Das richtige Kabel zum Laden von Elektrofahrzeugen bietet Benutzerkomfort und gewährleistet gleichzeitig Sicherheit und Zuverlässigkeit

Die meisten Personen haben kein Problem mit dem Stecken und Ziehen kleiner und mittelgroßer elektrischer Stecker. Sie zögern nicht, dies mit ungeschützten USB-, HF-Koaxial-, HDMI- und anderen kleinen Niederspannungssteckern für ihre Telefone und unzähligen anderen Geräte zu tun. Sie haben auch diese Stecker mit vollständig freiliegenden Steckzylindern wie an AC/DC-Adapter (Steckernetzteile) zum Laden von Geräten verwendet. Da es sich ausschließlich um Niederspannungs- bzw. Niederstromstecker handelt, besteht für den Benutzer keine Gefahr.

Selbst bei höheren Spannungen haben die meisten Verbraucher kein Problem damit, Netzkabel (120/240 Volt) bei Bedarf einzustecken, und das geschieht seltener als bei Niederspannungssteckern. Die Menschen haben gelernt, mit diesen Wechselstromsteckern vorsichtig umzugehen, da sie nicht vollständig gekapselt sind, teilweise freiliegende Kontakte besitzen und manchmal alte, rissige Isolierungen und Steckergehause aufweisen.

Es ist wirklich erstaunlich, wie wenig Todesfälle und Verletzungen es durch Stromschläge gibt. Einem Bericht der National Library of Medicine/des National Institutes of Health (Electrical Injuries)¹ zufolge sterben in den USA jedes Jahr etwa 1000 Menschen an den Folgen elektrisch bedingter Verletzungen. Davon sind etwa 400 auf Hochspannungsschläge zurückzuführen und 50 bis 300 auf Blitzschlag. Außerdem gibt es jährlich mindestens 30.000 Stromschläge, die nicht tödlich enden, und etwa 5 % aller Einweisungen in Abteilungen zur speziellen Behandlung von Verbrennungen in den USA sind auf elektrisch bedingte Verletzungen zurückzuführen.

Ungefähr 20 % aller elektrisch bedingten Verletzungen treten bei Kindern, einschließlich Kleinkindern und Jugendlichen, auf, und die meisten davon im Haushalt. Bei Erwachsenen treten diese Verletzungen meist am Arbeitsplatz auf und sind die vierthäufigste Ursache für arbeitsbedingte traumatische Todesfälle. Die gute Nachricht ist, dass Stromschläge mit Verbrennungen und Schlimmerem „zuhause“ eher selten sind. Kurz gesagt: Die Menschen wissen, dass Netzspannungen potenziell gefährlich sind, und gehen daher angemessen vorsichtig mit Netzkabeln und Steckern um. Diese Vertrautheit und die damit verbundene Sicherheit müssen auch Teil der Nutzungserfahrung von Elektrofahrzeugen werden.

Laden von Elektrofahrzeugen Zweifel bei Vertrautheit und Sicherheit

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen wird erwartet, dass der Durchschnittsverbraucher mit höheren Spannungs-, Strom- und Leistungspegeln (bis zu 250 Kilowatt (kW)) und den dazugehörigen Steckern und Kabeln zurechtkommt. Während einige Elektrofahrzeugnutzer geplant „über Nacht zuhause“ an einer 120/240-Volt-Wechselstromleitung (VAC) laden, werden viele auch DC-Ladegeräte der Stufe 2 mit höherer Leistung in ihrem Heim installieren lassen, um die Vorteile der viel kürzeren Ladezeit und des höheren Wirkungsgrads zu nutzen. Zweifellos werden die Nutzer auch unterwegs an öffentlichen Ladestationen Ladegeräte der Stufe 2 verwenden. Diese Nutzer erwarten, dass der Prozess des Anschließens und Trennens einfach und zuverlässig ist, mit einer Ladesequenz, die der von Benzin und Diesel für Verbrennungsmotoren ähnelt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Teil der Schaffung eines Komfortfaktors für die Nutzer von Elektrofahrzeugen besteht darin, sicherzustellen, dass die Anschluss- und Trennungssequenz beim Laden derjenigen von typischen Verbrennern ähnelt. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Diese Ladegeräte erfordern eine Kabel- und Steckeranordnung, die hohen Ansprüchen bezüglich einfacher Benutzung ähnlich der des Benzin-/Dieselformats, erheblicher elektrischer Kapazität, elektrischer und thermischer Sicherheit sowie allgemeiner Robustheit, einschließlich des Missbrauchsschutzes, genügen muss.

Es ist erwähnenswert, dass in der Industrie der Begriff „Kabel“ tatsächlich für den Stecker und das dazugehörige Kabel verwendet wird, da beide als eine einzige, nahtlos integrierte Einheit und nicht als zwei verschiedene Unterbaugruppen geliefert werden.

Beispiel von Stecker plus Kabel veranschaulicht die Herausforderung

Stecker und Kabel für Netzstromleitungen müssen vergleichsweise geringe elektrische und mechanische Anforderungen erfüllen. Diese reichen von einfachen, nicht geerdeten Zweidrahtanordnungen, wie sie bei Tischlampen im Wohnbereich verwendet werden, bis hin zu dreiadrigen, hochintegrierten geerdeten Steckern für Haushaltsgeräte. Diese werden mit fest umspritzten Kabeln und Steckverbindergehäusen geliefert.

Im Gegensatz dazu müssen Anlagen für Elektrofahrzeuge viel höhere Stromstärken und Spannungen verkraften, Anstiege der Innentemperatur aufgrund von Umgebungsbedingungen und Selbsterhitzung erfassen, die Nutzung und den Missbrauch durch die Benutzer verkraften (auf den Boden fallen, überfahren werden, in einer Wasser- und Schlammpfütze liegen gelassen werden) und dennoch ein extremes Maß an elektrischer und mechanischer Integrität in einer ungeschützten Umgebung bieten. Zu den verschiedenen denkbaren Szenarien gehört, dass Benutzer (erfolgreich) versuchen könnten, das Fahrzeug zu laden, während es teilweise im Wasser steht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Nicht empfohlen, aber es funktioniert trotzdem: Ladestationen für Elektrofahrzeuge verfügen über mehrere Stufen des Schutzes, um ein sicheres Laden auch unter sehr nassen Bedingungen zu gewährleisten. (Bildquelle: Sun/Nachrichten Group Newspapers/GB)

Das alles ist nicht einfach, aber machbar, wie die Familie der CCS-C-Line-DC-Ladekabel (einschließlich Stecker) von Phoenix Contact für Elektrofahrzeuge zeigt. Die Familie besteht aus zwei ähnlichen Gruppen, die sich jedoch deutlich voneinander unterscheiden: Typ 1 für Nordamerika (SAE J1772) mit einem diskreten Sicherungsclip und Typ 2 für Europa (IEC 62196-3) (Abbildung 3). Diese beiden Gruppen haben leicht unterschiedliche Spezifikationen und äußere Erscheinungsbilder.

Abbildung 3: Die Stecker der CCS C-Line für Nordamerika (links) und Europa (rechts) bieten ähnliche Funktionen, jedoch mit leicht unterschiedlichen Formfaktoren. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die DC-Ladekabel der CCS C-Line sind mit einem einzigartigen, leichten Stecker ausgestattet, der nach CCS-Standards konstruiert ist, aber einen kleineren Formfaktor aufweist, um die Benutzung und Lagerung zu erleichtern. Diese Kabel wurden für den Einsatz an Orten entwickelt, an denen keine hohe Ladeleistung benötigt wird und an denen das Laden mit DC dem mit AC vorgezogen wird. Sie werden in Privathaushalten, Wohnkomplexen, Parkmöglichkeiten und Unternehmen eingesetzt. Mit Ladeströmen von bis zu 80 Ampere (A) bieten die Kabel der CCS C-Line im Vergleich zu AC-Ladekabeln eine höhere Kapazität und eine verkürzte Ladezeit.

Der Hauptmarkt werden Hersteller von Bedienausrüstungen für Elektrofahrzeuge und Fuhrparkbetreiber sein. Sowohl in der Gruppe von Typ 1 als auch in der Gruppe von Typ 2 gibt es verschiedene Angebote mit einer kapazitätsabhängigen Querschnittsauswahl von AWG 6 und 10 und Kabellängen von 4 bis 7 Metern (m).

Die schematische oder funktionale Zuordnung der Kontakte des Steckers, wie z. B. der Plus- und Minus-Gleichstromkontakte (DC+ und DC-), der Schutzerde (PE) und der Signalkontakte nach dem Stecken (CS und CP), ist für den Benutzer nicht von Bedeutung (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die kritischen Kontakte des CCS-C-Line-Steckers sind die Plus- und Minus-DC-Leistungskontakte (DC+ und DC-), die Schutzerde (PE) und die Signalkontakte nach dem Stecken (CS und CP). (Bildquelle: Phoenix Contact)

Stattdessen legen sie Wert auf einen komfortablen Formfaktor mit einem Aussehen und einer Haptik, die vertraut sind und an die traditionelle Baugruppe mit Pistolengriff für Benzin-/Dieseltanksäulen erinnert (Abbildung 5).

Abbildung 5: In der Praxis bietet die DC-Baugruppe mit der CCS-Ladevorrichtung eine beruhigende Ähnlichkeit mit dem Tankvorgang bei Benzin/Diesel. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die vielen technischen Merkmale, die für ein erfolgreiches CCS-Laden von Elektrofahrzeugen erforderlich sind, müssen jedoch für die Nutzer unsichtbar sein; diese Merkmale sind in Abbildung 6 mit den eingekreisten Zahlen gekennzeichnet.

Abbildung 6: Die CCS C-Line umfasst sechs wichtige technische und leistungsbezogene Merkmale und Funktionen, die der Benutzer vielleicht nicht bemerkt (es sei denn, es gibt ein Etikett und ein Logo), die aber für einen ordnungsgemäßen, effektiven, zuverlässigen und sicheren Betrieb entscheidend sind. (Bildquelle: Phoenix Contact, geändert von Bill Schweber)

1) Integrierte Temperaturmesstechnologie: Durch die präzise Temperaturmessung direkt an den Leistungskontakten kann der Ladevorgang bei Überhitzung unterbrochen werden, um den Benutzer vor Gefahren und die Ladestation vor Schäden zu schützen.

2) Versilberte Kontakte: Die versilberten Oberflächen der Leistungs- und Signalkontakte sorgen für eine effiziente Leistungsübertragung, einen optimalen Korrosionsschutz und eine lange Lebensdauer.

3) Ein individuelles Logo: Als Alternative zum Logo von Phoenix Contact können die Stecker mit einem individuellen Logo auf einem UV- und witterungsbeständigen Kunststoffetikett geliefert werden.

4) Kompaktes Design mit ergonomischem Griff: Die ergonomische Form des Griffbereichs garantiert eine einfache Handhabung und ein angenehme Haptik. Darüber hinaus sorgt das kompakte Design für ein harmonisches Gesamtbild von Ladestation und Ladestecker.

5) Ausgeklügeltes Dichtungskonzept: Das ausgeklügelte Dichtungskonzept sorgt für eine durchgehende Längsdichtigkeit und verhindert, dass Feuchtigkeit in den Steckverbinder oder das Kabel eindringt.

6) Kabelkonstruktion gemäß DIN EN 50620: Das besonders robuste, VDE-zertifizierte Ladekabel wurde mit Blick auf Isolierungsdicke, Materialflexibilität und weitere Eigenschaften speziell für den Einsatz in der E-Mobilität entwickelt.

Fazit

Das DC-Laden von Elektrofahrzeugen erfordert eine Stecker- und Kabelbaugruppe, die strenge elektrische und mechanische Leistungskriterien erfüllt. Gleichzeitig müssen Aussehen, Haptik, Funktion und der allgemeine Komfortfaktor für die Verbraucher stimmen. Die CCS-C-Line-DC-Ladekabel des Typs 1 und 2 von Phoenix Contact erfüllen diese Anforderungen und sind in mehreren Versionen erhältlich, um unterschiedlichen Designanforderungen gerecht zu werden.

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1: Compact CCS Cables Provide Level 2 Fast DC Charging (Kompakte CCS-Kabel ermöglichen schnelles DC-Laden der Stufe 2

https://www.digikey.com/en/articles/compact-ccs-cables-provide-level-2-fast-dc-charging

2: How to Employ a Range of Connectors to Support Comprehensive EV Charging Infrastructure (Nutzung von Steckverbinderreihen zur Unterstützung komplexer DC-Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge)

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-employ-a-connectors-for-ev-charging-infrastructure

Referenzen

1: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK448087/