Verwendung von CCS-Steckern zur Vereinfachung der Implementierung von sicheren Schnellladesystemen für Elektrofahrzeuge

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Der Einsatz von Elektrofahrzeugen (EVs) nimmt in vielen Bereichen zu, von der Landwirtschaft über Kommunen bis hin zu den Verbrauchern, was zum großen Teil darauf zurückzuführen ist, dass die „Reichweitenangst“ abnimmt. Zwar ermöglichen fortschrittliche Batterietechnologien eine höhere Batteriekapazität pro Volumeneinheit und damit größere Reichweiten, doch ist der Nutzen solcher Fortschritte begrenzt, wenn das Aufladen der Batterie zu lange dauert. Dies hat die Automobilhersteller und ihre Zulieferer in die Pflicht genommen, rasch Schnelllademethoden einzuführen.

Eine der kritischen Komponenten beim Laden sind die Anschlüsse. Sie müssen jetzt in der Lage sein, bis zu 500 Kilowatt (kW) bei bis zu 1000 Volt Gleichstrom zu verarbeiten und gleichzeitig auch Wechselstromquellen aufzunehmen. Außerdem müssen sie die Anforderungen der Normen IEC 62196 und SAE J1772 für sicheres und intelligentes Schnellladen erfüllen. Um alle Anforderungen von Automobil- und Nicht-Automobilsystemen zu erfüllen, können Entwickler von BEV-Systemen auf Steckverbinder zurückgreifen, die den Spezifikationen des Combined Charging System (CCS) entsprechen.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die grundlegenden Ladestufen und -modi für Elektrofahrzeuge und geht dann auf die Anforderungen an CCS-Steckverbinder ein, einschließlich eines Vergleichs von CCS Typ 1, CCS Typ 2 und chinesischen GB/T-Steckverbindern. Abschließend werden die von einigen Anbietern angebotenen erweiterten Funktionen wie größere Betriebstemperaturbereiche und höhere Schutzarten (IP) anhand von Beispielen von CCS-Steckverbindern von Phoenix Contact, TE Connectivity und Adam Techerläutert.

Kombiniertes EV-Ladesystem

Der CSS-Fahrzeugeinlass ist so konzipiert, dass er sowohl AC- als auch DC-Stromanschlüsse aufnehmen kann. Das AC-Schnellladen ist vorteilhaft, wenn das Fahrzeug längere Zeit in einer Garage oder auf einem Parkplatz geparkt wird, während das DC-Schnellladen verwendet wird, wenn das Fahrzeug für kurze Zeit in Geschäften, an Raststätten und an speziellen Ladestationen geparkt wird (Abbildung 1).

Bild des CCS-Fahrzeugeinlasses (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 1: Eine einzige CCS-Fahrzeugsteckdose kann sowohl AC- als auch DC-Schnellladungen unterstützen. (Bildquelle: Phoenix Contact)

EV-Ladestufen und -modi

Zu den Klassifizierungen für das Laden von Elektrofahrzeugen gehören: Ladestufen, Lademodi, Verkabelung und im Falle von CCS auch die Art des Ladeanschlusses. In den USA sind nach SAE J1772 drei Ladestufen vorgesehen:

  • Stufe 1 verwendet Haushaltsstrom mit 120 VAC und ist auf etwa 1,9 kW begrenzt. Stufe 1 ist langsam.
  • Das Laden der Stufe 2 erfolgt mit einphasigem 208/240 VAC. Es kann mit einer Quelle von 240 VAC bis zu etwa 19 kW liefern. Level 2 ist ein „schnelles AC-Laden“ und lädt drei- bis siebenmal schneller als Level 1. Die Stufen 1 und 2 versorgen das bordeigene EV-Ladegerät.
  • Level 3 ist eine Gleichstrom-Schnellladung und verwendet ein externes Gleichstrom-Ladegerät, das 600 VDC bei 400 Ampere (A) für eine Gesamtleistung von 240 kW liefert. Moderne DC-Schnellladegeräte können 500 kW (1000 VDC bei 500 A) liefern.

In Europa definiert die IEC 61851-1 vier Modi für das Laden von Elektrofahrzeugen:

  • Für den Lademodus 1 wird ein einfaches Kabel verwendet, das direkt an eine Steckdose angeschlossen wird. Es ist wenig leistungsfähig und wird nur selten genutzt.
  • Modus 2 wird ebenfalls direkt an eine Steckdose angeschlossen, bietet aber zusätzlich einen integrierten Schutz, das so genannte In-Cable Control and Protection Device (IC-CPD). Modus 2 ist sicherer als Modus 1, unterstützt aber nur das Aufladen bis etwa 15 kW mit Dreiphasenstrom.

Die Modi 3 und 4 sind Schnelllademodi:

  • Modus 3 verwendet eine spezielle Ladestation (auch EVSE genannt), die bis zu 120 kW Wechselstrom liefert. In den Modi 1, 2 und 3 wird das Laden der Batterie über das eingebaute Ladegerät des Fahrzeugs gesteuert.
  • Modus 4 bezieht sich auf schnelles DC-Laden. Das bordeigene Ladegerät wird umgangen und die EVSE versorgt die Batterie über einen Gleichstromanschluss direkt mit Strom. Mit Mode 4 können mehrere hundert kW geliefert werden. Während in Modus 3 eine Energierückkopplung über ein High-Level-Kommunikationsprotokoll (HLC) und eine Ladekontrolle möglich ist, ist sie in Modus 4 erforderlich.

Verbindungsarten, Modi und Fälle

CCS ist in Nordamerika in SAE J1772 mit Steckertyp 1 und in Europa in IEC 62196 mit Steckertyp 2 genormt. Die HCL-Schnittstelle zwischen dem EV und der EVSE basiert auf ISO/IEC 15118 und DIN SPEC 70121. Es gibt drei mögliche Verbindungen zwischen EV und Stromversorgung: Fall A, B und C.

In Fall A ist das Kabel dauerhaft mit dem EV verbunden und wird bei Bedarf an die Stromquelle angeschlossen. Fall A wird im CCS nicht verwendet. Die Fälle B und C werden mit CCS und mit der entsprechenden chinesischen Norm GB/T verwendet (Abbildung 2). Wenn das Stromkabel an beiden Enden abnehmbar ist, handelt es sich um Fall B. Wenn das Kabel fest mit der EVSE verbunden ist, handelt es sich um Fall C. Für den Lademodus 3 kann entweder Fall B oder Fall C verwendet werden, für den Lademodus 4 nur Fall C.

Abbildung der CCS-Steckertypen Typ 1 (Nordamerika), Typ 2 (Europa) und GB/T (China) (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 2: Vergleich von Steckertypen, Modi und Fällen von CCS Typ 1 (Nordamerika), Typ 2 (Europa) und GB/T (China). (Bildquelle: Phoenix Contact)

Temperaturüberwachung und aktive Kühlung

Die Überwachung der Kontakttemperatur ist bei Schnellladesystemen wichtig. Nach IEC 62196 darf der Temperaturanstieg an den Kontakten 50°C nicht überschreiten. Die HCL-Schnittstelle zwischen dem EV und der EVSE wird zur Übermittlung der Temperaturdaten verwendet. Wenn die Temperatur zu stark ansteigt, verlangsamt oder stoppt die EVSE den Ladevorgang. Bei den CCS-Steckverbindern für die AC-Ladung überwachen Kaltleiter (PTC) die Temperatur, wie in DIN 60738 gefordert. Wenn der Stecker zu heiß wird, stoppt der Ladevorgang (Abbildung 3). Für die schnelle Gleichstromladung sind nach DIN 60751 zwei Pt1000-Sensoren erforderlich, einer an jedem Kontakt. Ein Pt1000 hat einen Widerstand, der linear mit steigender Temperatur zunimmt.

Bild: Ein PTC-Temperatursensors schaltet die AC-Ladung ab (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 3: Ein PTC-Temperatursensor schaltet die AC-Ladung ab, um zu verhindern, dass die Temperatur ein sicheres Niveau überschreitet (links). Bei der schnellen Gleichstromladung ermöglicht ein Pt1000-Sensor die kontinuierliche Überwachung der Temperatur (rechts). (Bildquelle: Phoenix Contact)

In Systemen, die Ladeströme von über 250 A liefern, ist eine Temperaturüberwachung zusammen mit einer aktiven Kühlung erforderlich (Abbildung 4). Mit einer aktiven Kühlung können CCS-Steckverbinder bis zu 500 kW (500 A bei 1000 VDC) liefern. Wenn die Umgebungstemperatur unerwartet ansteigt oder ein Überlastungszustand auftritt, ermöglicht die Temperaturüberwachung dem System, die Kühlleistung zu erhöhen oder die Ladeleistung zu verringern, um den Temperaturanstieg der Steckverbinderkontakte unter der Spezifikationsgrenze von +50 °C zu halten.

Diagramm der aktiven Kühlung in Kombination mit der TemperaturerfassungAbbildung 4: Aktive Kühlung in Kombination mit Temperaturmessung kann die volle Ladung von 500 A unterstützen und den Temperaturanstieg des Steckers unter +50 °C halten. (Bildquelle: Phoenix Contact (vom Autor geändert))

Integrierte Verriegelungsmechanismen

Die Verriegelungsmechanismen sind in die CCS-Verbindungssysteme integriert. Der Verriegelungsmechanismus in Steckverbindern des Typs 1 ist ein manueller Einrastmechanismus. Bei Verbindern des Typs 2 erfolgt die Verriegelung durch einen elektromagnetisch aktivierten Metallbolzen (Abbildung 5). Die Steuerung des Schlosses und die Übermittlung seines Zustands an die EVSE erfolgt über eine separate Verbindung.

Bild: CCS-Fahrzeuganschlüsse sind mit einem elektromechanisch gesteuerten Verriegelungsbolzen ausgestattetAbbildung 5: CCS-Fahrzeuganschlüsse sind mit einem elektromechanisch gesteuerten Verriegelungsbolzen (neben den roten Pfeilen, oben links) ausgestattet, der für hohe Auszugskräfte ausgelegt ist. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Einlässe und Anschlüsse der Typen 1 und 2

Die CCS-Ladeeingänge CHARX von Phoenix Contact haben einen DC-Kabelquerschnitt von bis zu 95 Quadratmillimetern, der Ladeleistungen von bis zu 500 kW unterstützt. Das Modell 1194398 kann im Normalbetrieb eine Ladeleistung von 125 kW und im Boost-Modus bis zu 250 kW erbringen (Abbildung 6). Dieser CCS-Typ-1-Eingang ist für die Verwendung in den Lademodi 2, 3 und 4 vorgesehen. Er enthält einen PTC-Ketten-Temperatursensor an den AC-Kontakten und Pt1000-Sensoren an den DC-Kontakten.

Bild: CCS Typ 1 Fahrzeugladeanschluss 1194398 von Phoenix ContactAbbildung 6: Der CCS-Ladeanschluss des Modells 1194398 vom Typ 1 für Fahrzeuge zum Laden mit Wechsel- oder Gleichstrom kann im Normalbetrieb 125 kW und im Boost-Modus bis zu 250 kW liefern. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Für höhere Leistungsanforderungen unterstützt der Fahrzeugladeeingang 1162148 von Phoenix Contact Ladeleistungen von 500 kW im Burst-Modus und 250 kW im Normalbetrieb. Die digitale Signalübertragung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) wird bei der Powerline-Kommunikation nach ISO/IEC 15118 und DIN SPEC 70121 realisiert. Der Betriebstemperaturbereich liegt bei -40°C bis +60°C.

Für Anwendungen, die einen CCS-Typ-1-Wechselstromstecker für das Level-2-Laden benötigen, kann das Modell 2267220-3 von TE Connectivity AMP Connectors verwendet werden (Abbildung 7). Dieser Steckverbinder ist für 240 VAC und 32 A ausgelegt und verfügt über drei Stromversorgungs- und zwei Signalkontakte. Er hat einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +105°C und ist für 10.000 Steckzyklen ausgelegt.

Bild: CCS-EV-Ladestecker des Typs 1 von TE ConnectivityAbbildung 7: CCS-Typ-1-EV-Ladestecker mit integriertem manuellem Verriegelungssystem (linke Seite des Steckers). (Bildquelle: TE Connectivity)

EV-Ladekabel von Adam Tech beinhalten Stecker der Typen 1 und 2 mit Kabellängen von 3 Metern (m) (9,84 feet (ft.)) oder 5 m (16,4 ft.) und sind in den Schutzarten (IP) IP54 oder IP55 erhältlich. Der CA #EV03AT-004-5M ist beispielsweise ein Typ-2-Steckverbinder mit einem 5 m langen Kabel und der Schutzart IP55 (Abbildung 8). Er bietet fünf Stromversorgungs- und zwei Signalkontakte und ist für 480 VAC bei 16 A mit einem Betriebstemperaturbereich von -30°C bis +50°C ausgelegt.

Abbildung: CCS-Typ-2 Steckverbinder CA #EV03AT-004-5M von Adam TechAbbildung 8: Die CCS-Steckverbinder CA #EV03AT-004-5M des Typs 2 sind für 480 VAC bei 16 A ausgelegt. (Bildquelle: Adam Tech)

Überlegungen zur CCS-Spezifikation

Die allgemeinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften von CCS-Ladebuchsen und -Steckern sind standardisiert, aber es gibt einige Bereiche, die Entwickler bei der Spezifikation dieser Komponenten beachten müssen:

IP-Schutzarten: Diese Schutzarten werden auf verschiedene Weise angegeben: im eingesteckten Zustand, im ungesteckten Zustand ohne Abdeckung und im ungesteckten Zustand mit Abdeckung. Einige nicht abgedeckte Stecker sind nach IP20 eingestuft, d. h. sie sind berührungssicher und widerstehen Staub oder Gegenständen mit einer Größe von über 12 mm. Sie sind jedoch nicht gegen Flüssigkeiten geschützt und können bei Kontakt mit Spritzwasser beschädigt werden. Die Schutzarten IP54, IP55 und IP65 sind für CCS-Stecker üblich, wenn sie abgedeckt sind oder wenn sie eingesteckt sind. IP65 bietet einen höheren Grad an Wasserdichtigkeit als IP54-Einheiten, aber den gleichen Grad an Wasserdichtigkeit wie IP55-Einheiten. IP54- und IP55-Einheiten sind im Vergleich zu IP65-Komponenten weniger staubgeschützt.

Betriebstemperaturbereich: Für diese Spezifikation gibt es keine Norm. Bereiche wie -30°C bis +50°C und -40°C bis +60°C sind üblich, aber auch erweiterte Bereiche wie -55°C bis +105°C sind verfügbar (siehe 2267220-3 von TE Connectivity oben).

Temperaturmesskomponenten: Diese sind für die AC-Kontakte mit PTC-Bauteilen und für die DC-Kontakte mit Pt1000-Sensoren genormt. Die Formulierungen in den Datenblättern können hier verwirrend sein. AC-Komponenten nennen manchmal die Verwendung von „PTC“ und manchmal von „PTC-Kette“. Die korrekte Bezeichnung lautet „PTC-Kette“, da sich an jedem Kontakt ein PTC befindet. Wenn im Datenblatt ein einfacher „PTC“ angegeben ist, sollten sich die Entwickler vergewissern, dass es sich um eine „PTC-Kette“ handelt. Im Falle des Pt1000-Sensors wird in einigen Datenblättern ein Pt100-Sensor genannt, der weniger empfindlich ist und die CCS-Normen nicht erfüllt. Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, einen Pt1000-Sensor als Pt100-Komponente zu bezeichnen, da das Bauteil mit dem Wert „100“ viel weiter verbreitet ist als das Bauteil mit dem Wert „1000“. Die Entwickler sollten sich vergewissern, dass es sich tatsächlich um einen Pt1000 handelt und dass an jedem Kontakt ein solcher vorhanden ist.

Fazit

Das AC- und DC-Schnellladen von BEVs unterstützt die wachsende Kapazität der Batterien von Elektrofahrzeugen und die Nachfrage nach größeren Reichweiten. Das AC-Schnellladen wird bei E-Fahrzeugen eingesetzt, die relativ kurze Strecken zurücklegen. Alternativ kann auch eine Gleichstrom-Schnellladung mit höherer Leistung eingesetzt werden, die die Batterie eines E-Fahrzeugs in wenigen Minuten auf 80 % einer Vollladung bringen kann, um den Anforderungen von Langstreckenfahrten gerecht zu werden. Das CCS bietet Entwicklern eine sichere, intelligente und effiziente Möglichkeit, AC- und DC-Schnellladung in automobilen und nicht-automobilen Anwendungen zu kombinieren.

Empfohlene Lektüre

  1. Die schnelle und effiziente Implementierung flexibler EV-Ladesysteme

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Über den Autor

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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