Einsatz einer Reihe von Steckverbindern zur Unterstützung einer umfassenden EV-Ladeinfrastruktur

Eine flächendeckende Ladeinfrastruktur wird benötigt, um den kommenden Nutzungsschub von Elektrofahrzeugen (EV) zu unterstützen. Die Entwickler sind gefordert, eine breite Palette von Infrastrukturlösungen für Wohnhäuser, Hotels, Geschäfte und Restaurants, Gewerbe- und Industrieanlagen, Parkhäuser, Tankstellen, Raststätten und andere Orte zu entwickeln, an denen E-Fahrzeuge stets verfügbar und bequem aufgeladen werden können. In einigen Fällen haben die Nutzer den Luxus, Zeit zu haben und benötigen nur wenige Kilowatt (kW) Wechselstrom-Ladeleistung über einen längeren Zeitraum. In anderen Fällen wird die Zeit ein kritischer Faktor sein, und die Nutzer werden Hunderte von Kilowatt Gleichstrom benötigen, um Elektrofahrzeuge innerhalb weniger Minuten aufzuladen.

Entwickler benötigen verschiedene Steckverbinderoptionen, die sowohl für Wechselstrom mit geringer Leistung als auch für Gleichstrom mit hoher Leistung und für eine Reihe von Leistungsstufen dazwischen geeignet sind. Diese Steckverbinder müssen ergonomisch und benutzerfreundlich sein, und sie müssen robust und einfach zu installieren sein, um den Bedürfnissen der Hersteller von Elektrofahrzeugen nach kostengünstigen und zuverlässigen Lösungen gerecht zu werden. Die Ladegriffe und Stromzuführungen müssen die Anforderungen der Norm für kombinierte Ladesysteme (CCS), SAE J1772, und IEC 62196 erfüllen.

Dieser Artikel befasst sich mit den technischen Anforderungen an Ladegeräte für Elektrofahrzeuge in verschiedenen Umgebungen, von AC-Ladegeräten mit geringer Leistung in Wohnhäusern bis hin zu Hochleistungs-Ladegeräten (HPC) an verschiedenen kommerziellen Standorten, einschließlich der elektrischen Leistung und der Schnittstellenstandards sowie der Notwendigkeit einer Flüssigkeitskühlung in HPC-Installationen. Anschließend wird eine Reihe von AC- und DC-Ladeanschlüssen, Griffen und Kabelsystemen von Phoenix Contact vorgestellt, die die Anforderungen aller Arten von EV-Ladegeräten erfüllen, sowie ein Flüssigkeitskühlsystem für HPC-Kabel und -Stecker.

In Nordamerika, Europa und China wurden Normen für das Aufladen von Elektrofahrzeugen und entsprechende Stecker entwickelt. Die Normen in Nordamerika und Europa basieren beide auf der Norm für kombinierte Ladesysteme (CCS), die Wechsel- und Gleichstromladung in einem einzigen Eingang am Fahrzeug kombinieren. CCS-Steckverbinder des Typs 1 sind in Nordamerika und Korea weit verbreitet, während CCS-Steckverbinder des Typs 2 in Europa, dem Nahen Osten, Südafrika, Südamerika, Australien, Neuseeland und einigen anderen Gebieten zu finden sind. China ist mit der GB/T-Norm, die getrennte Anschlüsse für Wechsel- und Gleichstromladung vorschreibt, einen eigenen Weg gegangen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Normen für das Laden von Elektrofahrzeugen wurden in Nordamerika, Europa und China auf regionaler Basis entwickelt. (Bildquelle: Phoenix Contact)

CCS-Typen

Es gibt zwei Versionen der CCS-Norm, Typ 1 und Typ 2. Typ 1 entspricht den Normen SAE J1772 und IEC 62196-3 und wurde für den nordamerikanischen Markt entwickelt. Die Struktur der AC- und DC-Ladeanschlüsse ist mit einem herkömmlichen CCS-Fahrzeuganschluss kompatibel.

Typ 2 entspricht auch IEC 62196-3, aber nicht SAE J1772. Er wurde ursprünglich in Europa entwickelt und ist, wie oben erwähnt, in mehreren Regionen eingeführt worden. Die AC- und DC-Ladeanschlüsse des Typs 2 sind ebenfalls mit einem herkömmlichen CCS-Fahrzeuganschluss kompatibel.

Die Ladungsnorm GB/T 20234 wird nur in China verwendet. In diesem Fall haben die AC- und DC-Anschlüsse unterschiedliche Schnittstellen und erfordern die Verwendung von separaten Anschlüssen am Fahrzeug.

Abbildung 2: Beispiele für EV-Ladeanschlüsse vom CCS Typ 1 (links), CCS Typ 2 (Mitte) und GB/T (rechts). (Bildquelle: Phoenix Contact)

Ladevorgänge

Neben den physikalischen Unterschieden zwischen CCS-Steckern des Typs 1 und des Typs 2 werden in Nordamerika und Europa auch unterschiedliche Lademodi verwendet. In den Modi mit geringerer Leistung wird das im Elektrofahrzeug (EV) eingebaute Ladegerät verwendet, während in den Modi mit höherer Leistung externe Ladegeräte eingesetzt werden. Darüber hinaus können höhere Leistungsstufen größere thermische Herausforderungen darstellen und von einer genaueren Temperaturüberwachung profitieren.

Die nordamerikanische Norm SAE J1772 kennt drei Modi oder Stufen:

• Stufe 1 ist in erster Linie für Privathaushalte gedacht und verwendet 120 Volt Wechselstrom (Vac), um bis zu etwa 1,9 Kilowatt (kW) zu liefern.
• Stufe 2 verwendet einphasigen Wechselstrom mit höherer Spannung von 208/240 Volt. Dies wird als „schnelles AC-Laden“ bezeichnet und kann etwa 19 kW an das bordeigene EV-Ladegerät liefern.
• Stufe 3 ist die Gleichstromaufladung mit einem externen Gleichstromladegerät. Die Basisspezifikation ist für 600 V_DC bei bis zu 400 Ampere (A) für maximal 240 kW ausgelegt. Modernere Ausführungen können 1 Kilovolt Gleichspannung (kV_DC) und 500 A für insgesamt 500 kW liefern.

In der Norm IEC 61851-1 sind vier Lademodi definiert. In den Modi 1, 2 und 3 wird das bordeigene Ladegerät des Fahrzeugs verwendet:

• Die Modi 1 und 2 sind für das Laden mit niedriger Leistung vorgesehen. Im Modus 1 wird das Kabel direkt in die Netzsteckdose gesteckt, und die verfügbare Leistung ist begrenzt. Im Modus 2 wird das Kabel ebenfalls direkt an eine Steckdose angeschlossen, bietet aber zusätzlich einen integrierten Schutz, das so genannte IC-CPD (In-Cable Control and Protection Device).
• Modus 3 ist ein schnelles AC-Laden und verwendet eine Ladestation, die bis zu 120 kW Wechselstrom liefert. Ladegeräte der Stufe 3 können optional ein High-Level-Kommunikationsprotokoll (HLC) zwischen der externen Wechselstromquelle und dem eingebauten Ladegerät zur Ladesteuerung enthalten.
• Modus 4 ist eine schnelle Gleichstromladung und kann mehrere hundert Kilowatt direkt an die Batterie liefern. HLC ist in Modus 4 erforderlich, um die für die Steuerung des Ladegeräts notwendige Rückmeldung zu geben.

Thermischer Schutz

Sowohl das AC- als auch das DC-Ladekabel verfügen über einen thermischen Schutz. Für die AC-Ladung bis 80 A ist eine Thermistorkette mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) üblich. Sie besteht aus einer Kette von Komponenten, von denen eine an jedem Kontakt angebracht ist. Die Überwachung der Widerstandswerte gewährleistet eine sichere Abschaltung bei Überschreiten der Grenztemperatur.

Pt1000-Sensoren mit höherer Genauigkeit werden an den Kontakten von Hochleistungs-Ladegeräten verwendet, um ein schnelles Ansprechen zu gewährleisten und dem System einen konstanten Betrieb bei hohen Leistungspegeln zu ermöglichen.

AC-Anschluss und Verkabelungsoptionen

Für Entwickler von AC-Ladesystemen bietet Phoenix Contact ein umfassendes Sortiment an universellen Ladeanschlüssen, die AC- oder DC-Anschlüsse akzeptieren können, sowie spezielle reine AC-Anschlüsse, die die Anforderungen für Typ 1 in Nordamerika und Typ 2 in Europa erfüllen und für Fahrzeuge geeignet sind, die keine DC-Ladung benötigen. Diese Baugruppen umfassen ein 2 Meter langes Stromkabel und 1 Meter lange Kabel für den Verriegelungsaktuator, den Temperatursensor und die Kommunikation. Sie verfügen über Verriegelungsmechanismen, Temperatursensoren und Staubschutzkappen. Zu den Beispielen für die Verwendung von Kabeln in Anwendungen gemäß IEC 62196-2- und SAE J1772 Typ 1 gehören:

• Der Fahrzeugladeanschluss des Modells 1271960 kann bis zu 12 kW einphasigen Wechselstrom verarbeiten. Dieser Anschluss ist für über 10.000 Steckzyklen ausgelegt.
• Für Anwendungen mit höherer Leistung kann das Modell 1271836 verwendet werden, das für eine einphasige Wechselstromleistung von bis zu 20 kW ausgelegt ist. Eine Verriegelungsvorrichtung und eine Schutzkappe sind im Lieferumfang enthalten.

Phoenix Contact bietet auch eine Reihe von AC-Ladekabeln an, darunter:

• Das Modell 1277166 zur Verwendung mit Fahrzeugladegeräten gemäß SAE J1772 Typ 1. Es hat an einem Ende einen Anschluss zum Aufladen des Fahrzeugs und ist am anderen Ende offen für die dauerhafte Befestigung des Ladegeräts. Es verfügt über eine PTC-Kette zur thermischen Überwachung und kann bis zu 20 kW einphasige Wechselstromleistung verarbeiten. Es umfasst ein 25 Fuß langes Kabel (Abbildung 3).
• Das Modell 1627692 ist ein mobiles AC-Ladekabel mit einem Fahrzeug-Ladeanschluss für Typ-2-Anschlüsse an einem Ende und einem Infrastruktur-AC-Steckverbinder am anderen Ende zur Verwendung mit Typ-2-IEC-62196-2-Ladegeräten. Diese Kabelkonfektion kann bis zu 26,6 kW 3-phasigen Wechselstrom liefern, enthält Kontakte für HLC-Anschlüsse und ist 5 m lang.

Abbildung 3: Mobile AC-Ladekabelkonfektion für eine Leistung von 20 kW. (Bildquelle: Phoenix Contact)

DC-Ladekabel

Phoenix Contact bietet sein CCS-C-Produktsortiment an DC-Ladekabeln für Ladesysteme mittlerer Leistung an, die in Privathäusern, Wohnanlagen, Unternehmen und Parkhäusern eingesetzt werden. Diese Kabel sind in den Ausführungen Typ 1 und Typ 2 erhältlich. Die Baugruppen haben einen Fahrzeugladeanschluss mit Temperatursensoren an einem Ende und offene Kabelanschlüsse am anderen Ende. Beispiele für Typ-1-Designs sind:

• Das 5 m lange Modell 1105880 mit einer Leistung von 40 kW
• Das 7 m lange Modell 1236563 mit einer Leistung von 80 kW (Abbildung 4)

Abbildung 4: Dieser DC-Ladeanschluss ist für 80 kW ausgelegt und bietet ein 7 m langes Kabel. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Universal-Ladeanschluss

Das universelle Ladeanschlussmodell 1210900 arbeitet mit AC- und DC-CCS-Anschlüssen vom Typ 1 sowie Anschlüssem gemäß IEC 62196-2 und IEC 62196-3, die für bis zu 200 A und 1 kV_DC oder 80 A und 250 Vac einphasig ausgelegt sind. Die DC-Kontakte sind mit zwei PT1000-Temperatursensoren ausgestattet, die AC-Kontakte mit einem PTC-Ketten-Thermofühler.

DC-Verkabelungssystem für 500 kW

Entwickler von Hochleistungs-DC-Ladesystemen des Modus 4 HPC können das Verkabelungssystem 1085658 verwenden, das einen flüssigkeitsgekühlten Fahrzeuganschluss und ein Kabel umfasst, das bis zu 500 A bei 1 kV_DCliefern kann. Es erfüllt die Anforderungen von CSS Typ 1, SAE J1772 und IEC 62196-3-1. Das System umfasst Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Kabelbruch und Kühlmittelleckagen (Abbildung 5). Die Temperaturüberwachung erfolgt mit zwei NTCs für die DC-Kontakte und zwei NTCs für die DC-Stromleitungen im Kabel.

Abbildung 5: Diese leistungsstarke Gleichstrom-Ladekabelbaugruppe ist ein komplexes System. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Phoenix Contact bietet mit diesen DC-Ladekabeln auch eine eigenständige Kühleinheit an. Sie umfasst einen drehzahlgeregelten Lüfter und eine Pumpe, die eine optimierte Kühlung für DC-Ladesysteme mit hoher Leistung bieten (Abbildung 6). Pumpe und Lüfter arbeiten im Bereich von 0 V_DC bis 10 V_DC, der Lüfter verbraucht maximal 1,97 A, die Pumpe bis zu 1,8 A. Die Kühllösung ist eine Mischung aus 50% Wasser und 50% Glykol. Die Kabel und die Verkabelung sind 1,5 Meter lang. In Kombination mit dem Kabel 1085658 hat das System eine Kühlleistung von 600 W für 3 m Kabel, 800 W für 4 m Kabel, 900 W für 5 m Kabel und 1050 W für 6 m Kabel.

Abbildung 6: Flüssigkeitskühlsystem für DC-Ladekabel mit hoher Leistung. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Zusammenfassung

Um eine umfassende Ladeinfrastruktur für eine breite Akzeptanz von E-Fahrzeugen zu schaffen, ist ein breites Spektrum an Ladegeräten und Leistungsstufen erforderlich. Die Entwickler müssen Ladegeräte entwickeln, die von 1,9-kW-Wechselstrom-Ladegeräten mit geringer Leistung, die den internen Batterieladeschaltkreis des Fahrzeugs nutzen, bis zu 500-kW-Gleichstrom-Ladegeräten mit flüssigkeitsgekühlter Verkabelung reichen, die den internen Ladeschaltkreis umgehen und die Batterien direkt laden. Zwischen diesen Extremen wird ein breites Spektrum an Ladeleistungen und Lademodi erforderlich sein, um das ständige Laden von E-Fahrzeugen in Privatwohnungen und Wohnhäusern, Hotels, Geschäften und Restaurants, Gewerbe- und Industriegebieten, Parkhäusern, Tankstellen, Raststätten und anderen Orten zu ermöglichen.