Cabos CCS compactos proporcionam carregamento CC rápido de nível 2

Uma carga conveniente e confiável é necessária para eliminar a "ansiedade de alcance" associada aos veículos elétricos (EVs). Para suportar essas necessidades, os projetistas da infraestrutura de equipamentos de serviço EV (EVSE) precisam incluir uma variedade de opções de carregamento, entre eles, carregadores rápidos de corrente contínua (CC) de média potência, nível 2, em instalações residenciais, comerciais e de varejo que podem fornecer até 80 amperes (A); carregadores de alta potência, nível 3, ultrarrápidos que podem fornecer até 500 A CC; e carregadores de baixa potência, nível 1, de corrente alternada (CA) para carregamento noturno e de emergência.

No entanto, a carga CC de EVs é complexa. O EVSE precisa monitorar continuamente a trava do conector, a isolação do sistema, a tensão de carga, a corrente de carga e a temperatura do conector. Se algum desses parâmetros estiver fora dos limites estabelecidos, o EVSE se desliga. Além disso, projetar, montar e garantir a integridade mecânica e elétrica a longo prazo de um cabo e conector compacto para carregadores CC de nível 2 pode ser um desafio. O cabo inclui 5 condutores: +CC, -CC, comunicações, monitor da trava e terra de proteção. Estes condutores devem ser conectados de forma confiável ao EVSE em uma extremidade e ao conector do sistema de carregamento compacto (CCS) na outra. Se qualquer uma dessas conexões estiver defeituosa, a EVSE provavelmente exigirá um retrabalho caro e demorado para garantir uma operação confiável.

Para resolver as preocupações em torno da montagem de conectores e cabos CCS para EVSEs de nível 2, os projetistas podem usar conectores CCS compactos pré-montados com cabos conectados. Estes conjuntos de cabos e conectores são projetados para uso em locais onde não é necessário carregamento de nível 3, mas é preferível o nível 2 mais rápido do que o nível 1. Estes cabos estão disponíveis em Tipo 1 para a América do Norte e Tipo 2 para a Europa, sendo que o Tipo 1 atende aos requisitos da UL2251.

Este artigo analisa as diferenças entre conectores e cabos CCS CA e CC e compara os conectores CCS de nível 2 e nível 3 CC em termos de tamanho e conveniência. Também discute vários casos de uso para cabos de conexão CCS de média potência, e depois apresenta os cabos de conexão CCS do Tipo 1 e Tipo 2 da Phoenix Contact, com as recomendações de instalação.

A diferença entre os cabos de carregamento EV CA e CC

As tomadas de carregamento padrão CCS são projetadas para aceitar tanto conectores de carga CA como CC, proporcionando flexibilidade e simplificando o projeto EV. O carregamento CA é inerentemente de menor potência e utiliza cabos com conectores plugáveis em ambas as extremidades (Figura 1). Para carregamento CC, que opera em níveis mais altos de potência, o cabo de carregamento é sempre conectado ao EVSE em uma extremidade, com um conector na outra extremidade que é inserido no receptáculo do veículo. Além disso, os conectores CC têm características de segurança não encontradas em seus equivalentes CA, incluindo mecanismos de travamento e monitoramento de temperatura.

Figura 1: Os cabos para carregamento CC estão permanentemente ligados ao EVSE e são conectados ao receptáculo EV. Os cabos para carregamento CA têm plugues em ambas as extremidades. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Os conectores CCS para carregamento CC de nível 2 e nível 3 até 250 quilowatts (kW) são similares em tamanho e podem ser usados em uma tomada de veículo comum. A principal diferença é cerca de 50% de aumento no diâmetro do cabo para unidades de 250 kW para suportar os níveis mais altos de potência, com um aumento correspondente no peso do cabo. Como resultado do cabo muito menor, o conector de nível 2 e os cabos de conexão dimensionados para até 80 kW são significativamente mais leves e fáceis de manusear. O carregamento CC de alta potência até 500 kW ou mais requer uma tomada de veículo diferente que suporte refrigeração líquida, assim como um conector e um cabo maiores (Tabela 1).

Tabela 1: Comparação de tamanho dos conectores e cabos CCS Tipo 2 para carregadores CC de 80 kW, 250 kW e 500 kW. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Os mecanismos de travamento estão integrados nos sistemas de conectores CCS de carregamento CC para a segurança do usuário e para garantir o funcionamento adequado do EVSE. Estas travas são projetadas para suportar altas forças de tração, tornando quase impossível desconectar o conector enquanto o EV está sendo carregado. O mecanismo de travamento nos conectores Tipo 1 é um clipe manual, como mostrado na Figura 2. Nos conectores Tipo 2, o travamento é realizado utilizando um pino de metal que é eletromagneticamente controlado. Em ambos os casos, o mecanismo de travamento é monitorado, e seu estado é comunicado à EVSE através de uma conexão dedicada.

Figura 2: Os conectores CCS Tipo 1 incluem um clipe de travamento operado manualmente. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

O sensor de temperatura integrado é necessário nos conectores CCS de carregamento CC. Com o monitoramento preciso da temperatura diretamente nos contatos de energia, o processo de carga pode ser interrompido ou retardado no caso de superaquecimento para proteger o usuário de perigos e o EVSE de danos. Estes conectores incluem dois sensores PT1000, um em cada contato (Figura 3). Estes sensores têm uma resistência que aumenta linearmente com o aumento da temperatura, simplificando o monitoramento da temperatura. A temperatura é comunicada ao EVSE através de uma linha de sinal no cabo.

Figura 3: Os sensores de temperatura PT1000 são necessários nos contatos do conector CCS para monitorar a temperatura de operação e ajudar a garantir uma carga segura. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Conexões seguras

As conexões dentro do conector CCS são especialmente importantes. As conexões internas ao EVSE não estão sujeitas a tensões mecânicas significativas, mas o conector CCS será acoplado e não desacoplado regularmente, e as conexões dos cabos estarão sujeitas a tensões mecânicas repetidas (Figura 4). Cabos com conectores mal fixados podem resultar em degradação do contato na forma de aumento da resistência ou perda da fixação do cabo, causando superaquecimento ou perda momentânea da conexão de um ou mais condutores. A montagem inadequada dos cabos de conectores resultará em menor confiabilidade do sistema de carregamento, insatisfação do usuário e possíveis despesas de garantia para os fabricantes de EVSE.

Figura 4: O tamanho pequeno dos conectores para carregamento CC de potência média torna difícil garantir conexões de cabos robustas e confiáveis. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Casos de uso de nível 2

Espera-se que o carregamento CC de nível 2 seja popular onde é necessária mais potência do que a que pode ser fornecida pelo carregamento CA, e não é necessária uma carga mais rápida de nível 3. Os EVSEs que utilizam estes conectores compactos atendem às normas CCS e o fator de forma menor melhora a conveniência e a facilidade de uso. Espera-se que eles sejam encontrados em uma série de aplicações, inclusive:

Residências suburbanas: Os carregadores CC de nível 2 usam 240 volts de energia CA (Vca) e podem recarregar um pacote de bateria de três a sete vezes mais rápido do que um carregador CA básico de nível 1, dependendo do EV. Um benefício adicional é que para casas com painéis solares, os carregadores CC de nível 2 podem transferir energia CC diretamente da matriz solar, eliminando a perda de energia da conversão. No futuro, à medida que os sistemas de veículo-para-rede (V2G) e veículo-para-casa (V2H) se tornarem mais comuns, estarão disponíveis carregadores bidirecionais de nível 2 que controlarão o fluxo de energia reversa do veículo para a casa ou para a rede.

Habitação multifamiliar e urbana: Complexos de apartamentos e condomínios estão fornecendo carregadores CC de nível 2 para moradores e visitantes. Além disso, o chamado carregamento "direito da via" em instalações residenciais urbanas inclui carregadores que servem carros estacionados nas ruas quando não há garagens disponíveis. Em ambos os casos, o carregador pode fornecer um fluxo de receita ao proprietário do EVSE e conveniência aos proprietários do EVSE na vizinhança.

Lugares públicos onde os carros se reúnem: Carregadores CC de nível 2 estão sendo instalados em uma variedade crescente de lugares públicos como centros comerciais e de entretenimento, escolas e faculdades, estruturas de estacionamento, arenas esportivas, postos de gasolina e oficinas mecânicas. Como as vendas de EV continuam a crescer, os carregadores CC de nível 2 também estão sendo encontrados em concessionárias de automóveis. Estes carregadores são usados para garantir que os EVs sejam totalmente carregados antes da entrega aos clientes e para recarregar os EVs deixados para o serviço.

Soluções de conector CC de nível 2

Quando é necessário carregar corrente até 80 A, os projetistas da EVSE podem recorrer ao leve conector de carga CC CCS C-Line e cabos de conexão da Phoenix Contact. Eles estão disponíveis com vários comprimentos de cabos para aplicações dos tipos 1 e 2. Por exemplo, o cabo de carregamento 1236308 tem um conector Tipo 1 e um cabo de 4 metros (m) de comprimento, e o cabo de carregamento 1236966 tem um conector Tipo 2 e um cabo de 7 metros de comprimento. Estes conectores ergonômicos atendem a todas as normas CCS em um pequeno fator de forma para facilitar conexões e desconexões rápidas para uso em uma gama de aplicações de carga de baixa potência (Figura 5). Se desejado, eles podem ser fornecidos com um logotipo da empresa para aprimorar a marca EVSE. Embora sejam pequenos em tamanho, são de alto desempenho e incluem:

• Contatos revestidos de prata para um ótimo desempenho e confiabilidade
• Sensores integrados para monitorar a temperatura dos contatos de energia, assim como mecanismos de travamento integrados, de acordo com a norma CCS
• Conformidade com DIN EN 50620, além de isolamento e bainhas extrudadas com capacidade de até 750 volts para uso em ambientes severos ao conectar o EVSE com o EV
• Compatibilidade com os requisitos da norma automotiva IATF 16949 e ISO 9001

Figura 5: A forma ergonômica dos conectores CCS C-Line, mais seus cabos leves, facilitam o manuseio e a conveniência. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Integração EVSE

Para dar suporte a integração dos cabos de conexão C-Line em EVSEs, a Phoenix Contact fornece aos projetistas os suportes de conectores e prensa-cabos, incluindo o suporte de conector 1624143 e o prensa-cabo 1424483 para conectores Tipo 1, e o suporte de conector 1624153 e o prensa-cabo 1411134 para conectores Tipo 2. A instalação de suportes de conectores na lateral ou na frente do EVSE proporciona um lugar seguro para um conector quando ele não estiver em uso. O conector trava no lugar, mas pode ser facilmente removido. O suporte tem a flexibilidade de ser montado com 0˚ a 45˚ de inclinação frontal. O uso de um prensa-cabo protege o cabo ao passar pela parede do EVSE, protege o cabo contra danos se o usuário o puxar e impede a entrada de sujeira e umidade no EVSE.

Figura 6: Os suportes de conectores (esquerda) e prensa-cabos (direita) para conectores Tipo 2 facilitam a integração de conectores e cabos de conexão CCS C-Line em EVSEs. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Conclusão

O carregamento CC de nível 2 pode fornecer uma alternativa valiosa para carregamento de nível 1 de menor potência. Entretanto, o projeto de cabos e conectores para carregamento CC vem com muitos desafios de desempenho, segurança e regulamentação. Como mostrado, ao usar cabos de conexão/conectores prontos para carregamento de nível 2, os projetistas podem resolver rapidamente muitos desses desafios, com as vantagens embutidas, tais como peso mais leve e conceito ergonômico para maior facilidade de uso.

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