El cable de carga para vehículos eléctricos adecuado brinda comodidad al usuario y al mismo tiempo garantiza seguridad y confiabilidad

La persona promedio se siente muy cómoda enchufando y desenchufando conectores eléctricos pequeños y medianos. No dudan en hacerlo con conectores USB, coaxiales de RF, HDMI y otros pequeños de bajo voltaje sin protección para sus teléfonos y muchos otros dispositivos. También han utilizado esos conectores de “barril” completamente expuestos junto con adaptadores CA-CC (transformadores de corriente portátiles) para cargar dispositivos. Como todos estos son conectores de bajo voltaje y baja potencia, no existe ningún peligro para el usuario.

Incluso con voltajes más altos, la mayoría de los consumidores no tienen problemas para enchufar cables de línea de CA (120/240 voltios) según sea necesario, y hacerlo es algo menos frecuente que con conectores de menor voltaje. La gente ha aprendido a tener un cuidado razonable con estos conectores de CA, ya que no están completamente cerrados, tienen clavijas algo expuestas y, a menudo, tienen aislamientos y cuerpos de conectores viejos y agrietados.

De hecho, es sorprendente ver cuántas muertes y heridos se producen por choques lineales. Según un informe de la Biblioteca Nacional de Medicina/Institutos Nacionales de la Salud (Lesiones eléctricas)¹, hay aproximadamente 1000 muertes al año como resultado de lesiones eléctricas en los Estados Unidos. De ellas, aproximadamente 400 se deben a lesiones eléctricas de alto voltaje, mientras que los rayos causan entre 50 y 300. También hay al menos 30,000 incidentes de descargas eléctricas al año que no son mortales, y aproximadamente el 5% de todos los ingresos a unidades de quemados en Estados Unidos se producen como resultado de lesiones eléctricas.

Aproximadamente el 20% de todas las lesiones eléctricas ocurren en niños, incluidos niños pequeños y adolescentes, y la mayoría de ellas ocurren en el hogar. En los adultos, estas lesiones ocurren principalmente en entornos ocupacionales y son la cuarta causa principal de muerte traumática relacionada con el lugar de trabajo. La buena noticia es que los choques “en casa”, con quemaduras y cosas peores, son bastante raros. En resumen: la gente sabe que los voltajes de línea de CA son potencialmente peligrosos y, por lo tanto, se procede con precaución razonable al manipular cables y enchufes de línea de CA. Esta familiaridad y la seguridad asociada deben convertirse en parte de la experiencia del usuario de vehículos eléctricos (EV).

La carga de vehículos eléctricos genera familiaridad y preocupaciones de seguridad

Con el uso más amplio de los vehículos eléctricos, se espera que los consumidores promedio se sientan cómodos con un mayor nivel de voltaje, corriente y potencia (hasta 250 kilovatios, o kW), junto con los conectores y arneses de cables asociados. Si bien algunos usuarios de vehículos eléctricos planean cargar “durante la noche en casa” usando una línea de CA (VAC) de 120/240 voltios, muchos también instalarán cargadores de CC de nivel 2 de mayor potencia en casa para aprovechar su tiempo de carga mucho más rápido y su mayor eficiencia. Sin duda, los usuarios también utilizarán cargadores de nivel 2 en la carretera en las estaciones de carga públicas. Estos usuarios esperan que el proceso de conexión/desconexión sea simple y confiable, con una secuencia de reabastecimiento similar a la de la gasolina y el diésel para motores de combustión interna (ICE) (Figura 1).

Figura 1: Parte de establecer un factor de comodidad de los EV para los usuarios es garantizar que la secuencia de conexión y desconexión para la carga se parezca a la de los vehículos ICE típicos (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Estos cargadores requieren una disposición de cableado y conector que debe cumplir objetivos desafiantes relacionados con la simplicidad de uso, gran similitud con el factor de forma de gasolina/diésel, capacidad eléctrica significativa, seguridad eléctrica y térmica, y robustez general, incluida la resistencia al abuso.

Vale la pena señalar que la industria en realidad utiliza el término "cable" para referirse al conector y su cable, ya que los dos se proporcionan como una única unidad perfectamente integrada, no como dos subconjuntos distintos.

Ejemplo de conector más el cable ilustra el desafío

Los conectores y cables de línea de CA deben cumplir requisitos eléctricos y mecánicos modestos. Estos van desde disposiciones simples de dos cables sin conexión a tierra, como las que se usan con lámparas de mesa residenciales, hasta enchufes de tres cables con conexión a tierra de alta integridad para electrodomésticos. Vienen con cables moldeados sólidos y receptáculos de conectores.

Por el contrario, las disposiciones de los EV deben manejar corrientes y voltajes mucho más altos, detectar el aumento de la temperatura interna debido a las condiciones ambientales y el autocalentamiento, soportar el uso y abuso por parte de los usuarios (caer al suelo, atropellar, dejar en un charco de agua y barro), y aún así proporcionar niveles extremos de integridad eléctrica y mecánica en un entorno desprotegido. Entre los diversos escenarios, los usuarios pueden intentar (y lograr) cargar mientras el vehículo está parcialmente en el agua (Figura 2).

Figura 2: No recomendado, pero aún funciona: las estaciones de carga de EV tienen múltiples niveles de protección para garantizar una carga segura incluso en condiciones muy húmedas. (Fuente de la imagen: Sun/News Group Newspapers/Reino Unido)

No es fácil hacer todo esto, pero se puede hacer, como lo demuestra la familia de cables de carga de CC CCS C-Line (incluidos conectores) para vehículos eléctricos de Phoenix Contact. La familia consta de dos grupos similares, pero con una clara diferencia: está el Tipo 1 para América del Norte (SAE J1772) con un clip de bloqueo discreto y el Tipo 2 para Europa (IEC 62196-3) (Figura 3). Estos dos grupos tienen especificaciones y apariencias físicas ligeramente diferentes.

Figura 3: Los conectores de carga de CC CCS C-Line para América del Norte (izquierda) y Europa (derecha) ofrecen una funcionalidad similar pero en factores de forma ligeramente diferentes. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Los cables de carga de CC CCS C-Line están equipados con un conector exclusivo y liviano que está diseñado según los estándares CCS, pero viene en un factor de forma más pequeño para facilitar su manejo y almacenamiento. Estos cables fueron creados para su uso en lugares donde no se necesita alta potencia de carga y donde se prefiere la carga de CC a la de CA. Se utilizarán en residencias personales, complejos de apartamentos, estacionamientos y negocios. Con corrientes de carga de hasta 80 amperios (A), los cables CCS C-Line ofrecen una capacidad de mayor nivel y un tiempo de carga reducido en comparación con los cables de carga de CA.

El mercado principal será el de los fabricantes de equipos de servicio para vehículos eléctricos (EVSE) y los operadores de flotas de vehículos. Dentro de los grupos Tipo 1 y Tipo 2, existen diferentes ofertas con la opción de elegir entre cables de 6 CAE (AWG) o 10 CAE(AWG) según las capacidades actuales involucradas, y longitudes de cable que varían de 4 a 7 metros (m).

A los usuarios no les importan las asignaciones esquemáticas o funcionales de los contactos del conector, como los contactos de alimentación de CC más y menos (DC+ y DC-), la tierra de protección (PE) y los contactos de señal posteriores a la inserción (CS y CP) (Figura 4).

Figura 4: Los contactos críticos del conector CCS C-Line son los contactos de alimentación de CC más y menos (DC+ y DC-), la tierra de protección (PE) y los contactos de señal posteriores a la inserción (CS y CP). (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

En cambio, lo que sí les importa es un factor de forma cómodo con una apariencia familiar y que recuerde al conjunto tradicional de manija de bomba de gasolina/diésel con “empuñadura de pistola” (Figura 5).

Figura 5: En uso, el conjunto de CC que utiliza el dispositivo de carga CCS tiene la familiaridad tranquilizadora de un proceso de reabastecimiento de combustible de un tanque de gas/diésel. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Sin embargo, las numerosas características técnicas necesarias para una carga exitosa de EV según CCS deben ser invisibles o transparentes para los usuarios; estas características están relacionadas con los números encerrados en un círculo en la Figura 6.

Figura 6: El CCS C-Line incluye seis características y funciones técnicas y de rendimiento clave que el usuario puede no notar (a menos que haya una etiqueta y un logotipo), pero que son fundamentales para un funcionamiento adecuado, eficaz, confiable y seguro. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact, modificado por Bill Schweber)

1) Tecnología de sensor de temperatura integrado: con una medición precisa de la temperatura directamente en los contactos de potencia, el proceso de carga puede interrumpirse en caso de sobrecalentamiento para proteger al usuario de peligros y a la estación de carga de daños.

2) Contactos plateados: las superficies plateadas de los contactos de potencia y señal garantizan una transmisión de energía eficiente, una protección óptima contra la corrosión y una larga vida útil.

3) Un logotipo individual: como alternativa al logotipo de Phoenix Contact, los conectores de carga se pueden suministrar con un logotipo personalizado impreso en una etiqueta de plástico resistente a los rayos UV y a la intemperie.

4) Diseño compacto con mango ergonómico: la forma ergonómica de la zona de agarre garantiza un fácil manejo y una sensación de comodidad. Además, el diseño compacto garantiza que la estación de carga y el conector de carga tengan una apariencia general armoniosa.

5) Concepto de sellado inteligente: el sofisticado concepto de sellado garantiza una estanqueidad longitudinal continua, evitando que la humedad penetre en el conector de carga o en el cable.

6) Cable diseñado según DIN EN 50620: este cable de carga especialmente robusto y con certificación VDE ha sido particularmente diseñado para su uso en aplicaciones de movilidad eléctrica en cuanto al espesor del aislamiento, la flexibilidad del material y otras propiedades.

Conclusión

La carga de CC de EV requiere un conjunto de conector y cable que satisfaga estrictos criterios de rendimiento eléctrico y mecánico. Al mismo tiempo, debe tener una apariencia, sensación, acción y factor de comodidad general que funcione para los consumidores. Los cables de carga de CC CCS C-Line Tipo 1 y Tipo 2 de Phoenix Contact satisfacen estos requisitos y están disponibles en varias versiones para cumplir con diferentes requisitos de diseño final.

Contenido relacionado

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

https://www.digikey.com/es/articles/compact-ccs-cables-provide-level-2-fast-dc-charging

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

https://www.digikey.com/es/articles/how-to-employ-a-connectors-for-ev-charging-infrastructure

Referencias

1: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK448087/