Utilizzare i connettori CCS per semplificare l'implementazione di sistemi di ricarica EV rapidi e sicuri

L'uso di veicoli elettrici (EV) sta aumentando in una varietà di applicazioni, dall'agricoltura e dalle municipalità ai consumatori, grazie in gran parte alla riduzione della cosiddetta "ansia da autonomia". Mentre tecnologie avanzate stanno realizzando una maggiore capacità della batteria per unità di volume - e quindi una maggiore autonomia di guida - l'utilità di tali progressi è limitata se ci vuole troppo tempo per ricaricare la batteria. Questo ha forzato le aziende automotive e i loro fornitori di componenti ad adottare rapidamente metodologie di ricarica rapida.

Uno dei componenti critici nella ricarica sono i connettori. Ora devono essere in grado di gestire fino a 500 kW a fino a 1.000 V c.c., pur accettando anche fonti c.a. Devono anche soddisfare i requisiti degli standard IEC 62196 e SAE J1772 per una ricarica rapida, sicura e intelligente. Per soddisfare tutte le esigenze di sistemi automotive e non, i progettisti di sistemi BEV possono rivolgersi a connettori che soddisfano le specifiche CCS.

Questo articolo passa in rassegna i livelli e le modalità di base di ricarica dei veicoli elettrici, per poi passare ai requisiti dei connettori CCS, compreso un confronto tra i connettori CCS tipo 1, CCS tipo 2 e GB/T cinese. Si chiude esaminando le capacità estese offerte da alcuni fornitori, come gli intervalli della temperatura di funzionamento più estesi e i gradi di protezione più elevati (IP), utilizzando esempi di connettori CCS di Phoenix Contact, TE Connectivity e Adam Tech.

Sistema di ricarica combinata per EV

L'ingresso del veicolo CSS è progettato per accettare entrambi i connettori di alimentazione c.a. e c.c. La ricarica c.a. rapida è utile quando si sosta per periodi prolungati in un garage o in un parcheggio, mentre la ricarica rapide c.c. è usata quando si sosta per brevi periodi presso negozi, aree di sosta e stazioni di ricarica dedicate (Figura 1).

Figura 1: Una singola presa per veicoli CCS può supportare sia la ricarica rapida c.a. che quella c.c. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Livelli e modalità di ricarica EV

Le classificazioni della ricarica dei veicoli elettrici includono: livelli di ricarica, modalità di ricarica, casi di cablaggio e, nel caso del CCS, tipi di connettori di ricarica. Negli Stati Uniti, lo standard SAE J1772 riconosce tre livelli di carica:

• Il livello 1 usa la potenza residenziale di 120 V_c.a. ed è limitato a circa 1,9 kW. Il livello 1 è lento.
• La ricarica di livello 2 utilizza un'alimentazione monofase di 208/240 V_c.a.. Può fornire fino a circa 19 kW con una fonte di 240 V_c.a.. Il livello 2 è una "ricarica c.a. rapida" e carica da tre a sette volte più rapidamente del livello 1. I livelli 1 e 2 alimentano il caricatore EV a bordo di un veicolo.
• Il livello 3 è una ricarica rapida in corrente continua e utilizza un caricatore esterno per fornire 600 V_c.c. a 400 A per una potenza totale di 240 kW. I caricatori c.c. rapidi avanzati possono fornire 500 kW (1.000 V_c.c. a 500 A).

In Europa, la norma IEC 61851-1 definisce quattro modalità di ricarica EV:

• Il modo 1 di ricarica utilizza un semplice cavo inserito direttamente in una presa di corrente. È a bassa potenza e poco utilizzato.
• Anche il modo 2 si inserisce direttamente in una presa di corrente ma aggiunge una protezione integrata, chiamata dispositivo di controllo e protezione nel cavo (IC-CPD). Il modo 2 è più sicuro del modo 1, ma supporta solo la ricarica fino a circa 15 kW con potenza trifase.

I modi 3 e 4 sono di ricarica rapida:

• Il modo 3 usa una stazione di ricarica dedicata (chiamata anche apparecchiatura EVSE) per fornire fino a 120 kW c.a. I modi 1, 2 e 3 utilizzano il caricatore di bordo dell'EV per controllare la ricarica della batteria.
• Il modo 4 si riferisce alla ricarica rapida in corrente continua. Il caricabatterie di bordo dell'EV viene bypassato e l'EVSE fornisce energia direttamente alla batteria tramite un connettore c.c. Il modo 4 supporta la fornitura di diverse centinaia di kW. Mentre il modo 3 prevede il feedback energetico utilizzando un protocollo di comunicazione di alto livello (HLC) e il controllo della ricarica, questi sono richiesti nel modo 4.

Tipi di connessione, modi e casi

CCS è standardizzato in SAE J1772 con connettore di tipo 1 in Nord America e in IEC 62196 con connettore di tipo 2 in Europa. L'interfaccia HCL tra l'EV e l'EVSE è basata su ISO/IEC 15118 e DIN SPEC 70121. Ci sono tre possibili connessioni EV-alimentazione: casi A, B, e C.

Nel caso A, il cavo è permanentemente collegato all'EV e viene inserito nella fonte di alimentazione quando necessario. Il caso A non è usato in CCS. I casi B e C sono utilizzati con CCS e con il corrispondente standard cinese chiamato GB/T (Figura 2). Quando il cavo di alimentazione è staccabile su entrambe le estremità, si tratta del caso B. Se il cavo è permanentemente collegato all'EVSE, si tratta del caso C. Il modo di ricarica 3 può utilizzare sia il caso B che il caso C. Il modo di ricarica 4 utilizza solo il caso C.

Figura 2: Confronto dei tipi di connettore CCS tipo 1 (Nord America), tipo 2 (Europa) e GB/T (Cina), modi e casi. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Monitoraggio della temperatura e raffreddamento attivo

Il monitoraggio della temperatura dei contatti è importante nei sistemi di ricarica rapida. Secondo la norma IEC 62196, l'aumento di temperatura sui contatti non può superare i 50 °C. L'interfaccia HCL tra l'EV e l'EVSE è usata per comunicare i dati di temperatura. Se la temperatura aumenta troppo, l'EVSE rallenterà o interromperà la ricarica. Nel caso dei connettori CCS per la carica c.a., i termistori a coefficiente di temperatura positivo (PTC) controllano la temperatura, come richiesto dalla norma DIN 60738. Se il connettore si surriscalda, la ricarica si interrompe (Figura 3). Per la ricarica rapida in c.c., la norma DIN 60751 richiede due sensori Pt1000, uno su ogni contatto. Un sensore Pt1000 ha una resistenza che aumenta linearmente con l'aumentare della temperatura.

Figura 3: Un sensore di temperatura PTC interrompe la ricarica c.a. per evitare che la temperatura superi i livelli di sicurezza (a sinistra). Per la ricarica rapida in c.c., un sensore Pt1000 permette di monitorare continuamente la temperatura (a destra). (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Il monitoraggio della temperatura, insieme al raffreddamento attivo, è necessario nei sistemi che forniscono correnti di carica superiori a 250 A (Figura 4). Con il raffreddamento attivo, i connettori CCS possono fornire fino a 500 kW (500 A a 1.000 V_c.c.). Nel caso in cui la temperatura ambiente aumenti inaspettatamente o si sviluppi una condizione di sovraccarico, il monitoraggio della temperatura permette al sistema di aumentare il tasso di raffreddamento o diminuire il tasso di carica per mantenere l'aumento della temperatura dei contatti del connettore al di sotto del limite di specifica di +50 °C.

Figura 4: Il raffreddamento attivo combinato con il rilevamento della temperatura può supportare una carica completa di 500 A e mantenere l'aumento della temperatura del connettore al di sotto di +50 °C. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact, modificata dall'autore)

Meccanismi di bloccaggio integrati

I meccanismi di bloccaggio sono integrati nei sistemi di connettori CCS. Il meccanismo di bloccaggio nei connettori di tipo 1 è di tipo manuale. Nei connettori di tipo 2, il bloccaggio è realizzato utilizzando un bullone metallico attivato in modo elettromagnetico (Figura 5). Il bloccaggio è controllato e il suo stato è comunicato all'EVSE attraverso una connessione separata.

Figura 5: Gli ingressi dei veicoli CCS sono dotati di un bullone di bloccaggio controllato in modo elettromeccanico (accanto alle frecce rosse, in alto a sinistra) in grado di resistere a forze di estrazione elevate. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Prese e connettori di tipo 1 e 2

Le prese di ricarica CCS CHARX di Phoenix Contact hanno sezioni trasversali dei cavi c.c. fino a 95 mmq e possono supportare velocità di ricarica fino a 500 kW. Il modello 1194398 può fornire 125 kW di carica in funzionamento normale e fino a 250 kW in modalità boost (Figura 6). Questo ingresso CCS tipo 1 è progettato per l'uso nei modi di ricarica 2, 3 e 4. Include un sensore di temperatura a catena PTC sui contatti c.a. e sensori Pt1000 sui contatti c.c.

Figura 6: Il modello CCS tipo 1 1194398 per la ricarica di veicoli con alimentazione c.a. o c.c. può fornire 125 kW in funzionamento normale e fino a 250 kW in modalità boost. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Per esigenze di potenza più elevate, la presa di ricarica per veicoli 1162148 di Phoenix Contact supporta velocità di ricarica di 500 kW in modalità burst e 250 kW in funzionamento normale. La trasmissione del segnale digitale usando la modulazione della larghezza di impulso (PWM) è implementata con la comunicazione a onde convogliate secondo ISO/IEC 15118 e DIN SPEC 70121. Vanta un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +60 °C.

Le applicazioni che richiedono una spina c.a. CCS di tipo 1 per la ricarica di livello 2 possono utilizzare il modello 2267220-3 di TE Connectivity AMP Connectors (Figura 7). Classificato a 240 V_c.a. e 32 A, questo connettore presenta tre contatti di alimentazione e due di segnale. Ha un intervallo della temperatura di funzionamento esteso da -55 a +105 °C ed è classificato per 10.00 cicli di accoppiamento.

Figura 7: Il connettore di ricarica EV CCS tipo 1 mostra il sistema di bloccaggio manuale integrato (lato sinistro del connettore). (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

I cavi assemblati per caricabatterie EV di Adam Tech includono spine di tipo 1 e 2 con lunghezze di 3 m o 5 m e sono disponibili con gradi di protezione (IP) IP54 o IP55. Ad esempio, CA #EV03AT-004-5M è un connettore di tipo 2 con un cavo di 5 m e un grado di protezione IP55 (Figura 8). Ha cinque contatti di alimentazione e due di segnale ed è classificato a 480 V_c.a. a 16 A con un intervallo della temperatura di funzionamento da -30 a +50 °C.

Figura 8: I connettori CCS tipo 2 CA #EV03AT-004-5M sono classificati a 480 V_c.a. a 16 A (Immagine per gentile concessione di Adam Tech)

Considerazioni sulle specifiche CCS

Le caratteristiche meccaniche ed elettriche generali delle prese e dei connettori di ricarica per veicoli CCS sono standardizzate, ma i progettisti devono essere consapevoli di alcuni aspetti quando specificano questi dispositivi:

Gradi di protezione IP: questi gradi sono specificati in diversi modi: quando il cavo è collegato, quando è scollegato senza una copertura e quando è scollegato con una copertura. Alcune spine scoperte sono di grado IP20, il che significa che sono a prova di contatto e saranno resistenti alla polvere o all'intrusione di oggetti di dimensione superiore a 12 mm. Tuttavia, non hanno protezione dai liquidi e saranno suscettibili ai danni se entrano in contatto con spruzzi d'acqua. I gradi IP54, IP55 e IP65 sono comuni per le spine CCS quando sono coperte o quando sono inserite. IP65 ha un grado di impermeabilità maggiore rispetto a IP54, ma lo stesso grado di impermeabilità rispetto a IP55. Le unità IP54 e IP55 sono meno resistenti alla polvere rispetto alle unità IP65.

Intervallo della temperatura di funzionamento: non esiste uno standard per questa specifica. Intervalli da -30 a +50 °C e da -40 a +60 °C sono comuni, ma sono disponibili intervalli estesi ad esempio da -55 a +105 °C (come nel caso di 2267220-3 di TE Connectivity qui sopra).

Componenti per la misurazione della temperatura: questo è standardizzato per i contatti c.a. con dispositivi PTC e sui contatti c.c. con sensori Pt1000. La scheda tecnica può creare confusione. Le unità c.a. a volte indicano l'uso di "PTC" e a volte di una "catena PTC". La designazione corretta è "catena PTC", poiché è presente un PTC su ogni contatto. Se nella scheda tecnica si parla di un semplice "PTC", i progettisti devono verificare che si tratti di una "catena PTC". Nel caso del sensore Pt1000, alcune schede tecniche indicano un sensore Pt100, che è meno sensibile e non soddisfa gli standard CCS. È un errore comune chiamare un sensore Pt1000 un dispositivo Pt100 poiché '100' è molto più usato di '1000'. I progettisti devono appurare che si tratta effettivamente di Pt1000 e che ne è presente uno su ogni contatto.

Conclusione

La ricarica c.a. e c.c. rapida di BEV supporta le crescenti capacità delle batterie EV e la richiesta di autonomia di guida più estesa. La ricarica c.a. rapida è usata con i veicoli elettrici che percorrono distanze relativamente brevi. In alternativa, la ricarica c.c. rapida a più alta potenza, che può portare una batteria EV all'80% della carica completa in pochi minuti, supporta le esigenze di guida su lunghe distanze. Il CCS offre ai progettisti un modo sicuro, intelligente ed efficiente per combinare la ricarica c.a. e c.c. rapida in applicazioni automotive e non.

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1. Come implementare in modo rapido ed efficiente i sistemi di ricarica flessibile per i veicoli elettrici