ja tuuletin toimivat jännitevälillä 0 V_DC – 10 V_DC. Tuuletin kuluttaa virtaa enintään 1,97 A ja pumppu enintään 1,8 A. Jäähdytysaineen koostumus on 50 % vettä ja 50 % glykolia. Kaapeleiden ja johdotuksen pituus on 1,5 metriä. Yhdistämällä tämä jäähdytin 1085658-kaapelointiin saadaan järjestelmä, jonka jäähdytyskapasiteetti on 3 metrin kaapeleilla 600 W, 4 metrin kaapeleilla 800 W, 5 metrin kaapeleilla 900 W ja 6 metrin kaapeleilla 1050 W.

Kuva 6: Suuritehoisten DC-latauskaapeleiden nestejäähdytysjärjestelmä. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Yhteenveto

Sähköajoneuvojen laaja-alainen käyttöönotto vaatii kattavan valikoiman latausjärjestelmiä, joissa on erilaiset ominaisuudet ja tehotasot. Suunnittelijoiden on kehitettävä latausjärjestelmiä aina sähköajoneuvon sisäistä laturia käyttävistä matalan tehon 1,9 kW:n AC-latureista nestejäähdytetyt kaapelit vaativiin 500 kW:n HPC-DC-latureihin, jotka ohittavat ajoneuvon oman laturin ja lataavat akkuja suoraan. Näiden ääripäiden välillä on paljon eri tehotasoja ja lataustiloja, joita tarvitaan aina saatavilla olevan sähköajoneuvolatauksen tarjoamiseen kotitalouksissa, kerrostaloissa, hotelleissa, myymälöissä, ravintoloissa, kaupallisissa ja teollisissa toimipaikoissa, parkkihalleissa, huoltoasemilla, levähdyspaikoilla ja muissa paikoissa.