สายเคเบิล CCS ขนาดกะทัดรัดให้การชาร์จ DC ที่รวดเร็วระดับ 2

จำเป็นต้องมีการชาร์จที่สะดวกและเชื่อถือได้เพื่อขจัด "ความวิตกกังวลเกี่ยวกับระยะ" ที่เกี่ยวข้องกับรถยนต์ไฟฟ้า (EV) เพื่อรองรับความต้องการเหล่านั้น นักออกแบบโครงสร้างพื้นฐานอุปกรณ์บริการ EV (EVSE) จำเป็นต้องมีตัวเลือกการชาร์จที่หลากหลาย รวมถึงพลังงานปานกลาง ระดับ 2 เครื่องชาร์จไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่รวดเร็วในการตั้งค่าที่อยู่อาศัย เชิงพาณิชย์ และค้าปลีก ที่สามารถส่งมอบได้ถึง 80 แอมแปร์ (A); พลังงานสูงระดับ 3 เครื่องชาร์จเร็วพิเศษที่สามารถจ่ายไฟสูงถึง 500 A DC; และพลังงานที่ต่ำกว่าระดับ 1 การชาร์จกระแสสลับ (AC) สำหรับการชาร์จข้ามคืนและการชาร์จฉุกเฉิน

อย่างไรก็ตาม การชาร์จไฟฟ้ากระแสตรงของ EV นั้นซับซ้อน EVSE จำเป็นต้องตรวจสอบการล็อคตัวเชื่อมต่อ การแยกระบบ แรงดันการชาร์จ กระแสการชาร์จ และอุณหภูมิตัวเชื่อมต่ออย่างต่อเนื่อง หากพารามิเตอร์ใดเกินขีดจำกัดที่กำหนดไว้ EVSE จะปิดตัวลง นอกจากนี้ การออกแบบ ประกอบ และรับประกันความสมบูรณ์ทางกลไกและทางไฟฟ้าในระยะยาวของสายเคเบิลและขั้วต่อขนาดกะทัดรัดสำหรับเครื่องชาร์จ DC ระดับ 2 อาจเป็นสิ่งที่ท้าทาย สายเคเบิลประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้า 5 ตัวคือ +DC, -DC, การสื่อสาร, ล็อคมอนิเตอร์ และสายดินป้องกัน ตัวนำเหล่านี้ต้องเชื่อมต่อกับ EVSE อย่างน่าเชื่อถือที่ปลายด้านหนึ่งและขั้วต่อระบบชาร์จแบบกะทัดรัด (CCS) ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง หากการเชื่อมต่อเหล่านี้มีข้อบกพร่อง อาจต้องมีการซ่อม EVSE ซึ่งมีราคาแพงและใช้เวลานานเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้

เพื่อจัดการกับข้อกังวลเกี่ยวกับการประกอบคอนเน็กเตอร์ CCS และสายเคเบิลสำหรับ EVSE ระดับ 2 นักออกแบบสามารถใช้คอนเน็กเตอร์ CCS ขนาดกะทัดรัดที่ประกอบสำเร็จแล้วพร้อมสายเคเบิลที่ต่ออยู่ ชุดสายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ออกแบบมาเพื่อใช้ในสถานที่ที่ไม่จำเป็นต้องชาร์จระดับ 3 แต่ต้องการระดับ 2 ที่เร็วกว่ามากกว่าระดับ 1 สายเคเบิลเหล่านี้มีจำหน่ายในประเภท 1 สำหรับอเมริกาเหนือและประเภท 2 สำหรับยุโรป โดยประเภทที่ 1 เป็นไปตามข้อกำหนดของ UL2251

บทความนี้ทบทวนข้อแตกต่างระหว่างตัวเชื่อมต่อ AC และ DC CCS และสายเคเบิล และเปรียบเทียบตัวเชื่อมต่อ DC CCS ระดับ 2 และ 3 ในแง่ของขนาดและความสะดวก นอกจากนี้ยังกล่าวถึงกรณีการใช้งานต่าง ๆ สำหรับการประกอบสายเคเบิล CCS กำลังปานกลาง จากนั้นจึงนำเสนอชุดสายเคเบิลขนาดกะทัดรัด Type 1 และ Type 2 CCS จาก Phoenix Contact พร้อมคำแนะนำในการติดตั้ง

ความแตกต่างระหว่างสายชาร์จ AC และ DC EV

ช่องชาร์จมาตรฐาน CCS ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับทั้งขั้วต่อการชาร์จ AC และ DC ให้ความยืดหยุ่นในขณะที่ออกแบบ EV ให้เรียบง่าย การชาร์จแบบ AC มีกำลังไฟต่ำกว่าโดยธรรมชาติ และใช้สายเคเบิลที่มีขั้วต่อแบบเสียบได้ทั้งสองด้าน (ภาพที่ 1) สำหรับการชาร์จแบบ DC ซึ่งทำงานที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น สายชาร์จจะเชื่อมต่อกับ EVSE ที่ปลายด้านหนึ่งเสมอ โดยมีขั้วต่อที่ปลายอีกด้านที่เสียบเข้ากับเต้ารับของรถ นอกจากนี้ ขั้วต่อ DC ยังมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่ไม่พบในอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ รวมถึงกลไกการล็อคและการตรวจสอบอุณหภูมิ

รูปที่ 1: สายเคเบิลสำหรับการชาร์จ DC ติดอยู่กับ EVSE อย่างถาวรและเสียบเข้ากับเต้ารับ EV สายเคเบิลสำหรับชาร์จ AC มีปลั๊กที่ปลายทั้งสองข้าง (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

ขั้วต่อ CCS สำหรับ DC ระดับ 2 และระดับ 3 ที่ชาร์จได้สูงสุด 250 กิโลวัตต์ (kW) มีขนาดใกล้เคียงกันและสามารถใช้ได้กับทางเข้ารถยนต์ทั่วไป ความแตกต่างหลักคือ เส้นผ่านศูนย์กลางของสายเคเบิลเพิ่มขึ้นประมาณ 50% สำหรับหน่วยพิกัด 250 kW เพื่อให้มีระดับพลังงานที่สูงขึ้น พร้อมกับน้ำหนักของสายเคเบิลที่เพิ่มขึ้น อันเป็นผลมาจากสายเคเบิลที่เล็กกว่ามาก คอนเนคเตอร์ระดับ 2 และส่วนประกอบสายเคเบิลที่ได้รับการจัดอันดับสูงสุด 80 กิโลวัตต์จึงเบากว่าอย่างเห็นได้ชัดและจัดการได้ง่ายขึ้น กระแสตรงกำลังสูงในการชาร์จสูงถึง 500 kW หรือมากกว่านั้นต้องใช้ทางเข้ารถยนต์อื่นที่รองรับการระบายความร้อนด้วยของเหลว รวมถึงขั้วต่อและสายเคเบิลที่ใหญ่กว่า (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบขนาดของขั้วต่อ CCS ชนิดที่ 2 และสายเคเบิลสำหรับเครื่องชาร์จ DC ขนาด 80 กิโลวัตต์ 250 กิโลวัตต์ และ 500 กิโลวัตต์ (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

กลไกการล็อคถูกรวมเข้ากับระบบขั้วต่อการชาร์จ CCS DC เพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้และเพื่อให้แน่ใจว่า EVSE ทำงานอย่างเหมาะสม ตัวล็อคเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้ทนต่อแรงดึงออกสูง ทำให้แทบเป็นไปไม่ได้ที่จะถอดขั้วต่อในขณะที่กำลังชาร์จ EV กลไกการล็อคในตัวเชื่อมต่อ Type 1 เป็นคลิปแบบแมนนวล ดังแสดงในรูปที่ 2 ในคอนเน็กเตอร์ Type 2 การล็อคทำได้โดยใช้สลักเกลียวโลหะที่ควบคุมด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ในทั้งสองกรณี กลไกการล็อคจะได้รับการตรวจสอบ และสถานะของกลไกจะแจ้งไปยัง EVSE ผ่านการเชื่อมต่อเฉพาะ

รูปที่ 2: ขั้วต่อ CCS ชนิดที่ 1 มีคลิปล็อคแบบควบคุมด้วยตนเอง (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

จำเป็นต้องมีการตรวจจับอุณหภูมิในตัวในขั้วต่อการชาร์จ CCS DC ด้วยการตรวจสอบอุณหภูมิที่แม่นยำโดยตรงที่หน้าสัมผัสพลังงาน กระบวนการชาร์จสามารถหยุดหรือช้าลงได้ในกรณีที่มีความร้อนสูงเกินไป เพื่อปกป้องผู้ใช้จากอันตรายและ EVSE จากความเสียหาย ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ประกอบด้วยเซ็นเซอร์ PT1000 สองตัว โดยที่หน้าสัมผัสแต่ละตัว (รูปที่ 3) เซ็นเซอร์เหล่านี้มีความต้านทานที่เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ทำให้การตรวจสอบอุณหภูมิง่ายขึ้น อุณหภูมิจะสื่อสารกับ EVSE ผ่านสายสัญญาณในสายเคเบิล

รูปที่ 3: ต้องใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT1000 บนหน้าสัมผัสคอนเน็กเตอร์ CCS เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิการทำงานและช่วยให้ชาร์จได้อย่างปลอดภัย (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

การเชื่อมต่อที่ปลอดภัย

การเชื่อมต่อภายในตัวเชื่อมต่อ CCS มีความสำคัญเป็นพิเศษ การเชื่อมต่อภายในกับ EVSE จะไม่ได้รับความเครียดทางกลที่มีนัยสำคัญ แต่คอนเน็กเตอร์ CCS จะถูกจับคู่และไม่เชื่อมต่อเป็นประจำ และการเชื่อมต่อสายเคเบิลจะได้รับความเครียดซ้ำ ๆ (รูปที่ 4) สายเคเบิลตัวเชื่อมต่อที่ต่ออย่างไม่เหมาะสมอาจส่งผลให้การสัมผัสลดลงในรูปแบบของความต้านทานที่เพิ่มขึ้นหรือการสูญเสียการต่อสายเคเบิล ทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปหรือสูญเสียการเชื่อมต่อชั่วขณะของตัวนำอย่างน้อยหนึ่งตัว สายเคเบิลตัวเชื่อมต่อที่ประกอบไม่เพียงพอจะส่งผลให้ความน่าเชื่อถือของระบบการชาร์จลดลง ความไม่พอใจของผู้ใช้ และค่าใช้จ่ายในการรับประกันที่เป็นไปได้สำหรับผู้ผลิต EVSE

รูปที่ 4: ขั้วต่อขนาดเล็กสำหรับการชาร์จไฟแบบ DC ขนาดกลางทำให้ยากต่อการรับรองการเชื่อมต่อสายเคเบิลที่ทนทานและเชื่อถือได้ (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

กรณีใช้งานระดับ 2

การชาร์จ DC ระดับ 2 นั้นคาดว่าจะได้รับความนิยมในที่ที่ต้องการพลังงานมากกว่าการชาร์จแบบ AC และไม่จำเป็นต้องชาร์จระดับ 3 ที่เร็วกว่า EVSE ที่ใช้ตัวเชื่อมต่อขนาดกะทัดรัดเหล่านี้เป็นไปตามมาตรฐาน CCS และรูปแบบที่เล็กกว่าช่วยเพิ่มความสะดวกและใช้งานง่าย คาดว่าจะพบได้ในแอพพลิเคชั่นต่าง ๆ ได้แก่

ที่อยู่อาศัยชานเมือง : เครื่องชาร์จ DC ระดับ 2 ใช้ไฟ AC (Vac) 240 โวลต์ และสามารถชาร์จก้อนแบตเตอรี่ได้เร็วกว่าเครื่องชาร์จ AC ระดับ 1 พื้นฐานสามถึงเจ็ดเท่า ขึ้นอยู่กับ EV ข้อดีเพิ่มเติมคือสำหรับบ้านที่มีแผงโซลาร์เซลล์ เครื่องชาร์จ DC ระดับ 2 สามารถถ่ายโอนพลังงาน DC โดยตรงจากแผงโซลาร์เซลล์ ช่วยลดการสูญเสียพลังงานจากการแปลง ในอนาคต เนื่องจากระบบ vehicle-to-grid (V2G) และ vehicle-to-home (V2H) กลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น เครื่องชาร์จระดับ 2 แบบสองทิศทางจะพร้อมใช้งานซึ่งจะควบคุมกระแสไฟย้อนกลับจากรถไปยังบ้านหรือกริด

ที่อยู่อาศัยหลายครอบครัวและในเมือง : อพาร์ตเมนต์คอมเพล็กซ์และชุมชนคอนโดมิเนียมมีที่ชาร์จ DC ระดับ 2 สำหรับผู้พักอาศัยและผู้มาเยือน นอกจากนี้ การชาร์จที่เรียกว่า "ถูกทาง" ในการตั้งค่าที่อยู่อาศัยในเมืองรวมถึงที่ชาร์จที่ให้บริการรถที่จอดอยู่บนถนนเมื่อไม่มีโรงรถ ในทั้งสองกรณี เครื่องชาร์จสามารถสร้างรายได้ให้กับเจ้าของ EVSE และอำนวยความสะดวกให้กับเจ้าของ EV ในบริเวณใกล้เคียง

ที่สาธารณะที่มีรถมารวมกัน : มีการติดตั้งเครื่องชาร์จ DC ระดับ 2 ในสถานที่สาธารณะที่หลากหลายขึ้นเรื่อยๆ เช่น ศูนย์การค้าและสถานบันเทิง โรงเรียนและวิทยาลัย โครงสร้างที่จอดรถ สนามกีฬา ปั๊มน้ำมัน และร้านซ่อม เนื่องจากยอดขาย EV เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เครื่องชาร์จ DC ระดับ 2 ก็มีวางจำหน่ายที่ตัวแทนจำหน่ายรถยนต์เช่นกัน เครื่องชาร์จเหล่านี้ใช้เพื่อให้แน่ใจว่ารถยนต์ไฟฟ้าได้รับการชาร์จจนเต็มก่อนส่งมอบให้กับลูกค้าและสำหรับการชาร์จ EV ที่เหลือสำหรับการบริการ

โซลูชันตัวเชื่อมต่อ DC ระดับ 2

เมื่อต้องชาร์จกระแสไฟสูงถึง 80 A นักออกแบบ EVSE สามารถเปลี่ยนเป็น CCS C-Line ที่เป็นคอนเน็กเตอร์สำหรับชาร์จ DC ที่มีน้ำหนักเบาและชุดสายเคเบิลจาก Phoenix Contact ได้ มีสายเคเบิลความยาวต่าง ๆ สำหรับการใช้งานประเภท 1 และประเภท 2 เช่น สายชาร์จ1236308 มีขั้วต่อ Type 1 และสายยาว 4 เมตร (m) และสายชาร์จ1236966 มีขั้วต่อ Type 2 และสายยาว 7m ตัวเชื่อมต่อตามหลักสรีรศาสตร์เหล่านี้เป็นไปตามมาตรฐาน CCS ทั้งหมดในรูปแบบขนาดเล็กเพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อและถอดสายอย่างรวดเร็วสำหรับการใช้งานในแอพพลิเคชั่นการชาร์จพลังงานต่ำ (รูปที่ 5) หากต้องการ พวกเขาสามารถจัดหาโลโก้บริษัทเพื่อส่งเสริมแบรนด์ EVSE ได้ แม้ว่าจะมีขนาดเล็ก แต่ก็มีประสิทธิภาพสูงและรวมถึง

• หน้าสัมผัสชุบเงินเพื่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูงสุด
• เซ็นเซอร์ในตัวเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของหน้าสัมผัสกำลัง เช่นเดียวกับกลไกการล็อคในตัว ตามมาตรฐาน CCS
• เป็นไปตามมาตรฐาน DIN EN 50620 รวมทั้งฉนวนและปลอกหุ้มที่ได้รับการจัดอันดับสูงสุด 750 โวลต์ สำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเมื่อเชื่อมต่อ EVSE กับ EV
• ความเข้ากันได้กับข้อกำหนดของมาตรฐานยานยนต์ IATF 16949 และ ISO 9001

รูปที่ 5: รูปทรงตามหลักสรีรศาสตร์ของคอนเน็กเตอร์ CCS C-Line บวกกับการเดินสายน้ำหนักเบา ช่วยให้จัดการได้ง่ายและสะดวกสบาย (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

การรวม EVSE

เพื่อสนับสนุนการรวมสายเคเบิล C-Line เข้ากับ EVSEs Phoenix Contact ได้จัดเตรียมตัวยึดตัวเชื่อมต่อและต่อมสายเคเบิลรวมถึง 1624143 ที่ยึดคอนเน็กเตอร์และ1424483 เคเบิลแกลนด์สำหรับขั้วต่อ Type 1 และ1624153 ที่ยึดขั้วต่อและ 1411134 เคเบิลแกลนด์สำหรับคอนเนคเตอร์ Type 2 การติดตั้งตัวยึดขั้วต่อที่ด้านข้างหรือด้านหน้าของ EVSE จะเป็นที่ที่ปลอดภัยสำหรับขั้วต่อเมื่อไม่ได้ใช้งาน ขั้วต่อล็อคเข้าที่ แต่สามารถถอดออกได้ง่าย ตัวยึดมีความยืดหยุ่นในการติดตั้งด้วยความเอียงด้านหน้า 0˚ ถึง 45˚ การใช้เคเบิลแกลนด์ป้องกันสายเคเบิลเมื่อผ่านผนัง EVSE ปกป้องสายเคเบิลจากความเสียหายหากผู้ใช้ดึงสายเคเบิล และป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกและความชื้นเข้าสู่ EVSE

รูปที่ 6: ตัวยึดตัวเชื่อมต่อ (ซ้าย) และต่อมสายเคเบิล (ขวา) สำหรับตัวเชื่อมต่อ Type 2 อำนวยความสะดวกในการรวมตัวเชื่อมต่อ CCS C-Line และส่วนประกอบสายเคเบิลเข้ากับ EVSE (แหล่งรูปภาพ: Phoenix Contact)

สรุป

การชาร์จ DC ระดับ 2 สามารถเป็นทางเลือกที่มีคุณค่าในการชาร์จพลังงานระดับ 1 ที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม การออกแบบสายชาร์จและขั้วต่อ DC มาพร้อมกับความท้าทายด้านประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และกฎระเบียบมากมาย ดังที่แสดงไว้ โดยการใช้สายเคเบิล/คอนเน็กเตอร์ประกอบที่หาซื้อได้ทั่วไปสำหรับการชาร์จระดับ 2 นักออกแบบสามารถจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็ว พร้อมด้วยข้อดีในตัว เช่น น้ำหนักเบากว่าและการออกแบบตามหลักสรีรศาสตร์เพื่อให้ใช้งานได้ง่ายยิ่งขึ้น

บทความที่แนะนำ

1. ใช้ตัวแปลงพลังงานแบบสองทิศทางและ PFC เพื่อปรับปรุง HEV, BEV และประสิทธิภาพของกริดไฟฟ้า
2. วิธีการใช้ระบบชาร์จ EV ที่ยืดหยุ่นอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ