כיצד להשתמש במגוון של מחברים לתמיכה בתשתית טעינה מקיפה עבור רכבים חשמליים (EV‏)

תשתית טעינה נפוצה תידרש כדי לתמוך בנחשול המתקרב של שימוש ברכבים חשמליים (EV‏). המתכננים מאותגרים לפתח מגוון רחב של פתרונות תשתית לשימוש בבתי מגורים, בתי מלון, חנויות ומסעדות, אתרי מסחר ותעשייה, חניונים, תחנות דלק, תחנות מנוחה ומקומות אחרים עבור טעינה זמינה-תמיד ונוחה של רכבים חשמליים (EV‏). במקרים מסוימים, למשתמשים יהיה את המותרות של זמן מספיק והם יצטרכו רק כמה קילוואט (kW) של הספק טעינה של זרם חילופין (AC) לאורך פרק זמן ממושך. בנסיבות אחרות, הזמן יהיה חשוב ביותר, והמשתמשים ידרשו מאות קילוואט של הספק זרם ישר (DC) כדי לטעון רכבים חשמליים בתוך דקות.

המתכננים זקוקים לאפשרויות מחברים שונות היכולות להתמודד עם AC בהספק נמוך, DC בהספק גבוה ובמגוון של רמות הספק ביניהם. מחברים אלה צריכים להיות ארגונומיים כדי לספק נוחות למשתמש, והם צריכים להיות חסונים ופשוטים להתקנה כדי לתמוך בצרכים של יצרני רכבים חשמליים עבור פתרונות יעילים, חסכוניים ואמינים. ידיות הטעינה ושקעי הספקת-הכוח חייבים לעמוד בדרישות של תקני מערכת טעינה משולבת (CCS‏), SAE J1772‏ ו-IEC 62196‏.

מאמר זה סוקר את הדרישות הטכניות עבור מטעני רכבים חשמליים במגוון של סביבות, ממטעני AC בהספק נמוך בבתי מגורים ועד לטעינה בהספק גבוה (HPC) במקומות מסחריים שונים, כולל הביצועים החשמליים, תקני הממשק והצורך בקירור נוזלי בהתקנות HPC‏. לאחר מכן הוא מציג מגוון של שקעי טעינה, ידיות טעינה ומערכות כבלים AC ו-DC של Phoenix Contact התומכים בצרכים של כל סוגי התכנים של מטעני EV‏, ביחד עם מערכת קירור נוזלי עבור כבלים ומחברים HPC.

תקני טעינת EV ומחברים מתאימים פותחו בצפון אמריקה, אירופה וסין. התקנים בצפון אמריקה ואירופה קשורים לשניהם על בסיס תקן מערכת טעינה משולבת (CCS) המשלב טעינת AC ו-DC בשקע יחיד ברכב. מחברי CCS סוג 1 נפוצים בצפון אמריקה ובקוריאה, ומחברי CCS סוג 2 נמצאים באירופה, המזרח התיכון, דרום אפריקה, דרום אמריקה, אוסטרליה, ניו זילנד ועוד כמה אזורים. סין הלכה בדרך משלה עם תקן GB/T הדורש שקעים נפרדים לטעינת AC ו-DC (איור 1).

איור 1: תקני טעינת EV פותחו על בסיס אזורי בצפון אמריקה, אירופה וסין. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

סוגי CCS

ישנן שתי גרסות של תקן CCS, סוג 1 וסוג 2. סוג 1 עומד בתקנים SAE J1772 ו-IEC 62196-3 ופותח עבור השוק בצפון אמריקה. המבנה של מחברי הטעינה AC ו-DC תואם לשקע רכב CCS נפוץ.

סוג 2 גם עומד בתקן IEC 62196-3 אך לא ב-SAE J1772. הוא פותח במקור באירופה ואומץ במספר אזורים, כפי שצוין לעיל. מחברי טעינה סוג 2 AC ו-DC תואמים גם לשקע רכב CCS‏ נפוץ.

תקן הטעינה GB/T 20234‏ משמש אך ורק בסין. במקרה זה למחברי AC ו-DC יש ממשקים שונים ומחייבים שימוש בשקעים נפרדים ברכב.

איור 2: דוגמאות של שקעי טעינת EV‏ CCS סוג 1 (שמאל), CCS סוג 2 (מרכז) ו-GB/T (ימין). (מקור התמונה: Phoenix Contact)

אופני טעינה

בנוסף להבדלים הפיזיים בין מחברי CCS סוג 1 וסוג 2, אופני טעינה שונים משמשים בצפון אמריקה ובאירופה. אופני הספק נמוך יותר משתמשים במטען EV שעל-הרכב בעוד שאופני הספק גבוה יותר מסתמכים על מטענים חיצוניים. בנוסף, רמות הספק גבוהות יותר יכולות להוות אתגרים תרמיים גדולים יותר ולהפיק תועלת מניטור טמפרטורה ברמת דיוק גבוהה יותר.

תקן SAE J1772 של צפון אמריקה מזהה שלושה אופנים או רמות:

• רמה 1 מיועדת בעיקר עבור בתי מגורים ומשתמשת ב-120 וולט AC‏ (Vac) כדי לספק עד כ-1.9 קילוואט (kW).
• מתח AC חד-פאזי גבוה יותר של 208/240 וולט משמש ברמה 2. זה נקרא "טעינת AC מהירה" והיא יכולה לספק kW‏ 19‏ בערך למטען EV שעל-הרכב.
• רמה 3 היא טעינת DC באמצעות מטען DC חיצוני. המפרט הבסיסי הוא עבור _DC‏V‏ 600‏ עד 400 אמפר (A) עבור מקסימום של kW‏ 240‏. תכנים מתקדמים יכולים לספק 1 קילו-וולט DC‏ (_DC‏kV‏) ו-A‏ 500‏ עבור kW‏ 500‏ בסך-הכול.

ארבעה אופני טעינה מוגדרים על ידי IEC 61851-1. אופנים 1, 2 ו-3 משתמשים במטען על-הרכב שב-EV‏:

• אופנים 1‏ ו-2 הם עבור טעינת AC‏ בהספק נמוך. כבלי אופן 1 נתקעים ישירות לשקע רשת החשמל AC‏, וההספק הזמין הוא מוגבל. כבלי אופן 2 נתקעים גם כן ישירות לרשת החשמל AC‏ אך הם מוסיפים התקן בקרה והגנה בתוך-הכבל כדי לספק עד kW‏ 15‏ עם AC תלת-פאזי בבטחה.
• אופן 3 הוא טעינת AC מהירה ומשתמש בתחנת טעינה כדי לספק עד kW‏ 120‏ של הספק AC. מטענים ברמה 3 יכולים אופציונלית לכלול פרוטוקול תקשורת ברמה-גבוהה (HLC‏) בין מקור הספקת-הכוח AC‏ החיצוני לבין המטען שעל-הרכב עבור בקרת טעינה.
• אופן 4 הוא טעינת DC מהירה ויכול לספק כמה מאות קילוואט ישירות לסוללה. HLC נדרש באופן 4 כדי לספק את המשוב הדרוש עבור בקרת המטען.

הגנה תרמית

הגנה תרמית מסופקת בכבלי מטען AC ו-DC כאחד. עבור טעינת AC עד A‏ 80‏, שרשרת תרמיסטור עם מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) היא הנפוצה. היא מורכבת משרשרת של התקנים, עם אחד בכל מגע. ניטור ערכי ההתנגדות מבטיח כיבוי בטוח אם יש חריגה מטמפרטורת הגבול.

חיישני Pt1000 עם דיוק גבוה יותר משמשים במגעים של מטענים בהספק גבוה כדי להבטיח תגובה מהירה ולאפשר למערכת לפעול באופן עקבי ברמות הספק גבוהות.

אפשרויות שקע AC‏ וכבלים

עבור מתכנני מערכות טעינת AC‏, Phoenix Contact מציעה מגוון שלם של שקעי טעינה אוניברסליים היכולים לקבל כניסות AC או DC, ושקעי AC-בלבד ייעודיים העומדים בדרישות עבור סוג 1 בצפון אמריקה וסוג 2 באירופה, והם מתאימים עבור רכבים שאינם דורשים טעינת DC. מכללים אלה כוללים כבל כוח באורך 2 מטר וכבלים באורך 1 מטר עבור מפעיל הנעילה, חיישן הטמפרטורה ותקשורת. יש להם מנגנוני נעילה, חיישני טמפרטורה וכיסויי אבק. דוגמאות לכבלים לשימוש ביישומי סוג 1‏ IEC 62196-2 ו-SAE J1772 כוללות:

• שקע טעינה לרכב דגם 1271960‏ יכול להתמודד עם עד kW‏ 12‏ של הספק AC חד-פאזי. שקע זה מדורג עבור 10,000 מחזורי תחיבה/הסרה.
• יישומי הספק גבוה יותר יכולים להשתמש בדגם 1271836‏, המדורג עד 20 קילוואט של הספק AC חד-פאזי. מפעיל נעילה וכיפה מגנה כלולים.

Phoenix Contact‏ מציעה גם מגוון של כבלי טעינת AC, כולל:

• דגם 1277166‏ עבור שימוש עם מטענים לרכב סוג SAE J1772 1. יש לו מחבר טעינה לרכב בקצה אחד והוא פתוח בצד השני עבור חיבור מטען קבוע. הוא כולל חישה תרמית של שרשרת PTC ויכול לטפל בעד kW‏ 20‏ של מתח AC חד-פאזי. הוא כולל כבל באורך 25 רגל (איור 3).
• כבל טעינת AC נייד דגם 1627692‏ עם מחבר טעינת רכב לכניסות מסוג 2 בקצה אחד ומחבר AC תשתית בצד השני לשימוש עם מטעני IEC 62196-2 סוג 2‏. מכלל כבלים זה יכול לספק עד kW‏ 26.6‏ של מתח AC תלת-פאזי, כולל מגעים עבור חיבורי HLC, ואורכו 5 מטר.

איור 3: מכלל כבל לטעינת AC ניידת מדורג עבור kW‏ 20‏. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

כבלי טעינה DC

Phoenix Contact‏ מציעה את CCS C-Line של כבלי טעינה DC עבור מערכות טעינה בהספק בינוני המשמשות בבתי מגורים פרטיים, מתחמי דירות, עסקים ומתקני חניה. כבלים אלו זמינים בתכני סוג 1 וסוג 2 ולמכללים יש מחבר טעינה לרכב עם חיישני טמפרטורה בקצה אחד וחיבורי כבל פתוח בצד השני. דוגמאות של תכני סוג 1 כוללות:

• דגם 1105880‏ באורך 5 מטר המדורג עבור kW‏ 40‏
• דגם 1236563‏ באורך 7 מטר המדורג עבור kW‏ 80‏ (איור 4)

איור 4: מחבר טעינת DC זה מדורג עבור kW‏ 80‏ ויש לו כבל של 7 מטר. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

שקע טעינה אוניברסלי

שקע טעינה אוניברסלי דגם 1210900‏ עובד עם מחברי AC‏ ו-DC‏ CCS‏ סוג 1‏, IEC 62196-2‏ ו-IEC 62196-3‏ המדורגים עד A‏ 200‏ ו-_DC‏kV‏ 1‏, או A‏ 80‏ ו-VAC‏ 250‏ חד-פאזי. למגעי ה-DC יש שני חיישנים תרמיים PT1000, ולמגעי ה-AC יש שיטת חישה תרמית של שרשרת PTC.

מערכת כבלים DC‏ kW‏ 500‏

המתכננים של מערכות טעינה HPC DC‏ 4‏ באופן הספק גבוה יכולים לפנות למערכת הכבלים 1085658‏ הכוללת מחבר רכב מקורר-נוזל וכבל היכולים לספק עד A‏ 500‏ ב-_DC‏kV‏ 1‏. הוא עומד בדרישות CSS‏ סוג 1‏, SAE J1772 ו-IEC 62196-3-1‏. המערכת כוללת חיישנים עבור ניטור טמפרטורה, ניתוקי כבלים וזליגות נוזל קירור (איור 5). ניטור טמפרטורה ממומש עם שני NTCs עבור מגעי DC ושני NTCs עבור חוטי הספק DC בכבל.

איור 5: מכלל כבל טעינה DC בהספק גבוה זה היא מערכת מורכבת. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

Phoenix Contact מציעה גם יחידת קירור עצמאית עם כבלי טעינת DC אלה. היא כוללת מאוורר ומשאבה במהירות משתנה כדי לספק קירור אופטימלי עבור מערכות טעינת DC בהספק גבוה (איור 6). המשאבה והמאוורר פועלים מ-_DC‏V‏ 0‏ עד _DC‏V‏ 10‏, כאשר המאוורר צורך מקסימום של A‏ 1.97‏, והמשאבה דורשת עד A‏ 1.8‏. תמיסת הקירור היא תערובת של %‏50 מים ו-%‏50 גליקול. הכבלים והחוטים הם באורך של 1.5 מטר. בשילוב עם כבלים 1085658, למערכת קיבולת קירור של W‏ 600‏ עבור כבלים של 3 מטר, W‏ 800‏ עבור כבלים של 4 מטר, W‏ 900‏ עבור כבלים של 5 מטר ו-W‏ 1,050‏ עבור כבלים של 6 מטר.

איור 6‏: מערכת קירור נוזלי עבור כבלי טעינה DC בהספק גבוה. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

סיכום

יש צורך במגוון רחב של סגנונות ורמות הספק של מטעני EV כדי לספק את תשתית הטעינה המקיפה עבור אימוץ EV נרחב. המתכננים חייבים לפתח תכני מטענים החל ממטענים בהספק נמוך של AC‏ kW‏ 1.9‏ המשתמשים במעגלים הפנימיים של מטען הסוללות של ה-EV, ועד למטעני DC‏ kW‏ 500‏ HPC‏ עם כבלים מקוררי-נוזל העוקפים את מעגלי הטעינה הפנימיים ומטעינים ישירות את הסוללות. בין הקצוות הללו יידרש מגוון רחב של רמות הספק ואופני טעינה של המטענים כדי לתמוך בטעינת EV זמינה-תמיד בבתי מגורים ובנייני דירות פרטיים, בתי מלון, חנויות ומסעדות, אתרי מסחר ותעשייה, חניונים, תחנות דלק, תחנות מנוחה ומיקומים אחרים.