כבלי CCS קומפקטיים מעניקים טעינת DC מהירה רמה 2

טעינה נוחה ואמינה נדרשת כדי למנוע את "חרדת הטווח" הקשורה לרכבים חשמליים (EVs). כדי לתמוך בצרכים אלה, מתכנני תשתיות ציוד EV‏ (EVSE‏) צריכים לכלול מגוון אפשרויות טעינה, לרבות מטענים מהירים בעוצמה בינונית, רמה 2, מטעני זרם-ישר (DC) מהירים באזורי מגורים, מסחר וקמעונאות היכולים לספק עד 80 אמפר (A); מטענים אולטרה-מהירים רמה 3 בעלי הספק גבוה היכולים לספק עד A‏ 500‏ DC; והספק נמוך יותר, רמה 1, בטעינת זרם חילופין (AC) עבור טעינת לילה וחירום.

עם זאת, טעינת DC של EV היא מורכבת. ה-EVSE צריך לנטר ברציפות את נעילת המחבר, בידוד המערכת, מתח הטעינה, זרם הטעינה וטמפרטורת המחבר. אם אחד מהפרמטרים הללו נופל מחוץ לגבולות המוגדרים שלו, ה-EVSE נכבה. כמו כן, תכנון, הרכבה והבטחת השלמות המכנית והחשמלית לטווח ארוך של כבל קומפקטי ומחבר עבור מטעני DC רמה 2 יכולים להיות מאתגרים. הכבל כולל 5 מוליכים: DC ,+DC-, תקשורת, מנטר נעילה והארקה מגנה. מוליכים אלה חייבים להיות מחוברים בצורה אמינה ל-EVSE בקצה אחד ולמחבר מערכת הטעינה הקומפקטית (CCS) בצד השני. אם אחד מהחיבורים הללו אינו תקין, סביר להניח שה-EVSE ידרוש עיבוד-חוזר יקר וגוזל-זמן כדי להבטיח פעולה אמינה.

כדי להתמודד עם החששות סביב הרכבה של מחברי CCS וכבלים עבור EVSEs רמה 2, המתכננים יכולים להשתמש במחברי CCS קומפקטיים מורכבים-מראש עם כבלים מחוברים. מכללי כבלים ומחברים אלו מיועדים לשימוש במקומות שבהם אין צורך בטעינת רמה 3, אך רמה 2 מהירה יותר מועדפת על פני רמה 1. כבלים אלה זמינים בסוג 1 עבור צפון אמריקה וסוג 2 עבור אירופה, כאשר סוג 1 עומד בדרישות של UL2251‏.

מאמר זה סוקר את ההבדלים בין מחברי וכבלים CCS‏ AC‏ ו-DC‏ ומשווה בין מחברי DC CCS רמה 2 ורמה 3 במונחים של גודל ונוחות. הוא דן גם במספר מקרי שימוש עבור מכללי כבלים CCS בהספק בינוני, ולאחר מכן מציג מכללי כבלים קומפקטיים סוג 1 וסוג 2 CCS של Phoenix Contact, ביחד עם המלצות התקנה.

ההבדל בין כבלי טעינת EV‏ AC ו-DC

כניסות הטעינה הסטנדרטיות של CCS מתוכננות לקבל מחברי טעינה AC ו-DC, והן מעניקות גמישות תוך פישוט תכן ה-EV. טעינת AC היא מטבעה בהספק נמוך יותר ומשתמשת בכבלים עם מחברים נתקעים בשני הקצוות (איור 1). עבור טעינת DC, הפועלת ברמות הספק גבוהות יותר, כבל הטעינה מחובר תמיד ל-EVSE בקצה אחד, עם מחבר בקצה השני שנתקע בשקע הרכב. בנוסף, למחברי DC יש מאפייני בטיחות שלא נמצאים במקבילי AC שלהם, כולל מנגנוני נעילה וניטור טמפרטורה.

איור 1: כבלים לטעינת DC מחוברים פרמננטית ל-EVSE ונתקעים לתוך שקע ה-EV‏. לכבלים עבור טעינת AC יש תקעים בשני הקצוות. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מחברי CCS עבור טעינת DC רמה 2 ורמה 3 עד 250 קילוואט (kW‏) דומים בגודלם וניתן להשתמש בהם בשקעי רכב נפוצים. ההבדל העיקרי הוא בקוטר הכבל שהוא גדול יותר ב-50% בערך עבור יחידות בדירוג של 250 קילוואט כדי לשאת את רמות ההספק הגבוהות יותר, יחד עם הגידול המקביל במשקל הכבל. כתוצאה מהכבל הקטן בהרבה, המחברים ומכללי הכבלים של רמה 2 המדורגים עד 80 קילוואט הם משמעותית קלי-משקל יותר וקלים יותר לטיפול. טעינת DC בהספק גבוה של עד 500 קילוואט או יותר דורשת שקע רכב שונה התומך בקירור נוזל, כמו גם מחבר וכבל גדולים יותר (טבלה 1).

טבלה 1: השוואת גודל מחברי וכבלי CCS סוג 2 עבור מטעני DC בדירוג של 80 קילוואט, 250 קילוואט ו-500 קילוואט. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מנגנוני נעילה משולבים במערכות מחברי טעינת CCS DC עבור בטיחות המשתמש ולהבטחת פעולה תקינה של ה-EVSE. נועלים אלה מתוכננים לעמוד בכוחות משיכה גבוהים, כך שזה זה כמעט בלתי אפשרי לנתק את המחבר בזמן טעינת ה-EV. מנגנון הנעילה במחברים סוג 1 הוא תפס ידני, כפי שמוצג באיור 2. במחברים סוג 2, הנעילה מתבצעת באמצעות בריח מתכת הנשלט אלקטרומגנטית. בשני המקרים מנגנון הנעילה מנוטר, ומצבו מועבר ל-EVSE באמצעות חיבור ייעודי.

איור 2: מחברי CCS סוג 1 כוללים תפס נעילה המופעל ידנית. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

חישת טמפרטורה משולבת נדרשת במחברי טעינה של CCS DC. עם ניטור טמפרטורה מדויק ישירות במגעי החשמל, ניתן לעצור או להאט את תהליך הטעינה במקרה של התחממות יתר כדי להגן על המשתמש מפני סכנה ועל ה-EVSE מפני נזק. מחברים אלה כוללים שני חיישני PT1000, אחד על כל מגע (איור 3). לחיישנים אלה יש התנגדות שעולה באופן ליניארי עם עליית הטמפרטורה, תוך פישוט ניטור הטמפרטורה. קריאת הטמפרטורה מועברת ל-EVSE דרך קו אות בכבל.

איור 3: חיישני טמפרטורה PT1000 נדרשים במגעי מחברי CCS כדי לנטר את טמפרטורת הפעולה ולעזור להבטיח טעינה בטוחה. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

חיבורים מאובטחים

החיבורים בתוך מחבר CCS הם חשובים במיוחד. החיבורים הפנימיים ל-EVSE אינם נתונים למאמצים מכניים משמעותיים, אך מחבר CCS יחובר וינותק על בסיס קבוע, וחיבורי הכבלים יהיו נתונים למאמצים חוזרים ונשנים (איור 4). כבלי מחברים המחוברים בצורה לא תקינה עלולים לגרום לפגיעה במגע בצורה של התנגדות מוגברת או איבוד חיבור הכבל, הגורם להתחממות-יתר או לאיבוד רגעי של חיבור של מוליך אחד או יותר. כבלי מחברים שהורכבו בצורה לא-מספקת יגרמו לאמינות מופחתת של מערכת הטעינה, אי שביעות רצון של המשתמשים והוצאות אחריות אפשריות עבור יצרני EVSE.

איור 4: הגודל הקטן של המחברים לטעינת DC בהספק בינוני הופך למאתגר את אבטחת חיבורי כבלים חסונים ואמינים. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מקרי שימוש רמה 2

טעינת DC רמה 2 צפויה להיות נפוצה כאשר יש צורך בהספק רב יותר ממה שניתן לספק באמצעות טעינת AC, ואין צורך בטעינה מהירה יותר של רמה 3. ה-EVSEs המשתמשים במחברים קומפקטיים אלה עומדים בתקני CCS, וגורם הצורה הקטן יותר משפר את הנוחות ואת קלות השימוש. הם צפויים להימצא במגוון של יישומים כולל:

אזורי מגורים בפרברים: מטעני DC רמה 2 משתמשים במתח AC‏ (Vac) של 240 וולט ויכולים להטעין מארז סוללות מהר יותר פי שלוש עד פי שבע לעומת מטען AC בסיסי רמה 1, בתלות ב-EV. יתרון נוסף הוא שבבתים עם פאנלים סולאריים, מטעני DC רמה 2 יכולים להעביר הספק DC ישירות מהמערך הסולארי, ובכך לחסוך את הפסדי ההספק בתהליך המרה. בעתיד, ככל שמערכות רכב-לרשת-החשמל (V2G) ורכב-לבית (V2H‏) יהפכו לנפוצות יותר, יהיו מטענים דו-כיווניים רמה 2 אשר ישלטו בזרימת ההספק ההפוכה, מהרכב לבית או לרשת החשמל.

דיור רב-משפחתי ועירוני: מתחמי דירות וקהילות בתים משותפים מספקים מטעני DC רמה 2 לתושבים ולמבקרים. בנוסף, טעינה הנקראת "זכות קדימה" באזורי מגורים עירוניים כוללת מטענים המשרתים מכוניות החונות ברחוב כאשר אין חניונים. בשני המקרים, המטען יכול לספק הכנסה לבעל ה-EVSE ונוחות לבעלי EV בשכונה.

מקומות ציבוריים שבהם מכוניות מתאספות: מטעני DC רמה 2 מותקנים במגוון הולך וגדל של מקומות ציבוריים כגון מרכזי קניות ובידור, בתי ספר ומכללות, מבני חניה, זירות ספורט, תחנות דלק ומוסכים לתיקוני רכבים. ככל שמכירות EV ממשיכות לעלות, מטעני DC רמה 2 נמצאים גם בסוכנויות רכב. מטענים אלה משמשים כדי לוודא שה-EVs‏ נטענים במלואם לפני המסירה ללקוחות או לטעינת EVs‏ שנותר לשרת.

פתרונות מחברי DC רמה 2

כאשר יש צורך בזרם טעינה של עד A‏ 80‏, מתכנני EVSE יכולים לפנות למכללי מחברים וכבלים קלי-המשקל לטעינת DC‏ CCS C-Line‏ של Phoenix Contact‏. אלו זמינים עם אורכי כבלים שונים עבור יישומים סוג 1 וסוג 2. לדוגמה, לכבל הטעינה 1236308 יש מחבר סוג 1 וכבל באורך של 4 מטר, ולכבל הטעינה 1236966 יש מחבר סוג 2 וכבל באורך 7 מטר. מחברים ארגונומיים אלה עומדים בכל תקני CCS עם גורם-צורה קטן כדי להקל על חיבורים וניתוקים מהירים לשימוש במגוון יישומי טעינה עם צריכת הספק נמוכה (איור 5). אם רוצים ניתן לספק להם לוגו חברה כדי לשפר את מיתוג ה-EVSE. למרות שהם קטנים בגודלם, הם בעלי ביצועים עיליים וכוללים:

• מגעים מצופי כסף עבור ביצועים ואמינות מיטביים
• חיישנים משולבים לניטור הטמפרטורה של מגעי הכוח, כמו גם מנגנוני נעילה משולבים, לפי תקן CCS
• תאימות לתקן DIN EN 50620‏, פלוס בידוד בשיחול (אקסטרוזיה) ומעטים בדירוג של עד 750 וולט לשימוש בסביבות קשות בעת חיבור ה-EVSE ל-EV
• תאימות לדרישות של תקני הרכב IATF 16949 ו-ISO 9001

איור 5: הצורה הארגונומית של מחברי CCS C-Line, פלוס הכבלים קלי-המשקל שלהם, מקלים על הטיפול והנוחות. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

שילוב EVSE

כדי לתמוך בשילוב של מכללי כבלים C-Line לתוך EVSEs‏, Phoenix Contact‏ מספקת למתכננים מחזיקי מחברים ובלוטות כבלים, כולל מחזיק המחברים 1624143‏ ובלוטת הכבלים 1424483‏ עבור מחברים סוג 1, ואת מחזיק המחברים 1624153 ובלוטת הכבלים 1411134 עבור מחברים סוג 2‏. התקנת מחזיקי מחברים בצד או בחזית ה-EVSE מספקת מקום מאובטח למחבר כאשר הוא אינו בשימוש. המחבר ננעל במקומו אך ניתן להסירו בקלות. למחזיק יש את הגמישות להרכבה עם נטייה קדמית של 0° עד °‏45‏. השימוש בבלוטת כבלים מגן על הכבל כשהוא עובר דרך דופן ה-EVSE, מגן על הכבל מפני נזק אם המשתמש מושך אותו, ומונע כניסת לכלוך ולחות ל-EVSE.

איור 6: מחזיק מחברים (משמאל) ובלוטת כבלים (מימין) עבור מחברים סוג 2 מקלים על השילוב של מחברי CCS C-Line ומכללי כבלים לתוך EVSEs. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

סיכום

טעינת DC רמה 2 יכולה לספק חלופה רבת-ערך לטעינת רמה 1‏ בהספק נמוך יותר. עם זאת, תכנון כבלים ומחברים לטעינת DC מגיע עם אתגרי ביצועים, בטיחות ורגולציה רבים. כפי שהוצג, על ידי שימוש במכללי כבלים/מחברים מן-המדף לטעינה רמה 2, המתכננים יכולים להתמודד במהירות עם רבים מהאתגרים הללו, יחד עם יתרונות מובנים כמו משקל קל יותר ותכן ארגונומי עבור קלות שימוש רבה יותר.

קריאה מומלצת

1. השימוש בממירי הספק ו- PFC דו-כיווניים לשיפור הנצילות ב- HEV‏, BEV‏ וברשת החשמל
2. כיצד לממש במהירות וביעילות מערכות טעינה גמישות של רכב חשמלי (EV)