Utilizar conectores CCS para simplificar la instalación de sistemas seguros de carga rápida de VE

El uso de vehículos eléctricos (VE) está creciendo en una gran variedad de aplicaciones, desde la agricultura y los municipios hasta los consumidores, gracias en gran parte a la continua reducción de la “ansiedad por la autonomía”. Aunque las tecnologías avanzadas de baterías están permitiendo una mayor capacidad de la batería por unidad de volumen —y, por tanto, una mayor autonomía—, la utilidad de estos avances es limitada si se tarda demasiado en recargar la batería. Esto ha hecho que las empresas automotrices y sus proveedores de componentes tengan que adoptar rápidamente metodologías de carga rápida.

Uno de los componentes fundamentales en la carga son los conectores. Ahora deben ser capaces de manejar hasta 500 kilovatios (kW) con hasta 1,000 voltios de CC, al tiempo que admiten fuentes de CA. También deben cumplir con los requisitos de las normas IEC 62196 y SAE J1772 para una carga rápida segura e inteligente. Para satisfacer todas las exigencias de los sistemas automotrices y no automotrices, los diseñadores de sistemas BEV pueden recurrir a conectores que cumplan con las especificaciones del sistema de carga combinada (CCS).

En este artículo se repasan los niveles y modos básicos de carga de los VE y, a continuación, se analizan los requisitos de los conectores CCS, incluida una comparación de los conectores CCS de tipo 1, CCS de tipo 2 y GB/T chinos. Termina revisando las capacidades extendidas que ofrecen algunos proveedores, como rangos de temperatura de funcionamiento más amplios y mayores grados de protección contra la entrada de materiales extraños (IP), utilizando ejemplos de conectores CCS de Phoenix Contact, TE Connectivity y Adam Tech.

Sistema de carga combinada para VE

La entrada del vehículo CSS está diseñada para admitir conectores eléctricos de CA y CC. La carga rápida de CA es beneficiosa cuando se aparca durante periodos prolongados en un garaje o aparcamiento, y la carga rápida de CC se utiliza cuando se aparca durante periodos cortos en tiendas, paradas de descanso y estaciones de carga específicas (Figura 1).

Figura 1: Una sola entrada de un vehículo CCS puede admitir la carga rápida de CA y CC. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Niveles y modos de carga de los VE

Las clasificaciones de carga de los VE incluyen: niveles de carga, modos de carga, casos de cableado y, en el caso de los CCS, tipos de conectores de carga. En EE. UU., la norma SAE J1772 reconoce tres niveles de carga:

• El nivel 1 utiliza energía residencial de 120 V_CA y está limitado a unos 1.9 kW. El nivel 1 es lento.
• La carga de nivel 2 utiliza alimentación monofásica de 208/240 V_CA. Puede suministrar hasta unos 19 kW con una fuente de 240 V_CA. El nivel 2 es la "carga rápida de CA" y carga de tres a siete veces más rápido que el nivel 1. Los niveles 1 y 2 alimentan el cargador integrado para VE.
• El nivel 3 es de carga rápida de CC y utiliza un cargador de CC externo para suministrar 600 V_CC a 400 amperios (A) para una potencia total de 240 kW. Los cargadores rápidos de CC avanzados pueden suministrar 500 kW (1,000 V_CC a 500 A).

En Europa, la norma IEC 61851-1 define cuatro modos de carga de VE:

• El modo 1 de carga utiliza un cable simple conectado directamente a una toma de CA. Es de bajo consumo y se utiliza con poca frecuencia.
• El modo 2 también se conecta directamente a una toma de CA, pero añade una protección integrada, conocida como dispositivo de control y protección dentro del cable (CI-CPD). El modo 2 es más seguro que el modo 1, pero solo permite cargar hasta unos 15 kW con alimentación trifásica.

Los modos 3 y 4 son de carga rápida:

• El modo 3 utiliza una estación de carga específica (también llamada equipo de suministro de VE o EVSE) para suministrar hasta 120 kW de CA. Los modos 1, 2 y 3 utilizan el cargador integrado para VE para controlar la carga de la batería.
• El modo 4 hace referencia a la carga rápida de CC. Se omite el cargador integrado para VE y el EVSE suministra energía directamente a la batería a través de un conector de CC. Con el modo 4 se pueden suministrar varios cientos de kW. Aunque la retroalimentación de energía mediante un protocolo de comunicación de alto nivel (HLC) y el control de la carga son posibles en el modo 3, son necesarios en el modo 4.

Tipos, modos y casos de conexión

El CCS está estandarizado en la norma SAE J1772 con un conector de tipo 1 en Norteamérica, y en la norma IEC 62196 con un conector de tipo 2 en Europa. La interfaz HCL entre el VE y el EVSE se basa en ISO/IEC 15118 y DIN SPEC 70121. Hay tres posibles conexiones entre el VE y la electricidad: casos A, B y C.

En el caso A, el cable está conectado permanentemente al VE, y se enchufa a la fuente de alimentación según sea necesario. El caso A no se utiliza en CCS. Los casos B y C se utilizan con CCS, y con la norma china correspondiente denominada GB/T (Figura 2). Cuando el cable de alimentación es extraíble en ambos extremos, es el caso B. Si el cable está conectado permanentemente al EVSE, es el caso C. El modo de carga 3 puede utilizar tanto el caso B como el caso C. El modo de carga 4 solo utiliza el caso C.

Figura 2: Comparación de los tipos, modos y casos de conectores CCS de tipo 1 (América del Norte), de tipo 2 (Europa) y GB/T (China). (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Control de la temperatura y refrigeración activa

El control de la temperatura de los contactos es importante en los sistemas de carga rápida. Según la norma IEC 62196, el aumento de temperatura en los contactos no puede superar los 50 °C. La interfaz HCL entre el VE y el EVSE se utiliza para comunicar los datos de temperatura. Si la temperatura aumenta demasiado, el EVSE ralentizará o detendrá la carga. En el caso de los conectores CCS para la carga de CA, los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) controlan la temperatura, tal y como exige la norma DIN 60738. Si el conector se calienta demasiado, la carga se detiene (Figura 3). Para la carga rápida de CC, la norma DIN 60751 exige dos sensores Pt1000, uno en cada contacto. Un Pt1000 tiene una resistencia que aumenta linealmente con el aumento de la temperatura.

Figura 3: Un sensor de temperatura PTC interrumpe la carga de CA para evitar que la temperatura supere los niveles de seguridad (izquierda). Para la carga rápida de CC, un sensor Pt1000 permite controlar continuamente la temperatura (derecha). (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Se necesita el control de la temperatura, junto con la refrigeración activa, en los sistemas que suministran corrientes de carga superiores a 250 A (Figura 4). Con un diseño de refrigeración activa, los conectores CCS pueden suministrar hasta 500 kW (500 A a 1,000 V_CC). En el caso de que la temperatura ambiente aumente de forma inesperada o se produzca una condición de sobrecarga, el control de la temperatura permite al sistema aumentar el índice de refrigeración o disminuir el índice de carga para mantener el aumento de la temperatura de los contactos del conector por debajo del límite de especificación de +50 °C.

Figura 4: La refrigeración activa combinada con la detección de la temperatura puede admitir una carga completa de 500 A y mantener el aumento de la temperatura del conector por debajo de los +50 °C. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact [modificada por el autor])

Mecanismos de bloqueo integrados

Los mecanismos de bloqueo están integrados en los sistemas de conectores CCS. El mecanismo de bloqueo en los conectores de tipo 1 es un mecanismo de cierre manual. En los conectores de tipo 2, el bloqueo se realiza mediante un perno metálico activado electromagnéticamente (Figura 5). La cerradura se controla y su estado se comunica al EVSE a través de una conexión independiente.

Figura 5: Las entradas de los vehículos CCS están equipadas con un perno de bloqueo controlado electromecánicamente (junto a las flechas rojas, en el lado superior izquierdo) diseñado para soportar grandes fuerzas de extracción. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Entradas y conectores de tipo 1 y 2

Las entradas de carga CHARXCCS de Phoenix Contact tienen secciones de cable de CC de hasta 95 milímetros cuadrados que pueden soportar índices de carga de hasta 500 kW. El modelo 1194398 puede suministrar 125 kW de carga en funcionamiento normal y hasta 250 kW en modo de capacidad máxima (Figura 6). Esta entrada CCS tipo 1 está diseñada para su uso en los modos de carga 2, 3 y 4. Incluye un sensor de temperatura de cadena PTC en los contactos de CA y sensores Pt1000 en los contactos de CC.

Figura 6: La toma de carga de vehículos de tipo 1 del modelo 1194398 CCS para la carga con alimentación de CA o CC puede suministrar 125 kW en funcionamiento normal y hasta 250 kW en modo de capacidad máxima. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Si se necesita mayor potencia, la entrada de carga de vehículos 1162148 de Phoenix Contact admite índices de carga de 500 kW en modo de capacidad máxima y 250 kW en funcionamiento normal. La transmisión de señales digitales mediante modulación por ancho de pulsos (PWM) se realiza con la comunicación por línea eléctrica de acuerdo con las normas ISO/IEC 15118 y DIN SPEC 70121. Tiene un rango de temperatura ambiente de funcionamiento de −40 °C a +60 °C.

Las aplicaciones que necesitan una clavija de CA de tipo 1 para la carga de nivel 2 pueden utilizar el modelo 2267220-3 de conectores AMP de TE Connectivity (Figura 7). Con capacidad para 240 V_CA y 32 A, este conector cuenta con tres contactos de potencia y dos de señalización. Tiene un rango de temperatura de funcionamiento extendido de -55 °C a +105 °C y está clasificado para 10,000 ciclos de acoplamiento.

Figura 7: Conector de carga de VE CCS de tipo 1 que muestra el sistema de bloqueo manual integrado (lado izquierdo del conector). (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

Los arneses de cables para cargadores de VE de Adam Tech incluyen clavijas de tipo 1 y 2 con longitudes de cable de 3 metros (m) (9.84 pies [pi.]). o 5 m (16.4 pi.), y están disponibles con grados de protección de ingreso (IP) de IP54 o IP55. Por ejemplo, el CA #EV03AT-004-5M es un conector de tipo 2 con un cable de 5 m y una clasificación IP55 (Figura 8). Dispone de cinco contactos de potencia y dos de señalización y está preparado para 480 V_CA a 16 A con un rango de temperatura de funcionamiento de -30 °C a +50 °C.

Figura 8: Los conectores CA #EV03AT-004-5M CCS de tipo 2 están diseñados para 480 V_CA a 16 A. (Fuente de la imagen: Adam Tech)

Consideraciones sobre las especificaciones del CCS

Las características mecánicas y eléctricas generales de las tomas y los conectores de carga de vehículos CCS están estandarizadas, pero hay algunas áreas que los diseñadores deben tener en cuenta al especificar estos dispositivos:

Clasificaciones IP: Estas clasificaciones se especifican de varias maneras: cuando está enchufado, cuando está desenchufado sin una cubierta y cuando está desenchufado con una cubierta. Algunas clavijas de conexión sin cubierta tienen una clasificación IP20, lo que significa que son resistentes al tacto y al polvo o a objetos de más de 12 mm de tamaño. Sin embargo, no tiene protección contra líquidos y será susceptible de sufrir daños si entra en contacto con rociadores de agua. Es común encontrar las clasificaciones IP54, IP55 e IP65 para las clavijas de conexión CCS cuando están cubiertas o cuando están enchufadas. IP65 tiene un mayor grado de impermeabilidad que las unidades IP54, pero el mismo grado de impermeabilidad que las unidades IP55. Las unidades IP54 e IP55 tienen menos protección contra el polvo que las unidades IP65.

Rango de temperatura de funcionamiento: No hay estándar para esta especificación. Rangos como -30 °C a +50 °C y -40 °C a +60 °C son comunes, pero también hay rangos extendidos como -55 °C a +105 °C (ver el 2267220-3 de TE Connectivity arriba).

Componentes de medición de la temperatura: Está normalizado para los contactos de CA que utilizan dispositivos PTC y en los contactos de CC con sensores Pt1000. La redacción de la hoja de datos puede resultar confusa. Las unidades de CA a veces exigen el uso de “PTC” y a veces de “cadena PTC”. La denominación correcta es "cadena PTC", ya que hay un PTC en cada contacto. Si en la ficha técnica se menciona un simple "PTC", los diseñadores deben confirmar que se está utilizando una "cadena PTC". En el caso del sensor Pt1000, algunas hojas de datos mencionan un sensor Pt100 que es menos sensible y no cumple con las normas CCS. Es un error común llamar a un sensor Pt1000 un dispositivo Pt100, ya que el "100" es mucho más utilizado que el "1000". Los diseñadores deben confirmar que efectivamente es Pt1000 y que hay uno en cada contacto.

Conclusión:

La carga rápida de CA y CC de BEV se adapta a la creciente capacidad de las baterías de VE y a la demanda de mayor autonomía. La carga rápida de CA se utiliza con los VE que recorren distancias relativamente cortas. Por otro lado, la carga rápida de CC de mayor potencia, que puede llevar a la batería de un VE al 80 % de su carga completa en pocos minutos, satisface las necesidades de la conducción de larga distancia. El CCS ofrece a los diseñadores una forma segura, inteligente y eficiente de combinar la carga rápida de CA y CC en aplicaciones automotrices y no automotrices.

Lecturas recomendadas

1. Cómo implementar rápida y eficazmente sistemas flexibles de carga de VE