E-Fahrzeuge ständig und überall laden

Um eine umfassende Ladeinfrastruktur für eine breite Akzeptanz von E-Fahrzeugen zu schaffen, sind viele unterschiedliche Ladegeräte und Leistungsstufen erforderlich. Das reicht 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, die den internen Ladeschaltkreis umgehen und die Batterien direkt laden. Zwischen diesen Extremen ist ein breites Spektrum an Ladeleistungen und Lademodi erforderlich, um das ständige Laden von E-Fahrzeugen an verschiedenen Orten zu ermöglichen.

Entwickler arbeiten an einer breiten Palette von Infrastrukturlösungen für Wohnhäuser und Privatwohnungen, Hotels, Geschäfte und Restaurants, Gewerbe- und Industrieanlagen, Parkhäuser, Tankstellen, Raststätten und andere Orte, damit E-Fahrzeuge bequem aufgeladen werden können. In einigen Fällen haben die Nutzer genügend Zeit und benötigen nur wenige Kilowatt Wechselstrom-Ladeleistung über einen längeren Zeitraum. In anderen Fällen wird die Zeit ein kritischer Faktor sein, und Nutzer benötigen hunderte Kilowatt Gleichstrom, um Elektrofahrzeuge innerhalb weniger Minuten aufzuladen.

Deshalb sind Steckverbinderoptionen nötig, 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, robust und einfach zu installieren, um den Herstellern von Elektrofahrzeugen gerecht zu werden. Die Ladegriffe und Stromzuführungen müssen die Anforderungen der Norm für kombinierte Ladesysteme (CCS), SAE J1772 und IEC 62196 erfüllen.

Der 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 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 sowie ein Flüssigkeitskühlsystem für HPC-Kabel und -Stecker.

In Nordamerika, Europa und China sind Normen für das Aufladen von Elektrofahrzeugen und entsprechende Stecker entstanden. 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 (Bild 1).

Neben den physikalischen Unterschieden zwischen CCS-Steckern Typ 1 und Typ 2 gibt es in Nordamerika und Europa auch unterschiedliche Lademodi. In den Modi mit geringerer Leistung kommt das im Elektrofahrzeug (EV) eingebaute Ladegerät zum Einsatz, 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 V Wechselstrom (V_ac), um bis etwa 1,9 kW zu liefern.
• Stufe 2 verwendet einphasigen Wechselstrom mit höherer Spannung von 208/240 V. Dieses sogenannte schnelle AC-Laden 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 A für maximal 240 kW ausgelegt. Modernere Ausführungen können 1 kV Gleichspannung (kV_DC) und 500 A für insgesamt 500 kW liefern.

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

• 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 ist das Kabel ebenfalls direkt an eine Steckdose angeschlossen, bietet aber zusätzlich einen integrierten Schutz, das sogenannte 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.

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 an den Kontakten von Hochleistungs-Ladegeräten sorgen für ein schnelles Ansprechen und ermöglichen dem System einen konstanten Betrieb bei hohen Leistungspegeln.

AC-Anschluss und Verkabelungsoptionen

Für Entwickler von AC-Ladesystemen bietet Phoenix Contact ein umfassendes Sortiment an universellen Ladeanschlüssen, die AC oder DC akzeptieren, sowie 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 zwei Meter langes Stromkabel und ein Meter lange Kabel für den Verriegelungsaktuator, den Temperatursensor und die Kommunikation. Dazu kommen Verriegelungsmechanismen, Temperatursensoren und Staubschutzkappen.

Beispiele für die Verwendung von Kabeln in Anwendungen gemäß IEC 62196-2- und SAE J1772 Typ 1:

• 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 empfiehlt sich das Modell 1271836, 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 kommt mit einem 25 Fuß langen Kabel, hat an einem Ende einen Anschluss zum Aufladen des Fahrzeugs und ist am anderen Ende offen für die dauerhafte Befestigung des Ladegeräts. Darüber hinaus verfügt es über eine PTC-Kette zur thermischen Überwachung und kann bis zu 20 kW einphasige Wechselstromleistung verarbeiten (Bild 2).

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 dreiphasigen Wechselstrom liefern, enthält Kontakte für HLC-Anschlüsse und ist 5 m lang.

Phoenix Contact bietet ein CCS-C-Produktsortiment an DC-Ladekabeln für Ladesysteme mittlerer Leistung und den Einsatz in Privathäusern, Wohnanlagen, Unternehmen und Parkhäusern an. 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 (Bild 3)

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 V_ac einphasig ausgelegt sind. Die DC-Kontakte sind mit zwei PT1000-Temperatursensoren ausgestattet, die AC-Kontakte mit einem PTC-Ketten-Thermofühler.

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_DC liefern 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 (Bild 4). Die Temperaturüberwachung erfolgt mit zwei NTCs für die DC-Kontakte und zwei NTCs für die DC-Stromleitungen im Kabel.

Zusätzlich bietet Phoenix Contact mit diesen DC-Ladekabeln auch eine eigenständige Kühleinheit für DC-Ladesysteme mit hoher Leistung an. Das System besteht aus einem drehzahlgeregelten Lüfter sowie einer Pumpe (Bild 5), die im Bereich von 0 bis 10 V_DC arbeiten. Dabei verbraucht der Lüfter maximal 1,97 A und 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.