Los cables CCS compactos proporcionan carga rápida de CC de nivel 2

Se necesita una recarga cómoda y fiable para eliminar la "ansiedad por la autonomía" asociada a los vehículos eléctricos (VE). Para satisfacer estas necesidades, los diseñadores de la infraestructura de los equipos de servicio para vehículos eléctricos (EVSE) deben incluir una variedad de opciones de carga que incluyan cargadores rápidos de corriente continua (CC) de potencia media en entornos residenciales, comerciales y de venta al por menor que puedan suministrar hasta 80 amperios (A); cargadores ultrarrápidos de alta potencia, de nivel 3, que puedan suministrar hasta 500 A de CC; y cargadores de corriente alterna (CA) de menor potencia, de nivel 1, para la carga nocturna y de emergencia.

Sin embargo, la carga de corriente continua de los vehículos eléctricos es compleja. El EVSE necesita controlar continuamente el bloqueo del conector, el aislamiento del sistema, la tensión de carga, la corriente de carga y la temperatura del conector. Si alguno de esos parámetros se sale de los límites establecidos, el EVSE se apaga. Además, diseñar, ensamblar y garantizar la integridad mecánica y eléctrica a largo plazo de un cable y un conector compactos para cargadores de CC de nivel 2 puede ser todo un reto. El cable incluye 5 conductores: +CC, -CC, comunicaciones, monitor de bloqueo y tierra de protección. Estos conductores deben estar conectados de forma fiable al EVSE en un extremo y al conector del sistema de carga compacto (CCS) en el otro. Si alguna de estas conexiones es defectuosa, es probable que la EVSE requiera una costosa y larga reelaboración para garantizar un funcionamiento fiable.

Para resolver los problemas relacionados con el montaje de los conectores y cables CCS para las EVSE de nivel 2, los diseñadores pueden utilizar conectores CCS compactos premontados con cables adjuntos. Estos conjuntos de cables y conectores están diseñados para su uso en lugares donde no es necesaria la carga de Nivel 3, pero se prefiere el Nivel 2 más rápido que el Nivel 1. Estos cables están disponibles en el Tipo 1 para Norteamérica y en el Tipo 2 para Europa, cumpliendo el Tipo 1 los requisitos de la norma UL2251.

En este artículo se repasan las diferencias entre los conectores y cables CCS de CA y CCS de CC, y se comparan los conectores CCS de nivel 2 y 3 en términos de tamaño y comodidad. También analiza varios casos de uso de los conjuntos de cables CCS de media potencia y, a continuación, presenta los conjuntos de cables compactos CCS de Tipo 1 y Tipo 2 de Phoenix Contact, junto con las recomendaciones de instalación.

La diferencia entre los cables de carga de CA y CC para vehículos eléctricos

Las entradas de carga estándar de CCS están diseñadas para aceptar conectores de carga tanto de CA como de CC, lo que proporciona flexibilidad a la vez que simplifica el diseño del VE. La carga de CA es intrínsecamente de menor potencia y utiliza cables con conectores enchufables en ambos extremos (Figura 1). Para la carga de corriente continua, que funciona a niveles de potencia más altos, el cable de carga siempre está conectado al EVSE en un extremo, con un conector en el otro extremo que se inserta en el receptáculo del vehículo. Además, los conectores de corriente continua tienen características de seguridad que no se encuentran en sus homólogos de corriente alterna, como mecanismos de bloqueo y control de la temperatura.

Figura 1: Los cables para la carga de CC están permanentemente conectados al EVSE y se enchufan en el receptáculo del VE. Los cables para la carga de CA tienen enchufes en ambos extremos. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Los conectores CCS para la carga de CC de nivel 2 y nivel 3 de hasta 250 kilovatios (kW) tienen un tamaño similar y pueden utilizarse en una entrada común del vehículo. La principal diferencia es un aumento del 50% en el diámetro del cable para las unidades de 250 kW para transportar los niveles de potencia más altos, junto con el correspondiente aumento del peso del cable. Como resultado del cable mucho más pequeño, el conector de nivel 2 y los conjuntos de cables con capacidad de hasta 80 kW son mucho más ligeros y fáciles de manejar. La carga de corriente continua de alta potencia, de hasta 500 kW o más, requiere una entrada diferente en el vehículo que admita la refrigeración líquida, así como un conector y un cable más grandes (Tabla 1).

Tabla 1: Comparación del tamaño de los conectores y cables CCS de tipo 2 para cargadores de CC de 80 kW, 250 kW y 500 kW. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Los mecanismos de bloqueo están integrados en los sistemas de conectores de carga CC de CCS para la seguridad del usuario y para garantizar el correcto funcionamiento del EVSE. Estos cierres están diseñados para soportar grandes fuerzas de extracción, lo que hace casi imposible desconectar el conector mientras se carga el vehículo eléctrico. El mecanismo de bloqueo en los conectores de tipo 1 es un clip manual, como se muestra en la figura 2. En los conectores de tipo 2, el bloqueo se realiza mediante un perno metálico controlado electromagnéticamente. En ambos casos, el mecanismo de bloqueo se supervisa y su estado se comunica al EVSE a través de una conexión dedicada.

Figura 2: Los conectores CCS de tipo 1 incluyen un clip de bloqueo de accionamiento manual. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Los conectores de carga de CCS requieren un sensor de temperatura integrado. Gracias al control preciso de la temperatura directamente en los contactos de alimentación, el proceso de carga puede detenerse o ralentizarse en caso de sobrecalentamiento para proteger al usuario del peligro y al EVSE de los daños. Estos conectores incluyen dos sensores PT1000, uno en cada contacto (Figura 3). Estos sensores tienen una resistencia que aumenta linealmente con el incremento de la temperatura, lo que simplifica el control de la misma. La temperatura se comunica al EVSE a través de una línea de señal en el cable.

Figura 3: Los sensores de temperatura PT1000 son necesarios en los contactos del conector CCS para controlar la temperatura de funcionamiento y ayudar a garantizar una carga segura. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Conexiones seguras

Las conexiones dentro del conector CCS son especialmente importantes. Las conexiones internas de la EVSE no están sujetas a tensiones mecánicas significativas, pero el conector CCS se acoplará y desacoplará regularmente, y las conexiones de los cables estarán sujetas a tensiones repetidas (Figura 4). Los cables de los conectores mal fijados pueden provocar una degradación de los contactos en forma de aumento de la resistencia o de pérdida de la fijación del cable, provocando un sobrecalentamiento o la pérdida momentánea de la conexión de uno o varios conductores. Los cables de conexión mal ensamblados darán lugar a una menor fiabilidad del sistema de carga, a la insatisfacción del usuario y a posibles gastos de garantía para los fabricantes de EVSE.

Figura 4: El pequeño tamaño de los conectores para la carga de corriente continua de media potencia hace que sea un reto garantizar unas conexiones de cable resistentes y fiables. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Casos de uso de nivel 2

Se espera que la carga de CC de nivel 2 sea popular cuando se necesite más energía de la que puede suministrar la carga de CA, y no sea necesaria una carga más rápida de nivel 3. Los EVSE que utilizan estos conectores compactos cumplen los estándares CCS y el factor de forma más pequeño mejora la comodidad y la facilidad de uso. Se espera que se encuentren en una gama de aplicaciones que incluyen:

Residencial suburbano: Los cargadores de CC de nivel 2 utilizan energía de 240 voltios de CA (Vca) y pueden recargar un paquete de baterías de tres a siete veces más rápido que un cargador básico de CA de nivel 1, dependiendo del VE. Una ventaja añadida es que, en el caso de los hogares con paneles solares, los cargadores de CC de nivel 2 pueden transferir la energía de CC directamente desde el panel solar, eliminando las pérdidas de energía por conversión. En el futuro, a medida que los sistemas de vehículo a red (V2G) y de vehículo a casa (V2H) sean más comunes, habrá cargadores bidireccionales de nivel 2 que controlarán el flujo de energía inverso desde el vehículo a la casa o a la red.

Viviendas multifamiliares y urbanas: Los complejos de apartamentos y las comunidades de condominios están proporcionando cargadores de CC de nivel 2 para los residentes y visitantes. Además, la llamada carga en el "derecho de paso" en entornos residenciales urbanos incluye cargadores que sirven a los coches aparcados en la calle cuando no hay garajes disponibles. En ambos casos, el cargador puede proporcionar un flujo de ingresos al propietario del EVSE y la comodidad de los propietarios de vehículos eléctricos en el barrio.

Lugares públicos donde se reúnen los coches: Los cargadores de corriente continua de nivel 2 se están instalando en una variedad cada vez mayor de lugares públicos, como centros comerciales y de ocio, colegios e institutos, aparcamientos, estadios deportivos, gasolineras y talleres de reparación. Como las ventas de vehículos eléctricos siguen aumentando, los cargadores de CC de nivel 2 también se encuentran en los concesionarios. Estos cargadores se utilizan para asegurarse de que los VE están completamente cargados antes de su entrega a los clientes y para recargar los VE que se dejan para el servicio.

Soluciones de conectores de CC de nivel 2

Cuando se necesita una corriente de carga de hasta 80 A, los diseñadores de EVSE pueden recurrir a los ligeros conjuntos de cables y conectores de carga CCS C-Line de Phoenix Contact. Están disponibles con varias longitudes de cable para aplicaciones de Tipo 1 y Tipo 2. Por ejemplo, el cable de carga 1236308 tiene un conector de tipo 1 y un cable de 4 metros (m) de longitud, y el cable de carga 1236966 tiene un conector de tipo 2 y un cable de 7 m de longitud. Estos conectores ergonómicos cumplen todas las normas CCS en un formato pequeño para facilitar las conexiones y desconexiones rápidas para su uso en una serie de aplicaciones de carga de baja potencia (Figura 5). Si se desea, pueden suministrarse con el logotipo de la empresa para mejorar la imagen de marca del EVSE. Aunque son de pequeño tamaño, son de alto rendimiento e incluyen:

• Contactos plateados para un rendimiento y una fiabilidad óptimos
• Sensores integrados para controlar la temperatura de los contactos de potencia, así como mecanismos de bloqueo integrados, según la norma CCS
• Cumplimiento de la norma DIN EN 50620, además de aislamiento extruido y vainas con capacidad de hasta 750 voltios para su uso en entornos severos al conectar el EVSE con el VE
• Compatibilidad con los requisitos de la norma de automoción IATF 16949 y la ISO 9001

Figura 5: La forma ergonómica de los conectores CCS C-Line, además de su ligero cableado, facilita el manejo y la comodidad. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Integración de EVSE

Para apoyar la integración de los conjuntos de cables C-Line en las EVSE, Phoenix Contact proporciona a los diseñadores soportes de conectores y prensaestopas, incluidos el soporte de conectores 1624143 y el prensaestopas 1424483 para conectores de tipo 1, y el soporte de conectores 1624153 y el prensaestopas 1411134 para conectores de tipo 2. La instalación de soportes para conectores en el lateral o en la parte delantera del EVSE proporciona un lugar seguro para un conector cuando no está en uso. El conector se bloquea en su sitio, pero puede retirarse fácilmente. El soporte tiene la flexibilidad de ser montado con 0˚ a 45˚ de inclinación frontal. El uso de un prensaestopas protege el cable a su paso por la pared del EVSE, protege el cable de daños si el usuario tira de él y evita la entrada de suciedad y humedad en el EVSE.

Figura 6: Los soportes de conectores (izquierda) y los prensaestopas (derecha) para los conectores de tipo 2 facilitan la integración de los conjuntos de conectores y cables CCS C-Line en las EVSE. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Conclusión:

La carga de CC de nivel 2 puede constituir una valiosa alternativa a la carga de nivel 1 de menor potencia. Sin embargo, el diseño del cableado y los conectores de carga de corriente continua conlleva muchos problemas de rendimiento, seguridad y normativa. Como se ha demostrado, al utilizar conjuntos de cables y conectores disponibles en el mercado para la carga de nivel 2, los diseñadores pueden resolver rápidamente muchos de estos problemas, además de incorporar ventajas como un peso más ligero y un diseño ergonómico para una mayor facilidad de uso.

Lecturas recomendadas

1. Utilizar convertidores de potencia bidireccionales y PFC para mejorar la eficiencia de los HEV, BEV y la red eléctrica
2. Cómo implementar rápida y eficazmente sistemas flexibles de carga de VE