Toteuta CCS-liittimillä helposti turvallinen pikalatausjärjestelmä sähköajoneuvoon

Sähköajoneuvojen käyttö lisääntyy monissa eri sovelluksissa maataloudesta ja kunnista kuluttajiin, mikä johtuu suurelta osin siitä, että ”toimintamatka-ahdistus" vähenee jatkuvasti. Vaikka kehittyneet akkuteknologiat mahdollistavat suuremman akkukapasiteetin tilavuusyksikköä kohti ja siten pidemmät ajomatkat, tällaisten edistysaskeleiden hyöty on rajallinen, jos akun lataaminen kestää liian kauan. Autoteollisuuden yrityksillä ja niiden komponenttitoimittajilla on nyt haasteena pikalatausmenetelmien nopea käyttöönotto.

Yksi latauksen kannalta kriittisistä komponenteista ovat liittimet. Niiden on nyt pystyttävä käsittelemään jopa 500 kilowattia (kW) jopa 1 000 voltin DC-jännitteellä ja niiden tulee pystyä käyttämään myös vaihtovirtalähteitä. Niiden tulee myös täyttää IEC 62196- ja SAE J1772 -standardien turvallista ja älykästä pikalatausta koskevat vaatimukset. BEV-järjestelmien suunnittelijat voivat täyttää kaikki autoteollisuuden ja muiden järjestelmien vaatimukset käyttämällä CCS (Combined Charging System) -spesifikaatiot täyttäviä liittimiä.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ensin sähköajoneuvojen peruslataustasoja ja -tapoja ja käsitellään sitten CCS-liittimiä koskevia vaatimuksia. Se sisältää myös CCS-tyypin 1, CCS-tyypin 2 ja kiinalaisten GB/T-liittimien välisen vertailun. Lopuksi artikkelissa tarkastellaan joidenkin toimittajien tarjoamia laajennettuja ominaisuuksia, kuten laajempia käyttölämpötila-alueita ja koteloiden korkeampia suojausluokituksia (IP). Artikkelissa käytetään esimerkkeinä valmistajien Phoenix Contact, TE Connectivity ja Adam Tech CCS-liittimiä.

Sähköajoneuvojen yhdistetty latausjärjestelmä

CSS-ajoneuvoliitäntä on suunniteltu niin, että siihen voidaan liittää sekä vaihto- että tasavirtaliittimiä. Vaihtovirtapikalataus on käytännöllistä, kun ajoneuvo on pysäköitynä pitkiä aikoja autotallissa tai parkkipaikalla. Tasavirtapikalatausta käytetään, kun ajoneuvo on pysäköitynä lyhyitä aikoja myymälöissä, taukopaikoilla ja erityisillä latausasemilla (kuva 1).

Kuva 1: Yksi CCS-ajoneuvoliitäntä voi tukea sekä vaihtovirta- että tasavirtapikalatausta. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Sähköajoneuvojen lataustasot ja -tavat

Sähköajoneuvojen latausluokituksiin kuuluvat lataustasot, lataustavat, johdotuskotelot ja CCS:n tapauksessa latausliittimien tyypit. Yhdysvalloissa SAE J1772-standardi hyväksyy kolme lataustasoa:

• Taso 1 käyttää kotitalouksien 120 V_AC -jännitettä, ja sen tehoksi on rajoitettu noin 1,9 kW. Taso 1 on hidas.
• Tason 2 lataus käyttää yksivaiheista 208/240 V_AC -jännitettä. Se voi syöttää jopa noin 19 kW:n tehon 240 V_AC -lähteellä. Taso 2 tarkoittaa ”nopeaa vaihtovirtalatausta”, ja se lataa kolmesta seitsemään kertaa tasoa 1 nopeammin. Tasot 1 ja 2 syöttävät virtaa ajoneuvoon sijoitettuun sähköautolaturiin.
• Taso 3 tarkoittaa tasavirtapikalatausta. Siinä käytetään ulkoista tasavirtalaturia, joka syöttää 600 V_DC:n jännitteen 400 ampeerin (A) virralla, jolloin kokonaisteho on 240 kW. Kehittyneiden tasavirtapikalatureiden teho voi olla 500 kW (1 000 _DC 500 A:n virralla).

Eurooppalainen standardi IEC 61851-1 määrittelee neljä sähköajoneuvojen lataustapaa:

• Lataustapa 1 käyttää yksinkertaista kaapelia, joka kytketään suoraan AV-lähtöliitäntään. Se on pienitehoinen ja sitä käytetään harvoin.
• Lataustavassa 2 käytetään myös suoraa pistorasialiitäntää, mutta siihen on lisätty integroitu suojaus, jota kutsutaan kaapelin sisäiseksi ohjaus- ja suojalaiteyksiköksi (IC-CPD). Tapa 2 on tapaa 1 turvallisempi, mutta se tukee vain noin 15 kW:n latausta kolmivaihevirralla.

Tavat 3 ja 4 ovat pikalataustapoja:

• Tavassa 3 käytetään erityistä latausasemaa (jota kutsutaan myös EV-syöttölaitteeksi tai EVSE:ksi), joka syöttää jopa 120 kW:n tehon. Tavoissa 1, 2 ja 3 akun latausta ohjataan ajoneuvoon sijoitetulla laturilla.
• Tapa 4 tarkoittaa nopeaa tasavirtalatausta. Sähköajoneuvoon sijoitettu laturi ohitetaan ja latausasema syöttää virtaa suoraan akkuun DC-liittimen kautta. Tavalla 4 voidaan syöttää useita satoja kilowatteja. Energiatietojen välitys korkean tason tiedonsiirtoprotokollaa (HLC) ja latauksen ohjausta käyttäen on mahdollista tavassa 3, mutta tavassa 4 se on välttämätöntä.

Kytkentätyypit, -tavat ja -tapaukset

CCS-järjestelmä on standardoitu SAE J1772 -standardissa liitintyypillä 1 Pohjois-Amerikassa ja IEC 62196 -standardissa liitintyypillä 2 Euroopassa. Sähköajoneuvon ja latausaseman välinen HCL-liitäntä perustuu standardeihin ISO/IEC 15118 ja DIN SPEC 70121. Sähköajoneuvon ja virtalähteen välillä on kolme mahdollista liitäntää: tapaukset A, B ja C.

Tapauksessa A kaapeli on liitetty pysyvästi sähköajoneuvoon, ja se kytketään tarvittaessa virtalähteeseen. Tapausta A ei käytetä CCS-järjestelmässä. Tapauksia B ja C käytetään CCS-järjestelmässä ja vastaavassa kiinalaisessa standardissa GB/T (kuva 2). Jos virtakaapeli voidaan irrottaa molemmista päistä, kyseessä on tapaus B. Jos kaapeli on pysyvästi liitetty latausasemaan, kyseessä on tapaus C. Lataustavassa 3 voidaan käyttää joko tapausta B tai tapausta C. Lataustavassa 4 käytetään vain tapausta C.

Kuva 2: CCS-tyypin 1 (Pohjois-Amerikka), tyypin 2 (Eurooppa) ja GB/T (Kiina) -liitintyyppien, lataustapojen ja -tapausten vertailu. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Lämpötilanvalvonta ja aktiivinen jäähdytys

Kosketinlämpötilan valvonta on tärkeää pikalatausjärjestelmissä. Standardin IEC 62196 mukaan koskettimien lämpötilanousun on oltava alle 50 °C. Lämpötilatietojen välittämiseen käytetään sähköajoneuvon ja latausaseman välistä HCL-liitäntää. Jos lämpötila nousee liikaa, latausasema hidastaa latausta tai lopettaa sen. Kun vaihtovirtalataukseen käytetään CCS-liittimiä, positiivisen lämpötilakertoimen (PTC) termistorit valvovat lämpötilaa DIN 60738 -standardin mukaisesti. Jos liitin kuumenee liikaa, lataus katkaistaan (kuva 3). Standardi DIN 60751 edellyttää nopeaan tasavirtalataukseen kaksi Pt1000-anturia, yhden kumpaankin koskettimeen. Pt1000-anturin vastus kasvaa lineaarisesti lämpötilan noustessa.

Kuva 3: PTC-lämpötila-anturi katkaisee vaihtovirtalatauksen, jotta lämpötila ei ylittäisi turvallista tasoa (vasemmalla). Nopeassa tasavirtalatauksessa lämpötilaa voidaan valvoa jatkuvasti Pt1000-anturin avulla (oikealla). (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Lämpötilanvalvonta yhdessä aktiivisen jäähdytyksen kanssa on tarpeen järjestelmissä, joiden latausvirta on yli 250 A (kuva 4). Aktiivisen jäähdytyksen ansiosta CCS-liittimet voivat tarjota jopa 500 kW:n tehon (500 ampeeria jännitteellä 1 000 V_DC). Jos ympäristön lämpötila nousee yllättäen tai syntyy ylikuormitustilanne, lämpötilanvalvonta mahdollistaa järjestelmän jäähdytysnopeuden noston tai latausnopeuden laskun, jotta liittimen koskettimien lämpötilanousu pysyy alle spesifikaation raja-arvon +50 °C.

Kuva 4: Aktiivinen jäähdytys voi tukea täyttä 500 A:n latausta käytettäessä lämpötilan mittausta ja se pitää liittimen lämpötilanousun alle +50 °C. (Kuvan lähde: Phoenix Contact (kirjoittajan muokkaama))

Integroidut lukitusmekanismit

CCS-liitinjärjestelmiin on integroitu lukitusmekanismit. Tyypin 1 liittimissä käytetään käsikäyttöistä kiinnitysmekanismia. Tyypin 2 liittimissä lukitus tapahtuu sähkömagneettisesti aktivoituvan metallipultin kautta (kuva 5). Lukitusta ohjataan ja sen tila ilmoitetaan latausasemalle erillisen yhteyden kautta.

Kuva 5: CCS-ajoneuvoliitännät on varustettu sähkömekaanisesti ohjattavalla lukituspultilla (punaisten nuolien vieressä ylävasemmalla), joka on suunniteltu kestämään suuria ulosvetovoimia. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Tyyppien 1 ja 2 liitännät ja liittimet

Phoenix Contactin CHARX CCS -latausliitäntöjen tasavirtakaapelin poikkipinta on jopa 95 neliömillimetriä. Se tukee jopa 500 kW:n latausnopeuksia. Malli 1194398 voi tarjota normaalikäytössä 125 kW:n lataustehon ja pikatilassa jopa 250 kW:n lataustehon (kuva 6). Tämä CCS-tyypin 1 liitäntä on suunniteltu käytettäväksi lataustavoissa 2, 3 ja 4. Siihen kuuluu PTC-ketjulämpötila-anturi vaihtovirtakoskettimissa ja Pt1000-anturit tasavirtakoskettimissa.

Kuva 6: Ajoneuvojen lataukseen AC- tai DC-virralla tarkoitettu CCS-tyypin 1 latausliitäntämalli 1194398 voi syöttää 125 kW normaalikäytössä ja jopa 250 kW pikatilassa. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Korkeampaa tehontarvetta varten Phoenix Contactin ajoneuvolatausliitäntä 1162148 tukee 500 kW:n latausnopeutta pursketilassa ja 250 kW:n latausnopeutta normaalissa toiminnassa. PWM-pulssinleveysmodulaatiota käyttävä digitaalinen signaalinsiirto toteutetaan standardien ISO/IEC 15118:n ja DIN SPEC 70121:n mukaisella sähköverkkotiedonsiirrolla. Laitteen käyttölämpötila-alue on -40 °C ... +60 °C.

Sovelluksissa, joissa tarvitaan CCS-tyypin 1 vaihtovirtapistoke tason 2 latausta varten, voidaan käyttää TE Connectivity AMP Connectors -mallia 2267220-3 (kuva 7). Tämän liitimen jännite- ja virtaluokitukset ovat 240 V_AC ja 32 A. Lisäksi se sisältää kolme virta- ja kaksi signaalikosketinta. Se käyttää laajennettua käyttölämpötila-aluetta -55 °C ... +105 °C ja se on luokiteltu 10 000 liitäntäsyklille.

Kuva 7: CCS-tyypin 1 EV-latausliittimessä näkyy integroitu manuaalinen lukitusjärjestelmä (liittimen vasemmalla puolella). (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Adam Techin EV-laturikaapelikokoonpanot sisältävät tyypin 1 ja tyypin 2 pistokkeet kaapelin pituuden ollessa 3 metriä (m) tai 5 m. Niitä on saatavana IP54- tai IP55-luokituksella. Esimerkiksi CA #EV03AT-004-5M on tyypin 2 liitin 5 metrin kaapelilla ja IP55-luokituksella (kuva 8). Liittimeen kuuluu viisi virta- ja kaksi signaalikosketinta, ja sen jänniteluokitus on 480 V_AC 16 A:n sähkövirralla. Käyttölämpötila-alue on -30 °C ... +50 °C.

Kuva 8: CCS-tyypin 2 liittimien CA #EV03AT-004-5M jänniteluokitus on 480 V_AC 16 A:n sähkövirralla (kuvalähde: Adam Tech)

CCS-spesifikaatioihin liittyviä näkökohtia

Ajoneuvojen CCS-latausliitäntöjen ja -liittimien yleiset mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet on standardoitu, mutta suunnittelijoiden on kuitenkin otettava huomioon muutama osa-alue näiden laitteiden määrityksissä:

IP-luokitukset: Nämä luokitukset määritetään useilla eri tavoilla: kytkettynä, irrotettuna ilman suojusta ja irrotettuna suojuksen kanssa. Jotkin suojuksettomat pistokkeet ovat IP20-luokiteltuja, mikä tarkoittaa, että ne ovat kosketussuojattuja ja kestävät pölyä ja yli 12 mm:n kokoisia esineitä. Niitä ei ole kuitenkaan suojattu nesteiltä ja ne saattavat vaurioitua joutuessaan kosketuksiin vesisuihkun kanssa. Suojatuilla ja kytketyillä CCS-pistokkeilla on tavallisesti IP54-, IP55- tai IP65-luokitus. IP65-luokitus tarjoaa paremman suojauksen vedeltä kuin IP54-yksiköt, mutta suojaus on yhtä hyvä kuin IP55-luokan yksiköissä. IP54- ja IP55-yksikköjen suojaus pölyltä on heikompi kuin IP65-yksiköissä.

Käyttölämpötila-alue: Tälle spesifikaatiolle ei ole standardia. -30 ... +50 °C ja -40 ... +60 °C ovat yleisiä lämpötila-alueita, mutta saatavilla on myös laajennettuja alueita, kuten -55 ... +105 °C (ks. edellä TE Connectivityn 2267220-3).

Lämpötilan mittauskomponentit: Nämä on standardoitu vaihtovirtakoskettimille, joissa käytetään PTC-laitteita, ja tasavirtakoskettimille, joissa käytetään Pt1000-antureita. Teknisten tietojen sanamuodot voivat olla hämmentäviä tässä yhteydessä. Vaihtovirtayksikköjen yhteydessä mainitaan joskus ”PTC” ja joskus ”PTC-ketju”. Oikea nimitys on ”PTC-ketju”, koska jokaisessa koskettimessa on PTC. Jos teknisissä tiedoissa mainitaan pelkkä ”PTC”, suunnittelijoiden on varmistettava, että laite käyttää ”PTC-ketjua”. Pt1000-anturin tapauksessa joissakin teknisissä tiedoissa mainitaan Pt100-anturi, joka on vähemmän herkkä eikä täytä CCS-standardeja. On yleinen virhe kutsua Pt1000-anturia Pt100-laitteeksi, koska ”100” on paljon laaja-alaisempi kuin ”1000”. Suunnittelijoiden tulisi varmistaa, että kyseessä on todellakin Pt1000-anturi ja että jokaisessa koskettimessa on yksi sellainen.

Yhteenveto

Sähköajoneuvojen AC- ja DC-pikalataus tukee sähköajoneuvojen akkujen kasvavaa kapasiteettia ja pidentää ajomatkoja. Vaihtovirtapikalatausta käytetään sähköajoneuvoissa, joilla ajetaan suhteellisen lyhyitä matkoja. Toisaalta suuritehoisempi tasavirtapikalataus, joka voi ladata sähköajoneuvon akun 80 prosenttiin täydestä latauksesta muutamassa minuutissa, tukee pitkien ajomatkojen tarpeita. CCS-järjestelmä tarjoaa suunnittelijoille turvallisen, älykkään ja tehokkaan tavan yhdistää vaihtovirta- ja tasavirtapikalataus sekä autosovelluksissa että muissa sovelluksissa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Miten toteuttaa nopeasti ja tehokkaasti joustavia EV-latausjärjestelmiä?