Überblick über CCS-Steckverbindersysteme

Die Weiterentwicklung der Ladestecker

9. August 2022, 13:00 Uhr |
CSS-Stecker, Typ 2
Combined Charging System: CCS-Steckverbinder kombinieren die AC-Ladung und DC-Schnellladung.
© Adam Tech

Mithilfe von CCS-Steckern (Combined Charging System) ist es möglich, AC-Ladung und DC-Schnellladung zu kombinieren. Zwar sind die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von CCS-Ladebuchse und -Stecker standardisiert. Dennoch gibt es unterschiedliche Anforderungen, Modelle und Überlegungen. 

von Rolf Horn, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics 

Besonders kritische Komponenten beim Laden von Elektrofahrzeugen sind die Anschlüsse. Sie müssen in der Lage sein, bis zu 500 kW bei bis zu 1000 V Gleichstrom zu verarbeiten und gleichzeitig auch Wechselstromquellen aufzunehmen. Voraussetzung ist, dass sie die Anforderungen der Normen IEC 62196 bzw. SAE J1772 für sicheres und intelligentes Schnellladen erfüllen.

Der CSS-Fahrzeugeinlass ist so konzipiert, dass er sowohl AC- als auch DC-Stromanschlüsse aufnehmen kann. CCS ist in Nordamerika in SAE J1772 mit Steckertyp 1 und in Europa in IEC 62196 mit Steckertyp 2 genormt. Die HCL-Schnittstelle zwischen dem EV (Electric Vehicle) und der Ladestation (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) basiert auf ISO/IEC 15118 und DIN SPEC 70121. 

Die Überwachung der Kontakttemperatur ist bei Schnellladesystemen besonders wichtig. Nach IEC 62196 darf der Temperaturanstieg an den Kontakten 50 °C nicht überschreiten. Die HCL-Schnittstelle zwischen dem EV und der EVSE wird zur Übermittlung der Temperaturdaten verwendet. Wenn die Temperatur zu stark ansteigt, verlangsamt oder stoppt die EVSE den Ladevorgang. Bei den CCS-Steckverbindern für die AC-Ladung überwachen Kaltleiter (PTC) die Temperatur, wie in DIN 60738 gefordert. Wenn der Stecker zu heiß wird, stoppt der Ladevorgang. Für die schnelle Gleichstromladung sind nach DIN 60751 zwei Pt1000-Sensoren erforderlich, einer an jedem Kontakt.

In Systemen, die Ladeströme über 250 A liefern, ist eine Temperaturüberwachung zusammen mit einer aktiven Kühlung unerlässlich. Dank der Kühlung können CCS-Steckverbinder bis zu 500 kW (500 A bei 1000 V DC) liefern. Sollte die Umgebungstemperatur unerwartet ansteigen oder ein Überlastungszustand auftreten, ermöglicht die Temperaturüberwachung dem System, die Kühlleistung weiter zu erhöhen oder die Ladeleistung zu verringern, um den Temperaturanstieg der Steckerkontakte zuverlässig unter der Spezifikationsgrenze von +50 °C zu halten. 

Die Verriegelung ist in den CCS-Verbindungssystemen integriert: Der Verriegelungsmechanismus in Steckverbindern des Typs 1 ist ein manueller Einrastmechanismus. Bei Verbindern des Typs 2 erfolgt die Verriegelung durch einen elektromagnetisch aktivierten Metallbolzen. Die Steuerung des Schlosses und die Übermittlung seines Zustands an die EVSE erfolgt über eine separate Verbindung.

Einlässe und Anschlüsse der Typen 1 und 2

  • Die CCS-Ladeeingänge des Steckverbindersystems »Charx« von Phoenix Contact haben einen DC-Kabelquerschnitt von bis zu 95 mm2, der Ladeleistungen bis 500 kW unterstützt. Das Modell »1194398« kann im Normalbetrieb eine Ladeleistung von 125 kW und im Boost-Modus bis zu 250 kW erbringen (Bild 1). Dieser CCS-Typ-1-Eingang ist für die Verwendung in den Lademodi 2, 3 und 4 vorgesehen. Er enthält einen PTC-Ketten-Temperatursensor an den AC-Kontakten und Pt1000-Sensoren an den DC-Kontakten.
  • Für höhere Leistungsanforderungen unterstützt der Fahrzeugladeeingang des Typs »11621482« von Phoenix Contact Ladeleistungen von 500 kW im Burst-Modus und 250 kW im Normalbetrieb. Die digitale Signalübertragung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) wird bei der Powerline-Kommunikation nach ISO/IEC 15118 und DIN SPEC 70121 realisiert. Der Betriebstemperaturbereich liegt bei -40 °C bis +60 °C.
  • Für Anwendungen, die einen CCS-Typ-1-Wechselstromstecker für das Level-2-Laden benötigen, kann das Modell »2267220-3« von TE Connectivity (Bild 2) zum Einsatz kommen. Dieser Steckverbinder ist für 240 V (AC) und 32 A ausgelegt und verfügt über drei Stromversorgungs- und zwei Signalkontakte. Er hat einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +105 °C und ist für 10.000 Steckzyklen ausgelegt.
  • EV-Ladekabel von Adam Tech umfassen Stecker der Typen 1 und 2 mit Kabellängen von 3 m und 5 m. Sie sind in den Schutzarten IP54 oder IP55 erhältlich. Beim Modell »CA EV03AT-004-5M« (Abbildung) handelt es sich um einen Typ-2-Steckverbinder mit einem 5 m langen Kabel in Schutzart IP 55. Er bietet fünf Stromversorgungs- und zwei Signalkontakte und ist für 480 V (AC) bei 16 A mit einem Betriebstemperaturbereich von -30°C bis +50 °C ausgelegt.

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CCS-Steckverbinder

Ladeanschluss Charx von Phoenix Contact
© Phoenix Contact
CCS-Typ1-Stecker von Phoenix Contact
© TE Connectivity
CSS-Stecker, Typ 2
© Adam Tech

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Weitere Überlegungen zur CCS-Spezifikation

Die allgemeinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften von CCS-Ladebuchsen und Steckern sind standardisiert, dennoch gibt es Aspekte, die Entwickler bei der Spezifikation dieser Komponenten beachten sollten: 

IP-Schutzarten: Der IP-Schutz kann auf verschiedene Weise angegeben werden – im eingesteckten Zustand, im ungesteckten Zustand ohne Abdeckung sowie im ungesteckten Zustand mit Abdeckung. Einige nicht abgedeckte Stecker sind nach IP 20 eingestuft, das bedeutet sie sind berührungssicher und widerstehen Partikel mit einer Größe von über 12 mm. Diese Stecker sind jedoch nicht gegen Flüssigkeiten geschützt und können bei Kontakt mit Spritzwasser beschädigt werden. Die Schutzarten IP 54, IP 55 und IP 65 sind für CCS-Stecker üblich, wenn sie abgedeckt sind oder wenn sie eingesteckt sind. IP 65 bietet einen höheren Grad an Wasserdichtigkeit als IP 54, aber den gleichen Grad an Wasserdichtigkeit wie IP-55-Modelle. IP-54- und IP-55-Komponenten sind im Vergleich zu IP-65-Komponenten weniger staubgeschützt.

Betriebstemperaturbereich: Für diese Spezifikation gibt es keine Norm. Bereiche wie -30 °C bis +50 °C sowie -40 °C bis + 60 °C sind üblich, aber auch erweiterte Bereiche wie -55 °C bis +105 °C sind verfügbar.

Temperaturmesskomponenten: Diese sind für die AC-Kontakte mit PTC-Bauteilen und für DC-Kontakte mit Pt1000-Sensoren genormt. Die Formulierungen in den Datenblättern können hier verwirrend sein. Bei AC-Komponenten wird manchmal die Verwendung von »PTC« und manchmal von »PTC-Kette« angegeben. Die korrekte Bezeichnung lautet »PTC-Kette«, da sich an jedem Kontakt ein PTC befindet. Wenn im Datenblatt ein einfacher »PTC« angegeben ist, sollten sich die Entwickler vergewissern, dass es sich um eine »PTC-Kette« handelt. Im Falle des Pt1000-Sensors wird in einigen Datenblättern ein Pt100-Sensor genannt, der weniger empfindlich ist und die CCS-Normen nicht erfüllt. Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, einen Pt1000-Sensor als Pt100-Komponente zu bezeichnen, da das Bauteil mit dem Wert »100« viel weiter verbreitet ist als das Bauteil mit dem Wert »1000«. Auch diesbezüglich empfiehlt es sich zu überprüfen, ob es sich tatsächlich um einen Pt1000 handelt und ob an jedem Kontakt ein solcher vorhanden ist.

 

 

Informationen im Überblick

Ladestufen 

Zu den Klassifizierungen für das Laden von Elektrofahrzeugen gehören: Ladestufen, Lademodi, Verkabelung und im Falle von CCS auch die Art des Ladeanschlusses. 
In den USA sind nach SAE J1772 drei Ladestufen vorgesehen:
Stufe 1 verwendet Haushaltsstrom mit 120 V (AC) und ist auf etwa 1,9 kW begrenzt. Stufe 1 ist langsam. Das Laden der Stufe 2 erfolgt mit einphasigem 208/240 V (AC). Es kann mit einer Quelle von 240 V (AC) bis zu etwa 19 kW liefern. Level 2 ist ein »schnelles« AC-Laden und lädt drei- bis siebenmal schneller als Level 1. Die Stufen 1 und 2 versorgen das bordeigene EV-Ladegerät.
Stufe 3 ist eine Gleichstrom-Schnellladung und verwendet ein externes Gleichstrom-Ladegerät, das 600 V (DC) bei 400 A für eine Gesamtleistung von 240 kW liefert. Moderne DC-Schnellladegeräte können 500 kW (1000 V (DC) bei 500 A) liefern.

Lademodi

In Europa definiert die IEC 61851-1 vier Modi für das Laden von Elektrofahrzeugen:

  • Für den Lademodus 1 wird ein einfaches Kabel verwendet, das direkt an eine Steckdose angeschlossen wird. Es ist wenig leistungsfähig und wird nur selten genutzt.
  • Lademodus 2 wird ebenfalls direkt an eine Steckdose angeschlossen, bietet aber zusätzlich einen integrierten Schutz, das so genannte In-Cable Control and Protection Device (IC-CPD).

Modus 2 ist sicherer als Modus 1, unterstützt aber nur das Aufladen bis etwa 15 kW mit Dreiphasenstrom. Die Modi 3 und 4 sind Schnelllademodi:

  • Lademodus 3 verwendet eine spezielle Ladestation (auch EVSE genannt), die bis zu 120 kW Wechselstrom liefert. In den Modi 1, 2 und 3 wird das Laden der Batterie über das eingebaute Ladegerät des Fahrzeugs gesteuert.
  • Lademodus 4 bezieht sich auf schnelles DC-Laden. Das bordeigene Ladegerät wird umgangen und die EVSE versorgt die Batterie über einen Gleichstromanschluss direkt mit Strom. Mit Mode 4 können mehrere hundert kW geliefert werden.

Steckertypen, Modi und Fälle

Es gibt drei mögliche Verbindungen zwischen EV und Stromversorgung:

  • In Fall A ist das Kabel dauerhaft mit dem EV verbunden und wird bei Bedarf an die Stromquelle angeschlossen. Diese Option A wird bei CCS nicht verwendet.
  • Die Optionen B und C werden mit CCS und mit der entsprechenden chinesischen Norm GB/T verwendet. Wenn das Stromkabel an beiden Enden abnehmbar ist, handelt es sich um Fall B.
  • Wenn das Kabel fest mit der EVSE verbunden ist, handelt es sich um Fall C.

Für den Lademodus 3 kann entweder Fall B oder Fall C zum Einsatz kommen, für den Lademodus 4 nur Fall C.

Quelle: Digi-Key Electronics

CSS im Vergleich
Vergleich von CCS Typ 1 (Nordamerika), CCS Typ 2 (Europa) und GB/T (China).
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