Cómo emplear una gama de conectores para respaldar una completa infraestructura de recarga de vehículos eléctricos

Se necesitará una infraestructura de recarga omnipresente para soportar el próximo aumento del uso de vehículos eléctricos (VE). Los diseñadores se enfrentan al reto de desarrollar una amplia gama de soluciones de infraestructura para su uso en residencias, hoteles, tiendas y restaurantes, centros comerciales e industriales, aparcamientos, gasolineras, áreas de descanso y otros lugares para que la recarga de vehículos eléctricos esté siempre disponible y sea cómoda. En algunos casos, los usuarios tendrán el lujo de disponer de tiempo y solo necesitarán unos pocos Kilovatios (kW) de potencia de carga de corriente alterna (CA) durante un periodo prolongado. En otras circunstancias, el tiempo será esencial y los usuarios demandarán cientos de kW de corriente continua (CC) para cargar los vehículos eléctricos en cuestión de minutos.

Los diseñadores necesitan varias opciones de conectores que puedan manejar CA de baja potencia, CC de alta potencia y una gama de niveles de potencia intermedios. Estos conectores tienen que ser ergonómicos para que resulten cómodos al usuario, y deben ser robustos y fáciles de instalar para satisfacer las necesidades de los fabricantes de VE de soluciones rentables y fiables. Las asas de carga y las tomas de corriente deben cumplir los requisitos de la norma sobre sistemas de carga combinados (CCS), SAE J1772 e IEC 62196.

En este artículo se revisan los requisitos técnicos de los cargadores de vehículos eléctricos en diversos entornos, desde cargadores de CA de baja potencia en residencias hasta cargadores de alta potencia (HPC) en diversos emplazamientos comerciales, incluidas las normas de rendimiento eléctrico e interfaz y la necesidad de refrigeración líquida en las instalaciones HPC. A continuación, presenta una gama de entradas de carga de CA y CC, asas y sistemas de cables de Phoenix Contact que satisfacen las necesidades de todo tipo de diseños de cargadores de VE, junto con un sistema de refrigeración líquida para cables y conectores HPC.

En Norteamérica, Europa y China se han desarrollado normas de recarga de vehículos eléctricos y sus correspondientes conectores. Las normas de Norteamérica y Europa están relacionadas entre sí y se basan en la norma del sistema de carga combinada (CCS), que combina la carga de CA y CC en una única entrada en el vehículo. Los conectores CCS de tipo 1 predominan en Norteamérica y Corea, y los CCS de tipo 2 se encuentran en Europa, Oriente Medio, Sudáfrica, Sudamérica, Australia, Nueva Zelanda y algunas otras zonas. China ha seguido su propio camino con la norma GB/T, que exige tomas separadas para la carga de CA y CC (figura 1).

Figura 1: Las normas de recarga de vehículos eléctricos se han desarrollado a escala regional en Norteamérica, Europa y China. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Tipos de CAC

Existen dos versiones de la norma CCS: Tipo 1 y Tipo 2. El tipo 1 cumple las normas SAE J1772 e IEC 62196-3 y se desarrolló para el mercado norteamericano. La estructura de los conectores de carga de CA y CC es compatible con una entrada de vehículo CCS común.

El tipo 2 también cumple la norma IEC 62196-3, pero no la norma SAE J1772. Se desarrolló originalmente en Europa y se ha adoptado en varias regiones, como ya se ha señalado. Los conectores de carga de CA y CC de tipo 2 también son compatibles con una toma de vehículo CCS común.

La norma de carga GB/T 20234 sólo se utiliza en China. En este caso, los conectores de CA y CC tienen interfaces diferentes y requieren que se utilicen tomas separadas en el vehículo.

Figura 2: Ejemplos de tomas de corriente para carga de VE de tipo CCS 1 (izquierda), CCS 2 (centro) y GB/T (derecha). (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Modos de carga

Además de las diferencias físicas entre los conectores CCS Tipo 1 y Tipo 2, en Norteamérica y Europa se utilizan distintos modos de carga. Los modos de menor potencia utilizan el cargador EV de a bordo, mientras que los modos de mayor potencia dependen de cargadores externos. Además, los niveles de potencia más elevados pueden presentar mayores retos térmicos y beneficiarse de una supervisión de la temperatura de mayor precisión.

La norma norteamericana SAE J1772 reconoce tres modos o niveles:

• El Nivel 1 está pensado principalmente para entornos residenciales y utiliza 120 voltios CA (VCA) para suministrar hasta aproximadamente 1,9 kilovatios (kW).
• El Nivel 2 utiliza una tensión superior de 208/240 CA monofásica. Se denomina "carga rápida de CA" y puede suministrar unos 19 kW al cargador de a bordo.
• El nivel 3 es la carga de CC mediante un cargador de CC externo. La especificación básica es para 600 V_CC a un máximo de 400 amperios (A) para un máximo de 240 kW. Los diseños avanzados pueden suministrar 1 kilovoltio CC (kV_CC) y 500 A para un total de 500 kW.

La norma IEC 61851-1 define cuatro modos de carga. Los modos 1, 2 y 3 utilizan el cargador a bordo del VE:

• Los modos 1 y 2 son para carga de CA de baja potencia. Los cables del modo 1 se conectan directamente a la toma de CA y la potencia disponible es limitada. El modo 2 también se enchufa directamente a la red de CA, pero añade un dispositivo de control y protección en el cable para suministrar hasta 15 kW con CA trifásica de forma segura.
• El modo 3 es de carga rápida en CA y utiliza una estación de carga para suministrar hasta 120 kW de alimentación de CA. Los cargadores de nivel 3 pueden incluir opcionalmente un protocolo de comunicaciones de alto nivel (HLC) entre la fuente de alimentación de CA externa y el cargador de a bordo para el control de la carga.
• El modo 4 es de carga rápida en CC y puede suministrar varios cientos de Kilovatios directamente a la batería/pila. HLC es necesario en el Modo 4 para proporcionar la retroalimentación necesaria para el control del cargador.

Protección térmica

Los cables cargadores de CA y CC disponen de protección térmica. Para la carga de CA de hasta 80 A, es habitual una cadena de termistores PTC (coeficiente de temperatura positiva). Consiste en una cadena de dispositivos, con uno en cada contacto. La supervisión de los valores de resistencia garantiza una desconexión segura si se supera la temperatura límite.

Los sensores Pt1000 de mayor precisión se utilizan en los contactos de los cargadores de alta potencia para garantizar una respuesta rápida y permitir que el sistema funcione de forma constante a altos niveles de potencia.

Opciones de entrada de CA y cableado

Para los diseñadores de sistemas de carga de CA, Phoenix Contact ofrece una gama completa de tomas de carga universales que pueden aceptar entradas de CA o CC, y tomas dedicadas sólo para CA que cumplen los requisitos para el Tipo 1 en Norteamérica y el Tipo 2 en Europa y son adecuadas para vehículos que no requieren carga de CC. Estos conjuntos incluyen un cable de alimentación de 2 metros y cables de 1 metro para el actuador de bloqueo, el sensor de temperatura y las comunicaciones. Disponen de mecanismos de bloqueo, sensores de temperatura y guardapolvos. Entre los ejemplos de cableado para uso en aplicaciones IEC 62196-2 y SAE J1772 Tipo 1 se incluyen:

• La toma de carga para vehículos modelo 1271960 puede manejar hasta 12 kW de alimentación de CA monofásica. Esta entrada está preparada para más de 10.000 ciclos de inserción/extracción.
• Las aplicaciones de mayor potencia pueden utilizar el modelo 1271836, con una potencia nominal de hasta 20 kW de alimentación de CA monofásica. Se incluye un actuador de bloqueo y una tapa protectora.

Phoenix Contact también ofrece una gama de cables de carga CA, entre los que se incluyen:

• Modelo 1277166 para uso con cargadores de vehículos SAE J1772 Tipo 1. TI tiene un conector de carga del vehículo en un extremo y está abierto en el otro para la fijación permanente del cargador. Incluye detección térmica en cadena PTC y puede gestionar hasta 20 kW de Alimentación de CA monofásica. Incluye un cable de 25 pies (Figura 3).
• Cable de carga de CA móvil modelo 1627692 con un conector de carga de vehículo para tomas de tipo 2 en un extremo y un conector de CA de infraestructura en el otro para su uso con cargadores de tipo 2 IEC 62196-2. Este ensamble de cables puede suministrar hasta 26,6 kW de Alimentación de CA trifásica, incluye contactos para conexiones HLC y tiene 5 m de longitud.

Figura 3: Ensamble de cables de carga de CA móvil para 20 kW. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Cables de carga CC

Phoenix Contact ofrece su línea CCS C de cables de carga de CC para sistemas de carga de potencia media utilizados en residencias privadas, complejos de apartamentos, empresas y aparcamientos. Estos cables están disponibles en diseños de tipo 1 y tipo 2 y los conjuntos tienen un conector de carga de vehículo con sensores de temperatura en un extremo y conexiones de cable abiertas en el otro. Algunos ejemplos de diseños de Tipo 1 son:

• El modelo 1105880, de 5 m de longitud, tiene una potencia nominal de 40 kW.
• El modelo 1236563, de 7 m de longitud, tiene una potencia nominal de 80 kW (Figura 4).

Figura 4: Este conector de carga de CC tiene una potencia nominal de 80 kW y un cable de 7 m. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Entrada de carga universal

La toma de carga universal modelo 1210900 funciona con conectores de CA y CC CCS Tipo 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 con capacidad de hasta 200 A y 1 _kVDC, o 80 A y 250 VCA monofásica. Los contactos de CC tienen dos sensores térmicos PT1000, y los contactos de CA tienen un esquema de detección térmica en cadena PTC.

Sistema de cableado de CC de 500 kW

Los diseñadores de sistemas de carga de CC de modo 4 HPC de alta potencia pueden recurrir al sistema de cableado 1085658, que incluye un conector para vehículos refrigerado por líquido y un cable que puede suministrar hasta 500 A a 1 _kVCC. Cumple los requisitos CSS Tipo 1, SAE J1772 e IEC 62196-3-1. El sistema incluye sensores para controlar la temperatura, las roturas de cables y las fugas de refrigerante (Figura 5). La monitorización de la temperatura se realiza con dos NTC para los contactos de CC y dos NTC para los hilos de alimentación de CC del cableado.

Figura 5: Este conjunto de cables de carga de CC de alta potencia es un sistema complejo. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Phoenix Contact también ofrece una unidad de refrigeración autónoma con estos cables de carga CC. Incluye un ventilador y una bomba de velocidad variable para proporcionar una refrigeración optimizada a los sistemas de carga de CC de alta potencia (Figura 6). La bomba y el ventilador funcionan de 0 V_CC a 10 V_CC, el ventilador consume un máximo de 1.97 A y la bomba requiere hasta 1.8 A. La solución refrigerante es una mezcla de 50% de agua y 50% de glicol. Los cables y el cableado tienen una longitud de 1.5 metros. Si se combina con el cableado 1085658, el sistema tiene una capacidad de refrigeración de 600 W para cables de 3 m, 800 W para cables de 4 m, 900 W para cables de 5 m y 1,050 W para cables de 6 m.

Figura 6: Sistema de refrigeración líquida para cables de carga de CC de alta potencia. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Resumen

Se necesitará un amplio rango de estilos de/una amplia gama de niveles de potencia de los cargadores de VE para proporcionar la infraestructura de recarga necesaria para la adopción generalizada de los VE. Los diseñadores deben desarrollar diseños de cargadores, desde cargadores de CA de baja potencia de 1.9 kW que utilizan el circuito interno del cargador de baterías del VE, hasta cargadores de CC HPC de 500 kW con cableado refrigerado por líquido que omiten el circuito interno de carga y cargan directamente las baterías. Entre estos extremos, se necesitará un amplio rango de niveles de potencia de los cargadores y modos de carga para que los vehículos eléctricos estén siempre disponibles en residencias privadas y edificios de apartamentos, hoteles, tiendas y restaurantes, centros comerciales e industriales, aparcamientos, gasolineras, áreas de descanso y otros lugares.