Como empregar uma variedade de conectores para dar suporte a uma infraestrutura abrangente de carregamento de veículos elétricos

Uma infraestrutura de recarga onipresente será necessária para dar suporte ao futuro aumento do uso de veículos elétricos (EV). Os projetistas são desafiados a desenvolver uma ampla gama de soluções de infraestrutura para uso em residências, hotéis, lojas e restaurantes, locais comerciais e industriais, garagens de estacionamento, postos de gasolina, paradas de descanso e outros locais para carregamento de EV sempre disponível e conveniente. Em alguns casos, os usuários terão o luxo do tempo e precisarão apenas de alguns quilowatts (kW) de energia de carregamento de corrente alternada (CA) durante um longo período. Em outras circunstâncias, o tempo será essencial, e os usuários exigirão centenas de kW de energia de corrente contínua (CC) para carregar veículos elétricos em minutos.

Os projetistas precisam de várias opções de conectores que possam lidar com CA de baixa potência, CC de alta potência e uma variedade de níveis de potência intermediários. Esses conectores precisam ser ergonômicos para proporcionar comodidade ao usuário e precisam ser robustos e simples de instalar para atender às necessidades dos fabricantes de EV para soluções econômicas e confiáveis. Os conectores de recarga e as tomadas de energia devem atender aos requisitos da norma do sistema de carregamento combinado (CCS), SAE J1772 e IEC 62196.

Este artigo analisa os requisitos técnicos para carregadores de veículos elétricos em uma variedade de configurações, desde carregadores CA de baixa potência em residências até carregadores de alta potência (HPC) em vários locais comerciais, incluindo o desempenho elétrico e os padrões de interface e a necessidade de resfriamento líquido em instalações de HPC. Em seguida, apresenta uma variedade de tomadas de carregamento CA e CC, conectores e sistemas de cabos da Phoenix Contact que atendem às necessidades de todos os tipos de projetos de carregadores de veículos elétricos, juntamente com um sistema de resfriamento líquido para cabos e conectores HPC.

Os padrões de carregamento de EV e os conectores correspondentes foram desenvolvidos na América do Norte, Europa e China. Os padrões na América do Norte e na Europa estão relacionados a ambos com base no padrão do sistema de carregamento combinado (CCS) que combina o carregamento CA e CC em uma única tomada no veículo. Os conectores CCS tipo 1 são predominantes na América do Norte e na Coreia, e os conectores CCS tipo 2 são encontrados na Europa, no Oriente Médio, na África do Sul, na América do Sul, na Austrália, na Nova Zelândia e em algumas outras áreas. A China seguiu seu próprio caminho com o padrão GB/T que exige tomadas separadas para carregamento de CA e CC (Figura 1).

Figura 1: Os padrões de carregamento de EV foram desenvolvidos em uma base regional na América do Norte, Europa e China. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Tipos de CCS

Há duas versões do padrão CCS, Tipo 1 e Tipo 2. O Tipo 1 atende aos padrões SAE J1772 e IEC 62196-3 e foi desenvolvido para o mercado norte-americano. A estrutura dos conectores de carregamento CA e CC é compatível com uma tomada de veículo CCS comum.

O Tipo 2 também atende à IEC 62196-3, mas não à SAE J1772. Ele foi originalmente desenvolvido na Europa e foi adotado em várias regiões, conforme mencionado acima. Os conectores de carregamento CA e CC tipo 2 também são compatíveis com uma tomada de veículo CCS comum.

O padrão de carregamento GB/T 20234 é usado apenas na China. Nesse caso, os conectores CA e CC têm interfaces diferentes e exigem o uso de tomadas separadas no veículo.

Figura 2: Exemplos de tomadas de energia para carregamento de EVs CCS tipo 1 (esquerda), CCS tipo 2 (centro) e GB/T (direita). (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Modos de carregamento

Além das diferenças físicas entre os conectores CCS Tipo 1 e Tipo 2, diferentes modos de carregamento são usados na América do Norte e na Europa. Os modos de menor potência usam o carregador EV na placa, enquanto os modos de maior potência dependem de carregadores externos. Além disso, os níveis de potência mais altos podem apresentar maiores desafios térmicos e se beneficiar do monitoramento de temperatura com maior precisão.

A norma norte-americana SAE J1772 reconhece três modos ou níveis:

• O nível 1 é destinado principalmente a ambientes residenciais e usa 120 volts CA (Vac) para fornecer até cerca de 1,9 quilowatts (kW).
• A tensão mais alta, 208/240 CA monofásica, é usada pelo Nível 2. Isso é chamado de "carregamento rápido de CA" e pode fornecer cerca de 19 kW para o carregador de EV na placa.
• O nível 3 é o carregamento de CC usando um carregador externo de CC. A especificação básica é de 600 V_CC a até 400 amperes (A) para um máximo de 240 kW. Os projetos avançados podem fornecer 1 quilovolt CC (kV_CC) e 500 A para um total de 500 kW.

Quatro modos de carregamento são definidos pela norma IEC 61851-1. Os modos 1, 2 e 3 usam o carregador na placa do veículo elétrico:

• Os modos 1 e 2 são para carregamento CA de baixa potência. Os cabos do modo 1 são conectados diretamente à tomada da rede elétrica CA, e a energia disponível é limitada. O Modo 2 também se conecta diretamente à rede elétrica CA, mas acrescenta um dispositivo de controle e proteção no cabo para fornecer até 15 kW com CA trifásica segura.
• O Modo 3 é o carregamento rápido de CA e usa uma estação de recarga para fornecer até 120 kW de energia CA. Os carregadores de nível 3 podem, opcionalmente, incluir um protocolo de comunicação de alto nível (HLC) entre a fonte de alimentação CA externa e o carregador na placa para controle da recarga.
• O modo 4 é o carregamento rápido de CC e pode fornecer várias centenas de quilowatts diretamente para a bateria. O HLC é necessário no Modo 4 para fornecer a resposta necessária para o controle do carregador.

Proteção térmica

A proteção térmica é fornecida nos cabos dos carregadores CA e CC. Para recargas de CA de até 80 A, é comum usar uma cadeia de termistores de coeficiente positivo de temperatura (PTC). Ele consiste em uma cadeia de dispositivos, com um em cada contato. O monitoramento dos valores de resistência garante o desligamento seguro se a temperatura limite for excedida.

Os sensores Pt1000 de maior precisão são usados nos contatos de carregadores de alta potência para garantir uma resposta rápida e permitir que o sistema opere de forma consistente em altos níveis de potência.

Opções de tomadas CA e cabeamento

Para os projetistas de sistemas de carregamento CA, a Phoenix Contact oferece uma linha completa de tomadas de carregamento universais que podem aceitar entradas CA ou CC, e tomadas dedicadas somente a CA que atendem aos requisitos do Tipo 1 na América do Norte e do Tipo 2 na Europa e são adequadas para veículos que não exigem carregamento CC. Esses conjuntos incluem um cabo de força de 2 metros e cabos de 1 metro para o atuador de travamento, o sensor de temperatura e as comunicações. Eles têm mecanismos de travamento, sensores de temperatura e tampas contra poeira. Exemplos de cabeamento para uso em aplicações IEC 62196-2 e SAE J1772 Tipo 1 incluem:

• A tomada de carregamento de veículos modelo 1271960 pode suportar até 12 kW de energia CA monofásica. Essa tomada é classificada para mais de 10.000 ciclos de inserção/retirada.
• As aplicações de maior potência podem usar o modelo 1271836, dimensionado para até 20 kW de potência CA monofásica. Um atuador de travamento e uma tampa protetora estão incluídos.

A Phoenix Contact também oferece uma variedade de cabos de carregamento CA, incluindo:

• Modelo 1277166 para uso com carregadores de veículos SAE J1772 Tipo 1. Ele tem um conector de carregamento de veículo em uma extremidade e é aberto na outra para fixação permanente do carregador. Ele inclui sensoriamento térmico da cadeia PTC e pode lidar com até 20 kW de energia CA monofásica. Ele inclui um cabo de 7,6 metros (Figura 3).
• Cabo de carregamento CA móvel modelo 1627692 com um conector de carregamento de veículo para tomadas do Tipo 2 em uma extremidade e um conector CA de infraestrutura na outra para uso com carregadores do Tipo 2 IEC 62196-2. Esse cabo de conexão pode fornecer até 26,6 kW de energia CA trifásica, inclui contatos para conexões HLC e tem 5 m de comprimento.

Figura 3: Cabo de conexão de carregamento CA móvel dimensionado para 20 kW. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Cabos de carregamento CC

A Phoenix Contact oferece sua linha C CCS de cabos de recarga CC para sistemas de recarga de média potência usados em residências particulares, complexos de apartamentos, empresas e estacionamentos. Esses cabos estão disponíveis nos modelos do Tipo 1 e Tipo 2 e os conjuntos têm um conector de carregamento de veículo com sensores de temperatura em uma extremidade e conexões de cabo abertas na outra. Exemplos de projetos do Tipo 1 incluem:

• O modelo 1105880, com 5 m de comprimento e capacidade nominal de 40 kW
• O modelo 1236563 com 7 m de comprimento e capacidade nominal de 80 kW (Figura 4)

Figura 4: Esse conector de carregamento CC é dimensionado para 80 kW e tem um cabo de 7 m. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Tomada de carregamento universal

A tomada de carregamento universal modelo 1210900 funciona com conectores CA e CC, CCS Tipo 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 dimensionados para até 200 A e 1 kV_CC, ou 80 A e 250 Vac monofásicos. Os contatos CC têm dois sensores térmicos PT1000, e os contatos CA têm um esquema de sensoriamento térmico da cadeia PTC.

Sistema de cabeamento CC de 500 kW

Os projetistas de sistemas de carregamento CC HPC de modo 4 de alta potência podem recorrer ao sistema de cabeamento 1085658, que inclui um conector de veículo refrigerado a líquido e um cabo que pode fornecer até 500 A a 1 kV_CC. Ele atende aos requisitos CSS Tipo 1, SAE J1772 e IEC 62196-3-1. O sistema inclui sensores para monitoramento de temperatura, rupturas de cabos e vazamentos do líquido refrigerante (Figura 5). O monitoramento da temperatura é implementado com dois NTCs para os contatos CC e dois NTCs para os fios de alimentação CC no cabo.

Figura 5: Esse cabo de conexão para carregamento CC de alta potência é um sistema complexo. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

A Phoenix Contact também oferece uma unidade de resfriamento autônoma com esses cabos de carregamento CC. Ele inclui uma ventoinha de velocidade variável e bomba para fornecer resfriamento otimizado para sistemas de carregamento de CC de alta potência (Figura 6). A bomba e a ventoinha operam de 0 V_CC a 10 V_CC, a ventoinha consome um máximo de 1,97 A e a bomba requer até 1,8 A. A solução de resfriamento é uma mistura de 50% de água e 50% de glicol. Os cabos e a fiação têm 1,5 metro de comprimento. Quando combinado com o cabeamento 1085658, o sistema tem uma capacidade de resfriamento de 600 W para cabos de 3 m, 800 W para cabos de 4 m, 900 W para cabos de 5 m e 1050 W para cabos de 6 m.

Figura 6: Sistema de resfriamento líquido para cabos de carregamento CC de alta potência. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Resumo

Será necessária uma ampla gama de estilos de carregadores de EV e níveis de potência para fornecer a infraestrutura de carregamento abrangente para a adoção de EV em larga escala. Os projetistas devem desenvolver projetos de carregadores, desde carregadores CA de 1,9 kW de baixa potência que usam o circuito interno do carregador de bateria do EV até carregadores CC HPC de 500 kW com cabeamento resfriado a líquido que ignoram o circuito interno de carregamento e carregam diretamente as baterias. Entre esses extremos, será necessária uma ampla gama de níveis de potência do carregador e modos de carregamento para suportar o carregamento de EVs sempre disponível em residências particulares e prédios de apartamentos, hotéis, lojas e restaurantes, locais comerciais e industriais, garagens de estacionamento, postos de gasolina, paradas de descanso e outros locais.