Kabel- und Steckerkonstruktionen für Level-2-DC-Laden

Das Gleichstromladen von Elektrofahrzeugen (EVs) ist komplex. Das EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) muss kontinuierlich die Verriegelung des Steckers, die Systemisolierung, die Ladespannung, den Ladestrom und die Temperatur des Steckers überwachen. Wenn einer dieser Parameter außerhalb der festgelegten Grenzwerte liegt, schaltet sich das EVSE ab. Auch die Entwicklung, Montage und Gewährleistung der langfristigen mechanischen und elektrischen Integrität eines kompakten Kabels und Steckers für Level-2-Gleichstromladegeräte kann eine Herausforderung sein. Das Kabel besteht aus fünf Leitern: +DC, -DC, Kommunikation, Schlossüberwachung und Schutzerde. Diese Leiter müssen auf der einen Seite zuverlässig mit dem EVSE und auf der anderen Seite mit dem Stecker des CCS-Ladesystems verbunden sein. Wenn eine dieser Verbindungen fehlerhaft ist, muss das EVSE wahrscheinlich teuer und zeitaufwändig überarbeitet werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Um Bedenken hinsichtlich der Montage von CCS-Steckern und -Kabeln für Level-2-EVSEs auszuräumen, können Entwickler vorkonfektionierte kompakte CCS-Stecker mit angeschlossenen Kabeln verwenden. Diese Kabel und Steckverbinder sind für den Einsatz an Orten vorgesehen, an denen kein Level-3-Laden erforderlich ist, aber ein schnelleres Level-2-Laden dem Level-1-Laden vorgezogen wird. Die Kabel sind als Typ 1 für Nordamerika und Typ 2 für Europa erhältlich, wobei Typ 1 die Anforderungen der UL2251 erfüllt.

Die CCS-Standard-Ladebuchsen sind so konzipiert, dass sie sowohl AC- als auch DC-Ladestecker aufnehmen können, was für Flexibilität sorgt und gleichzeitig die Konstruktion von Elektrofahrzeugen vereinfacht. Das Laden mit Wechselstrom hat von Natur aus einen geringeren Stromverbrauch und verwendet Kabel mit steckbaren Anschlüssen an beiden Enden (Bild 1). Beim Gleichstromladen, das mit einer höheren Leistung arbeitet, ist das Ladekabel immer an einem Ende mit dem EVSE verbunden, während das andere Ende mit einem Stecker versehen ist, der in die Steckdose des Fahrzeugs eingesteckt wird. Darüber hinaus verfügen Gleichstrom-Steckverbinder über Sicherheitsmerkmale, die in ihren Wechselstrom-Gegenstücken nicht zu finden sind, darunter Verriegelungsmechanismen und Temperaturüberwachung.

Die CCS-Steckverbinder für die Gleichstromladung der Level 2 und 3 bis zu 250 kW sind ähnlich groß und können in einer gemeinsamen Fahrzeugsteckdose verwendet werden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Kabeldurchmesser bei Geräten mit einer Nennleistung von 250 kW um etwa 50 Prozent größer ausfallen muss, um die höhere Leistung zu übertragen, und dass das Kabelgewicht entsprechend steigt. Infolge des wesentlich kleineren Kabels sind die Level-2-Steckverbinder und -Kabelkonfektionen für bis zu 80 kW deutlich leichter und einfacher zu handhaben. Für das Aufladen mit Hochleistungs-Gleichstrom bis zu 500 kW oder mehr ist ein anderer Fahrzeugeinlass erforderlich, der eine Flüssigkeitskühlung unterstützt, sowie ein größerer Stecker und ein größeres Kabel (Tabelle 1).

CCS steht für "Combined Charging System" und ist ein offener Standard für die Ladung von Elektrofahrzeugen mit Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC). Der Standard wurde von verschiedenen Automobilherstellern und Energieversorgungsunternehmen gemeinsam entwickelt, um eine einheitliche und interoperable Plattform für die Ladung von Elektrofahrzeugen zu schaffen.

Das CCS-System kombiniert eine AC-Ladung (Wechselstrom) mit einer DC-Ladung (Gleichstrom) in einem einzigen Ladestecker und ermöglicht somit die Ladung von Elektrofahrzeugen an einer Vielzahl von Ladestationen mit unterschiedlichen Ladefähigkeiten. Das bedeutet, dass Fahrer von Elektrofahrzeugen nicht mehrere Ladekabel oder Adapter benötigen, um ihr Fahrzeug an verschiedenen Ladestationen aufzuladen.

Das CCS-System wird von vielen Elektrofahrzeugen unterstützt und ist in Europa zum Standard geworden. In den USA wird CCS auch von einigen Autoherstellern unterstützt, während andere Hersteller das CHAdeMO-System bevorzugen, das ebenfalls ein Standard für die Ladung von Elektrofahrzeugen ist, aber nur DC-Ladungen unterstützt.

In die CCS-DC-Ladesteckvorrichtungen sind Verriegelungsmechanismen integriert, um die Sicherheit der Benutzer und den ordnungsgemäßen Betrieb des EVSE zu gewährleisten. Diese Verriegelungen sind so konstruiert, dass sie hohen Auszugskräften standhalten, so dass es nahezu unmöglich ist, den Stecker zu lösen, während das Fahrzeug geladen wird. Der Verriegelungsmechanismus bei Steckverbindern des Typs 1 ist ein manueller Clip, wie in Bild 2 dargestellt. Bei Steckverbindern des Typs 2 erfolgt die Verriegelung durch einen elektromagnetisch gesteuerten Metallbolzen. In beiden Fällen wird der Verriegelungsmechanismus überwacht, und sein Zustand wird dem EVSE über eine spezielle Verbindung mitgeteilt.

In CCS-DC-Ladesteckern ist eine integrierte Temperaturerfassung erforderlich. Durch die präzise Temperaturüberwachung direkt an den Stromkontakten lässt sich der Ladevorgang bei Überhitzung stoppen oder verlangsamen, um den Nutzer vor Gefahren und das EVSE vor Schäden zu schützen. Die Anschlüsse enthalten zwei PT1000-Sensoren, einen an jedem Kontakt (Bild 3). Die Sensoren haben einen Widerstand, der linear mit der Temperatur ansteigt, was die Temperaturüberwachung vereinfacht. Die Temperatur wird über eine Signalleitung im Kabel an das EVSE übermittelt.

Die Verbindungen im Inneren des CCS-Steckers sind besonders wichtig. Sie sind keinen nennenswerten mechanischen Belastungen ausgesetzt, aber der CCS-Stecker wird regelmäßig gesteckt und getrennt, und die Kabelverbindungen sind wiederholten Belastungen ausgesetzt. Unsachgemäß befestigte Anschlusskabel können zu einer Verschlechterung des Kontakts in Form eines erhöhten Widerstands oder eines Verlusts der Kabelbefestigung führen, was zu einer Überhitzung oder einem vorübergehenden Verlust der Verbindung eines oder mehrerer Leiter führt. Unzureichend konfektionierte Anschlusskabel führen zu einer geringeren Zuverlässigkeit des Ladesystems.

Anwendungsfälle für Level 2

Die Gleichstromladung der Stufe 2 wird sich voraussichtlich dort durchsetzen, wo mehr Strom benötigt wird, als durch die Wechselstromladung geliefert werden kann, und eine schnellere Ladung der Stufe 3 nicht erforderlich ist. Die EVSEs mit diesen kompakten Steckern erfüllen die CCS-Normen, und der kleinere Formfaktor erhöht den Komfort und die Benutzerfreundlichkeit. Es wird erwartet, dass sie in einer Reihe von Anwendungen zu finden sind, darunter:

Vorstädtische Wohngebiete: Gleichstrom-Ladegeräte der Stufe 2 verwenden 240-V-Wechselstrom und können ein Akkupaket je nach Fahrzeug drei- bis siebenmal schneller aufladen als ein einfaches Wechselstrom-Ladegerät der Stufe 1. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass Level-2-Gleichstromladegeräte bei Häusern mit Sonnenkollektoren Gleichstrom direkt von der Solaranlage übertragen können, wodurch Umwandlungsverluste vermieden werden. Mit der zunehmenden Verbreitung von V2G- (Vehicle-to-Grid) und V2H-Systemen (Vehicle-to-Home) werden in Zukunft bidirektionale Level-2-Ladegeräte verfügbar sein, die den Rückwärts-Stromfluss vom Fahrzeug zum Haus oder zum Netz steuern.

Mehrfamilienhäuser und Stadt: Apartmentkomplexe und Wohngemeinschaften stellen Level-2-DC-Ladegeräte für Bewohner und Besucher bereit. Darüber hinaus umfasst das so genannte Vorfahrt-Laden in städtischen Wohngebieten Ladegeräte für auf der Straße geparkte Autos, wenn keine Garagen zur Verfügung stehen. In beiden Fällen kann die Ladestation eine Einnahmequelle für den EVSE-Besitzer und eine Erleichterung für die EV-Besitzer in der Nachbarschaft darstellen.

Öffentliche Orte, an denen sich Autos ansammeln: Gleichstrom-Ladegeräte der Stufe 2 werden an immer mehr öffentlichen Orten installiert, z. B. in Einkaufs- und Unterhaltungszentren. Da die Verkaufszahlen von EVs weiter steigen, finden sich Level-2-DC-Ladegeräte auch in Autohäusern. Diese Ladegeräte kommen zum Einsatz um sicherzustellen, dass die E-Fahrzeuge vor der Auslieferung an die Kunden vollständig aufgeladen sind, und um E-Fahrzeuge aufzuladen, die zur Wartung abgegeben werden.

Wenn ein Ladestrom von bis zu 80 A benötigt wird, können EVSE-Konstrukteure auf die leichten CCS-C-Line-DC-Ladesteckverbinder und Kabelkonfektionen von Phoenix Contact zurückgreifen. Sie sind mit verschiedenen Kabellängen für Typ-1- und Typ-2-Anwendungen erhältlich. So hat beispielsweise das Ladekabel 1236308 einen Stecker vom Typ 1 und ein Kabel mit einer Länge von 4 m, und das Ladekabel 1236966 hat einen Stecker vom Typ 2 und ein Kabel mit einer Länge von 7 m. Diese ergonomischen Steckverbinder erfüllen alle CCS-Standards in einem kleinen Formfaktor, um ein schnelles Anschließen und Trennen für den Einsatz in einer Reihe von Ladeanwendungen mit niedrigem Stromverbrauch zu ermöglichen (Bild 4). Auch wenn sie klein sind, sind sie leistungsstark und umfassen:

• Versilberte Kontakte für gute Leistung und Zuverlässigkeit
• Integrierte Sensoren zur Überwachung der Temperatur der Stromkontakte sowie integrierte Verriegelungsmechanismen nach CCS-Standard
• Einhaltung der DIN EN 50620 sowie extrudierte Isolierung und Ummantelung bis 750 V für den Einsatz in rauen Umgebungen beim Anschluss des EVSE an das EV
• Kompatibilität mit den Anforderungen der Automobilnorm IATF 16949 und ISO 9001

Um die Integration von C-Line-Kabelkonfektionen in EVSEs zu unterstützen, bietet Phoenix Contact den Entwicklern Steckverbinderhalter und Kabelverschraubungen an, einschließlich des Steckverbinderhalters 1624143 und der Kabelverschraubung 1424483 für Typ-1-Steckverbinder sowie des Steckverbinderhalters 1624153 und der Kabelverschraubung 1411134 für Typ-2-Steckverbinder (Bild 5). Die Installation von Steckerhaltern an der Seite oder der Vorderseite der EVSE bietet einen sicheren Platz für einen Stecker, wenn er nicht benutzt wird. Der Stecker rastet ein, lässt sich aber leicht entfernen. Der Halter kann mit einer Neigung von 0˚ bis 45˚ nach vorne montiert werden. Die Verwendung einer Kabelverschraubung schützt das Kabel, wenn es durch die Wand des EVSE geführt wird, schützt das Kabel vor Schäden, wenn der Benutzer daran zieht, und verhindert das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in das EVSE.

Das Laden mit Gleichstrom der Stufe 2 kann eine wertvolle Alternative zum Laden mit geringerer Leistung der Stufe 1 darstellen. Die Entwicklung von Gleichstrom-Ladekabeln und -Steckern ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen in Bezug auf Performance, Sicherheit und gesetzliche Vorschriften verbunden. Wie gezeigt, können Entwickler durch die Verwendung von handelsüblichen Kabel-/Steckerkonstruktionen für Level-2-Ladevorgänge viele dieser Herausforderungen schnell bewältigen und gleichzeitig Vorteile wie ein geringeres Gewicht und ein ergonomisches Design für eine bessere Benutzerfreundlichkeit nutzen. (na)

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