Současná diskuse týkající se nabíjecích zasunovacích konektorů a jejich standardizace svědčí o významu tohoto problému, nejen v odborných kruzích, ale také mezi širokou veřejností. Avšak to se týká nejen rozhraní mezi vozidlem a nabíjecí stanicí, což je pouze malá část široké oblasti spojovací technologie pro elektrické automobily. Tato široká oblast zahrnuje například spojení v celé elektrické trakční soustavě vozidla i spojení baterie pro nabíjecí účely. Také zahrnuje kontakty pro připojení elektrických a elektronických komponent k testovacím stanicím během výrobního procesu. Tato široká řada aplikací jasně ilustruje potřebu komplexního know-how.
Odolnost vůči náročnému prostředí
Mnoho požadavků, které musí splňovat zasunovací konektory pro elektrická a hybridní vozidla, je specifikováno téměř každým uživatelem, a již platí i pro elektrické systémy konvenčních vozidel: schopnost odolávat náročnému prostředí, odolnost vůči vibracím, nárazům a otřesům, tepelná odolnost a odolnost vůči palivům. Další požadavky, obzvláště ty, které se týkají nepřetržitého nebo krátkodobého proudu nebo sdružených cyklů, jsou vysoce specifické podle aplikace. Vysokonapěťové zasunovací konektory se používají ve všech částech elektrické trakční hnací soustavy. To zahrnuje nejen připojení motoru, ale také mnoha dalších funkčních jednotek. Zasunovací konektory umožňují rychlou instalaci a demontáž invertorů, baterií, nabíjecích zařízení a vysokonapěťových rozvaděčů, výsledkem čehož je vysoká efektivita výroby a servisu. Používají se pro připojování pomocných systémů, jako jsou například klimatizace, chlazení baterií a elektrické brzdné systémy. Aby zasunovací konektory byly chráněny proti vysokým napětím, která nesou, musí mít dielektrickou pevnost odpovídající způsobu jejich použití a definovaný izolační odpor. Vadná nebo nedostatečná izolace může vést k vytváření elektrického oblouku s následným poškozením materiálu a zraněními osob. Na druhé straně, vysoké proudy vyžadují, aby elektrické kontakty měly trvale nízkou odolnost vůči přenosu. Jestliže odpor kontaktů bude příliš vysoký, povede to k vysokým energetickým ztrátám ve formě tepla. Z důvodů bezpečnosti a účinnosti je třeba v nadměrném vzestupu teploty zabránit. Vysoká spínací zatížení pro ovládání elektrického motoru mají také za následek elektromagnetické rušení.
Bezpečnostní specifikace
Automobilní průmysl si je těchto skutečností vědom, a definuje specifikace pro vysokonapěťové připojovací systémy ve své specifikaci pro dodávky LV215-1 Požadavky na vysokonapěťové konektory. Navíc ke kapacitě pro přenos proudu, dielektrické pevnosti, stínění, odporu kontaktů a třídě ochrany IP6K9K, stanoví tento dokument řadu dalších charakteristik souvisejících s bezpečností. Ty se týkají například ochrany proti dotyku v případě chybného zasunutí, barevného značení a mechanického provedení kvůli zabránění záměně polarity a izolace. Jako ochrana pro zásahu elektrickým proudem způsobeným náhodným odpojením nebo odpojením pod zatížením je vyžadováno blokovací zařízení na plášti a vysokonapěťový blokovací okruh (High Voltage Interlock Loop – HVIL). Společnost Multi-Contact v souladu s těmito specifikacemi a na základě svých zkušeností v širokém rozsahu aplikací realizovala koncepci e-Mobility. Zvláštní důležitost je připisována účinnému stínění, které zajišťuje dostatečné zeslabení i za vysokých kmitočtů. HVIL je vybaven dvěma samostatnými zástrčkami pro vedení signálů, které budou prvními které budou odpojeny v případě rozpojení spojení (poslední připojené/první odpojené). Vysoká kapacita vedení proudu kontaktů 12 mm s minimální ztrátou energie je zajišťována pomocí MC Multilams. Cílem těchto koncepcí je spojit stávající know-how týkající se průmyslové silnoproudé a vysokonapěťové techniky s novými požadavky specifickými pro jednotlivé aplikace a vyvinout na tomto základě optimální řešení. Mnoho výrobců vozidel má stále ještě relativně málo zkušeností z práce s velmi vysokými napětími a proudy, ale při těchto vysokých úrovních napájení je správná konstrukce v souladu s technickými a elektrickými požadavky nezbytná. Proto se doporučuje těsná spolupráce s odborníky.
Nabíjení elektrických autobusů
Další aplikací s vysokými požadavky na kapacitu je rychlé nabíjení. Multi-Contact vyvinul speciální vysokokapacitní nabíjecí konektor pro automatické a velmi rychlé nabíjení. Díky robustnímu designu a zvláštnímu důrazu na bezpečnost napojení se perfektně hodí pro řešení nabíjení vozidel městské hromadné dopravy na zastávkách podél trasy. Díky tomu je pak možné instalovat do vozidel menší baterie, a tím pádem ušetřit mnoho peněz – jednak na samotných bateriích, a podruhé je následně autobus ještě lehčí. Podoba tohoto konektoru může být přizpůsobena specifickým požadavkům zákazníka a zvládne i kombinaci různých nabíjecích časů a výkonů. V každém případě ale splňuje stejně vysoké nároky na přesnost spojení a ochranu proti vniknutí vody (jak ve spojeném, tak i rozpojeném stavu).
Ještě jeden sdružovací cyklus
Podívejme se podrobněji na základní součást elektrického vozidla: na baterii. Navíc ke kritériím, která již byla uvedena, jako vysoká kapacita pro vedení proudu a provozní robustnost, je dalším faktorem frekvence nabíjení. U výměnných bateriových systémů se namísto dobíjení baterie ve vozidle pomocí obvyklé nabíjecí zástrčky vyměňuje celá baterie. Vybitá baterie putuje do nabíjecí stanice a nahradí se nabitou baterií. Zcela reálný scénář: ve výzkumném projektu GridSurfer se akumulátor vážící 300 kg vyjímal z vozidla plně automaticky a nahrazoval se nabitým akumulátorem za méně než čtyři minuty. Aby bylo možné vyvinout zasunovací konektor pro automatizovanou stanici k nabíjení baterií, kromě znalostí silnoproudé elektrotechniky je také zapotřebí know-how z oblasti automatizace. Jak musí být kontakty pro plně automatické připojování a odpojování nainstalovány? Jaká by měla být mechanická konfigurace celého zasunovacího konektoru? Jaké síly na něj působí a jak musí být dimenzovány vodicí kolíky? Jak je třeba nakládat se spotřebními díly? To jsou otázky, na které bych stěží musel odpovídat, kdybych se zabýval automobilní elektronikou o napětí 12 V. Zasunovací konektor baterie BSTV v sobě zahrnuje zkušenosti jak z automatizace, tak ze silnoproudé elektroniky a ukazuje, jak by mohly vypadat odpovědi na tyto otázky: vysoce kvalitní napájecí kontakty (400 V DC, stálý proud 180 A, krátkodobý proud 300 A) a řídicí kontakty 24 V zajišťují bezpečné nabíjení a velký počet cyklů připojení. Vodicí kolíky vyrovnávají nesprávné úhlové vyrovnání plně automatickým sesouhlasením. Vnitřní konektory (strana baterie) mají ochranu proti dotyku IP2X v případě odpojení. Ve spárovaném stavu, když je vozidlo v provozu, má zasunovací konektor třídu ochrany IP65. Pláště jsou nainstalovány trvale, zatímco kryty s kontaktními prvky lze v případě potřeby snadno vyměnit.
Zakázková řešení pro nové normy
Ačkoliv speciální zakázková řešení kontaktů jsou spojena s vyššími náklady na vývoj, mohou se dokonce i v množstvích, která jsou v oblasti elektromobilů normálně vyžadována, často ukázat hospodárnější než standardní výrobky. Zákazník dostává řešení, které přesně splňuje jeho technologické a ekonomické potřeby. Konkrétně to znamená jednoduchou manipulaci v důsledku optimálního přizpůsobení výrobnímu procesu, snížené prostorové požadavky díky dílům zkonstruovaným tak, aby se vešly do prostoru, který je k dispozici, nižší provozní náklady v důsledku jednoduché údržby a úsporu materiálů díky optimalizovaným rozměrům. Tyto výhody zakázkového provedení mohou rychle kompenzovat náklady na vývoj. Skutečností je, že speciální zakázková řešení pomáhají hledat nové přístupy k problémům a v dlouhodobém měřítku vytvářet nové standardy. Typickým příkladem je zasunovací konektor TBC, který byl původně vyvinut pro připojování bateriové stanice startérů při motoristických závodech. Je zbytečné říkat, že se jedná o aplikaci, kde je naprostá spolehlivost základem. Výsledkem je robustní, kompaktní zasunovací konektor s kontakty chráněnými proti dotyku pro mnoho aplikací, při kterých se používá elektrický motor a baterie a vyžadují jak bezpečnost, tak spolehlivost. Konkrétně to může znamenat vysokozdvižné vozíky, elektrická kola, nabíječky, kladkostroje, jeřáby, vrátky atd.
Nikdy se nepřestaneme učit
Předpokladem pro vývoj výrobků, které splňují tržní potřeby, je dobrá znalost trhu a především přímý kontakt se zákazníkem. S každým projektem zasahujícím do několika oborů v oblasti elektromobilů si my všichni doplňujeme naše znalosti a zkušenosti. Rozhodujícím faktorem pro úspěch na tomto dynamickém a náročném trhu je těsná spolupráce mezi odborníky na spojovací techniku a výrobci vozidel.
Winnijar Kauz, Multi-Contact AG Foto: Multi-Contac AG