השתמשו במחברי CCS כדי לפשט את המימוש של מערכות טעינה מהירה של EV בבטחה

השימוש בכלי רכב חשמליים (EVs) הולך וגדל על פני מגוון של יישומים, מחקלאות ועיריות ועד לצרכנים, במידה רבה הודות להפחתה המתמשכת של "חרדת הטווח". בעוד שטכנולוגיות סוללה מתקדמות מאפשרות קיבולת סוללה גבוהה יותר ליחידת נפח - ולפיכך טווחי נסיעה ארוכים יותר - התועלת של התקדמות כזו היא מוגבלת אם לוקח יותר מדי זמן להטעין את הסוללה. זה הכריח את חברות הרכב וספקי הרכיבים שלהן לאמץ במהירות מתודולוגיות טעינה מהירה.

אחד הרכיבים הקריטיים בטעינה הם המחברים. כעת הם חייבים להיות מסוגלים להתמודד עם עד 500 קילוואט (kW‏) בעד 1,000 וולט DC, תוך שימוש גם במקורות AC. הם חייבים גם לעמוד בדרישות של IEC 62196‏ ו-SAE J1772 לטעינה מהירה, בטוחה וחכמה. כדי לספק את כל דרישות מערכות כלי-רכב ולא-כלי-רכב, מתכנני מערכות BEV יכולים לפנות למחברים העומדים במפרטי מערכת הטעינה המשולבת (CCS).

מאמר זה סוקר את רמות ומצבי הטעינה הבסיסיים של EV, ולאחר מכן עובר לדרישות עבור מחברי CCS, כולל השוואה של מחברי CCS‏ Type 1‏, CCS‏ Type 2‏ ומחברי GB/T סיניים. המאמר מסכם בסקירת יכולות מורחבות המוצעות על ידי ספקים מסוימים, כגון תחומי טמפרטורות פעולה רחבים יותר ודירוגי הגנת חדירות (IP) גבוהים יותר, תוך שימוש בדוגמאות של מחברי CCS מבית Phoenix Contact‏, TE Connectivity‏ ו-Adam Tech‏.

מערכת טעינה משולבת EV

כניסת CSS בכלי-רכב מתוכננת לקבל מחברי מתח AC ו-DC כאחד. טעינה מהירה AC מועילה כאשר חונים לתקופות ממושכות במוסך או בחניון, וטעינת DC מהירה משמשת כאשר חונים לתקופות קצרות בחנויות, תחנות מנוחה ותחנות טעינה ייעודיות (איור 1).

איור 1: כניסת CCS אחת ברכב יכולה לתמוך בטעינה מהירה של AC ו-DC. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

רמות ואופני טעינת EV

סיווגי טעינת EV כוללים רמות טעינה, אופני טעינה, תיבות חיווט, ובמקרה של CCS, סוגי מחברי טעינה. בארה"ב, SAE J1772 מכיר בשלוש רמות טעינה:

• רמה 1 משתמשת במתח _AC‏V‏ 120 למגורים ומוגבל לכ-kW‏ 1.9. רמה 1 היא איטית.
• טעינה ברמה 2 משתמשת במתח חד פאזי של _AC‏V‏ 208/240‏. היא יכולה לספק עד כ-kW‏ 19 ממקור של _AC‏V‏ 240‏. רמה 2 היא "טעינת AC מהירה" וטוענת פי שלוש עד פי שבע מהר יותר מרמה 1. רמות 1 ו-2 מספקות את מטען EV‏ על-הרכב.
• רמה 3 היא טעינת DC מהירה ומשתמשת במטען DC חיצוני כדי לספק _DC‏V‏ 600‏ ב-400 אמפר (A) עבור הספק כולל של kW‏ 240‏. מטעני DC מהירים מתקדמים יכולים לספק kW‏ 500‏ (_DC‏V‏ 1,000‏ ב- A‏ 500‏).

באירופה, IEC 61851-1‏ מגדיר ארבעה מצבים של טעינת EV:

• טעינת אופן 1 משתמשת בכבל פשוט המחובר ישירות לשקע AC. הוא בעל הספק נמוך ומשתמשים בו לעתים רחוקות.
• אופן 2 מתחבר גם כן ישירות לשקע AC אך מוסיף הגנה משולבת, הנקראת התקן בקרה והגנה בתוך-הכבל (IC-CPD). אופן 2 הוא בטוח יותר מאופן 1, אך תומך רק בטעינה של עד כ-kW‏ 15‏ בהספקת-כוח תלת-פאזית.

אופנים 3 ו-4 הם של טעינה מהירה:

• אופן 3 משתמש בתחנת טעינה ייעודית (נקראת גם ציוד הספקת-כוח EV, או EVSE) כדי לספק עד AC‏ kW‏ 120‏. אופנים 1, 2 ו-3 משתמשים כולם במטען שבתוך-רכב ה-EV כדי לבקר את טעינת הסוללה.
• אופן 4 מתייחס לטעינת DC מהירה. מטען EV בתוך-הרכב נעקף וה-EVSE מספק כוח ישירות לסוללה באמצעות מחבר DC. ניתן לספק כמה מאות קילוואט באופן 4. בעוד שמשוב אנרגיה באמצעות פרוטוקול תקשורת ברמה גבוהה (HLC) ובקרת טעינה אפשרי באופן 3, הוא נדרש באופן 4.

סוגי חיבורים, אופנים ומקרי שימוש

CCS הוא תקני ב-SAE J1772 עם מחבר Type 1‏ בצפון אמריקה, וב-IEC 62196 הוא עם מחבר Type 2‏ באירופה. ממשק HCL בין ה-EV ל-EVSE מבוסס על ISO/IEC 15118 ו-DIN SPEC 70121‏. ישנם שלושה חיבורים אפשריים של EV-להספקת-הכוח; מקרי שימוש A‏, B‏ ו-C‏.

במקרה שימוש A, הכבל מחובר באופן קבוע ל-EV, ומחובר למקור הספקת-הכוח לפי הצורך. מקרה שימוש A אינו בשימוש ב-CCS. מקרי שימוש B ו-C משמשים עם CCS, ועם התקן הסיני המקביל שנקרא GB/T (איור 2). כאשר כבל הכוח ניתן להסרה בשני הקצוות, זהו מקרה שימוש B. אם הכבל מחובר באופן קבוע ל-EVSE, זהו מקרה שימוש C. אופן טעינה 3 יכול להשתמש במקרי שימוש B או C. אופן טעינה 4 משמש רק במקרה שימוש C.

איור 2: השוואה בין סוגי מחברים, אופנים ומקרי שימוש CCS‏ Type 1‏ (צפון אמריקה), Type 2‏ (אירופה) ו- GB/T‏ (סין). (מקור התמונה: Phoenix Contact)

ניטור טמפרטורה וקירור אקטיבי

ניטור טמפרטורת המגע הוא חשוב במערכות טעינה מהירה. בהתאם ל-IEC 62196, עליית הטמפרטורה במגעים אסור שתעלה על 50°C. ממשק HCL‏ בין ה-EV ל-EVSE משמש להעברת נתוני הטמפרטורה. אם הטמפרטורה עולה יותר מדי, ה-EVSE יאט או יפסיק את הטעינה. במקרה של מחברי CCS עבור טעינת AC, תרמיסטורים עם מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) מנטרים את הטמפרטורה, כנדרש על ידי DIN 60738‏. אם המחבר מתחמם יותר מדי, הטעינה נפסקת (איור 3). עבור טעינת DC מהירה, DIN 60751‏ דורש שני חיישני Pt1000‏, אחד על כל מגע. ל-Pt1000 יש התנגדות שעולה באופן ליניארי עם עליית הטמפרטורה.

איור 3: חיישן טמפרטורה PTC מפסיק את טעינת AC כדי למנוע מהטמפרטורה לחרוג מהרמות הבטוחות (משמאל). עבור טעינת DC מהירה, חיישן Pt1000 מאפשר ניטור רצוף של הטמפרטורה (מימין). (מקור התמונה: Phoenix Contact)

ניטור טמפרטורה, יחד עם קירור אקטיבי, נחוץ במערכות המספקות זרמי טעינה של מעל A‏ 250‏ (איור 4). עם תכן קירור אקטיבי, מחברי CCS יכולים לספק עד kW‏ 500‏ ( A‏ 500‏ כ-_DC‏V‏ 1,000‏). במקרה בו טמפרטורת הסביבה עולה באופן בלתי צפוי או מתפתח מצב של עומס-יתר, ניטור הטמפרטורה מאפשר למערכת להגביר את קצב הקירור או להקטין את קצב הטעינה כדי לשמור על עליית טמפרטורת מגעי המחבר מתחת לגבול המפרט של 50°C+.

איור 4: קירור אקטיבי בשילוב עם חישת טמפרטורה יכול לתמוך בטעינה מלאה של A‏ 500‏ ולשמור על עליית טמפרטורת המחבר מתחת ל-50°C+. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מנגנוני נעילה משולבים

בתוך מערכות מחברי CCS‏ משולבים מנגנוני נעילה. מנגנון הנעילה במחברים Type 1‏ הוא מנגנון הצמדה ידני. במחברים Type 2‏, הנעילה מתבצעת באמצעות בורג מתכת המופעל אלקטרומגנטית (איור 5). המנעול מבוקר ומצבו מועבר ל-EVSE באמצעות חיבור נפרד.

איור 5: כניסות רכב CCS מצוידות בבורג נעילה מבוקר אלקטרומכנית (ליד החיצים האדומים, למעלה משמאל) המתוכנן לעמידה בכוח משיכה-החוצה חזק. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

כניסות ומחברים Type 1‏ ו- Type 2‏

לכניסות הטעינה CCS‏ CHARX מבית Phoenix Contact יש חתכי-רוחב של כבל DC של עד 95 מילימטרים רבוע היכולים לתמוך בקצבי טעינה של עד kW‏ 500‏. דגם 1194398 יכול לספק טעינה של kW‏ 125 בפעולה רגילה ועד kW‏ 250 באופן Boost‏ (איור 6). כניסת CCS Type 1‏ זו מתוכננת עבור שימוש באופני טעינה 2, 3 ו-4. היא כוללת חיישן טמפרטורת שרשרת PTC במגעי AC וחיישני Pt1000 במגעי DC.

איור 6: כניסת טעינת רכב Type 1‏ CCS‏ דגם 1194398 עבור טעינת AC או DC יכולה לספק kW‏ 125 בפעולה רגילה ועד kW‏ 250 באופן Boost‏. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

עבור צורכי הספק גבוהים יותר, כניסת טעינת רכב 1162148 מבית Phoenix Contact תומכת בקצבי טעינה של kW‏ 500‏ באופן פרץ (Burst‏) ו- kW‏ 250‏ בפעולה באופן רגיל. העברת אותות דיגיטליים באמצעות אפנון רוחב פולס (PWM) ממומשת באמצעות תקשורת על קווי-כוח בהתאם ל-ISO/IEC 15118 ו-DIN SPEC 70121. יש לה תחום טמפרטורות פעולה של 40°C- עד 60°C+.

יישומים הזקוקים לתקע AC‏ Type 1‏ CCS‏ עבור טעינה ברמה 2 יכולים להשתמש במחבר דגם 2267220-3 מבית TE Connectivity AMP (איור 7). מדורג עבור _AC‏V‏ 240‏ ו-A‏ 32‏, למחבר זה יש שלושה מגעי כוח ושני מגעי אותות. יש לה תחום טמפרטורות פעולה מורחב של 55°C- עד 105°C+ ו-10,000 מחזורי חיבור-ניתוק.

איור 7: מחבר טעינת EV‏ Type 1‏ CCS המציג את מערכת הנעילה הידנית המשולבת (בצד שמאל של המחבר). (מקור התמונה: TE Connectivity)

מכללי כבלי טעינה EV של Adam Tech כוללים תקעים Type 1‏ ו-Type 2‏ עם אורך כבל של 3 מטר (9.84 רגל (ft‏)) או 5 מטר (16.4 רגל), והם זמינים עם דירוגי הגנת חדירות (IP) של IP54 או IP55. לדוגמה, ה-CA #EV03AT-004-5M הוא מחבר Type 2‏ עם כבל באורך 5 מטר ודירוג IP55 (איור 8). יש לו חמישה מגעי כוח ושני מגעי אותות והוא מדורג ל-_AC‏V‏ 480‏ ב-A‏ 16‏ עם תחום טמפרטורות פעולה של 30°C- עד 50°C+.

איור 8: מחבר Type 2‏ CA #EV03AT-004-5M CCS‏ מדורג ל-_AC‏V‏ 480‏ ב-A‏ 16‏. (מקור התמונה: Adam Tech)

שיקולי מפרט CCS

המאפיינים המכניים והחשמליים הכוללים של כניסות ומחברי טעינה לרכב CCS הינם סטנדרטיים, אך ישנם מספר תחומים שהמתכננים צריכים להיות מודעים אליהם בעת הגדרת המפרט של התקנים אלה:

דירוגי IP: דירוגים אלה מוגדרים עבור מספר מצבים; מחובר לחשמל, מנותק ללא-כיסוי ומנותק עם-כיסוי. כמה תקעים ללא-כיסוי מדורגים ל-IP20, כלומר הוא חסין-לנגיעה ויהיה עמיד מפני אבק או עצמים שגודלם מעל 12 מ"מ. עם זאת, אין לו הגנה מפני נוזלים והוא יהיה רגיש לנזקים אם הוא בא במגע עם תרסיסי מים. דירוגי IP54, IP55 ו-IP65 נפוצים עבור תקעי CCS כשהם מכוסים או כשהם מחוברים לחשמל. ל-IP65 יש דירוג חסינות-מים גבוה יותר בהשוואה ליחידות IP54, אך אותה דרגת חסינות-מים בהשוואה ליחידות IP55. ליחידות IP54 ו-IP55 יש פחות חסינות אבק בהשוואה ליחידות IP65.

טווח טמפרטורת הפעלה: אין תקן עבור מפרט זה. תחומים כגון 30°C- עד 50°C+‏ ו-C‏°‏40‏- עד 60°C+‏ הם נפוצים, אך תחומים מורחבים כגון 55°C- עד 105°C+ קיימים (ראו 2267220-3 מבית TE Connectivity‏ לעיל.

רכיבי מדידת טמפרטורה: סטנדרטיים עבור מגעי AC המשתמשים בהתקני PTC ובמגעי DC עם חיישני Pt1000. הניסוח של גיליון הנתונים יכול להיות מבלבל כאן. ביחידות AC משתמשים לפעמים ב-'PTC' ולפעמים 'שרשרת PTC'. הניסוח הנכון הוא 'שרשרת PTC' מכיוון שיש PTC על כל מגע. אם מופיע 'PTC' פשוט בגיליון הנתונים, המתכננים צריכים לוודא שמשתמשים ב'שרשרת PTC'. במקרה של חיישן Pt1000, בגיליונות נתונים מסוימים מופיע חיישן Pt100 שהוא פחות רגיש ואינו עומד בתקני CCS. זוהי שגיאה נפוצה לקרוא לחיישן Pt1000 התקן Pt100 מכיוון שה-'100' נמצא בשימוש נרחב הרבה יותר מאשר '1000'. המתכננים צריכים לוודא שזה אכן Pt1000 ושיש אחד בכל מגע.

סיכום

טעינה מהירה של AC ו-DC‏ BEV‏ תומכת בקיבולת ההולכת וגדלה של סוללות EV ובדרישה לטווחי נסיעה מורחבים. טעינה מהירה AC משמשת ברכבי EV שנוסעים למרחקים קצרים יחסית. לחלופין, טעינה מהירה DC עם הספק גבוה יותר, שיכולה להביא סוללת EV ל-80% מטעינה מלאה תוך דקות ספורות, תומכת בצרכים של נהיגה למרחקים ארוכים. ה-CCS מציע למתכננים דרך בטוחה, חכמה ויעילה לשלב טעינה מהירה AC ו-DC ביישומים לכלי-רכב ולא-לכלי-לרכב.

קריאה מומלצת

1. כיצד לממש במהירות וביעילות מערכות טעינה גמישות של רכב חשמלי (EV)