Como superar os desafios de projeto para uma infraestrutura de carregamento rápido e eficiente de veículos elétricos

As soluções de carregamento de veículos elétricos (EV) precisam de uma variedade de tecnologias de conversão de energia para dar suporte a projetos de corrente alternada (CA) para carregadores domésticos e de escritório e sistemas de carregamento rápido de corrente contínua (CC) para recarga em viagens prolongadas em estradas. O ponto em comum entre todos os tipos de carregadores de EV é a necessidade de uma variedade de contatores, relés, conectores e componentes passivos necessários para suportar as altas tensões e correntes presentes, bem como fornecer os designs compactos e as altas eficiências necessárias para suportar uma infraestrutura de carregamento de EV mais rápida, segura, menor, eficiente e flexível.

O projeto de carregadores eficientes e flexíveis de EV requer uma variedade de dispositivos compactos de alta tensão. Esses dispositivos devem fornecer baixas resistências elétricas com operação confiável e segura. Em alguns casos, esses dispositivos também precisam de uma vida útil longa para a comutação elétrica, quando expostos a ambientes operacionais adversos. Alguns dispositivos de segurança, como os interruptores para desligamento de emergência, precisam ter a certificação IP67. Outros, como filtros de interferência eletromagnética (EMI), blocos de terminais e contatores, devem ter certificações internacionais específicas de desempenho.

Este artigo apresenta uma visão geral dos projetos de carregadores CA e CC para EV e alguns padrões regionais relacionados. Ele analisa a necessidade de carregadores de EV de maior potência e traça o futuro do carregamento extremamente rápido (XFC). Encerra apresentando brevemente os usos de contatores, relés, conectores, resistores de potência, interruptores, filtros EMI e sistemas de interconexão de blocos de potência em sistemas de carregamento de EV e inclui links para produtos exemplares da TE Connectivity.

Padrões regionais

Há uma variedade de padrões que definem o carregamento de EVs em CA e CC. Cada região tem sua própria abordagem. Na América do Norte (NA), a SAE J1772 descreve três níveis de carregamento de EV, enquanto a IEC 61851 é usada na Europa e detalha quatro modos de carregamento. O padrão na China é GB/T 20234 para carregamento CA e CC, enquanto no Japão há o padrão JARI (Japan Automobile Research Institute) para carregamento CA e CHAdeMO para carregamento CC. O carregamento CA é normalmente usado até cerca de 22 kW, enquanto o carregamento CC fornece mais potência. Além disso, o carregamento em CA requer um carregador na placa (OBC), enquanto os carregadores em CC se conectam diretamente ao pacote de baterias (Figura 1). Uma breve comparação dos padrões de carregamento na América do Norte e na Europa fornecerá o contexto para a próxima seção sobre projetos de carregadores e casos de uso.

Figura 1: O carregamento de CA usa um OBC, enquanto o carregamento de CC alimenta a energia diretamente na bateria. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

A NA tem dois níveis de carregamento CA. O Nível 1 usa uma tomada de parede para fornecer até 1,9 kW, enquanto o Nível 2 usa uma estação de recarga para até 19,2 kW. Os carregadores de Nível 1 são utilizados principalmente em residências, enquanto os de Nível 2 são encontrados em ambientes residenciais e comerciais. A Europa tem três modos de carregamento CA. O Modo 1 é como o Nível 1 na NA, enquanto o Modo 3 é como o Nível 2 na NA. A Europa também tem um tipo intermediário, o Modo 2, que usa um plugue de parede como o Modo 1, mas acrescenta um circuito de proteção ao cabo de conexão, permitindo que ele forneça o dobro da potência.

A rapidez não é suficiente

Os carregadores CA rápidos, como o Nível 2 na NA e o Modo 3 na Europa, são mais rápidos do que as alternativas que levam de 10 a 12 horas para carregar totalmente um EV. Dito isso, a CA rápida ainda pode levar várias horas para recarregar uma bateria descarregada, o que é útil nos casos em que o carro fica estacionado em um escritório, em casa ou em outro local por um longo período. No entanto, ainda não é rápido o suficiente para reduzir significativamente a ansiedade de autonomia entre os motoristas de EV.

É por isso que foram desenvolvidos os carregadores CA Modo 3 de alta potência e os carregadores CC Nível 4. A taxa de carga para o carregamento rápido de CC depende da quantidade de corrente disponível no carregador e da tensão do pacote de bateria. Os carregadores rápidos de CC foram inicialmente desenvolvidos para pacotes de bateria de 400 V. Para atingir 80% de carga com um carregador de 400 V e 200 A, são necessários cerca de 50 minutos. Aumentar a corrente para 350 A é um desafio, mas isso pode fornecer uma carga de 80% para um pacote de 400 V em cerca de 29 minutos. Embora o aumento da corrente diminua o tempo de carregamento necessário, é preciso mais para tornar o carregamento de EV uma alternativa eficiente em termos de tempo em relação a outros métodos de abastecimento. A meta é um tempo de carga de 10 minutos - aproximadamente o mesmo tempo necessário para encher o tanque de gasolina de um veículo com motor de combustão interna (ICE).

A próxima fase do carregamento rápido de CC será o carregamento extremamente rápido (XFC). Para chegar ao XFC, as tensões dos pacotes de baterias estão aumentando de 400 V para 800 V, com pacotes de 1 kV no horizonte. A tecnologia de carregador XFC está sendo desenvolvida para fornecer 1 kV em 350 a 500 A, reduzindo o tempo de carregamento para 10 minutos ou menos. Com os avanços no XFC, a ansiedade de autonomia se tornará obsoleta.

Além de desenvolver a tecnologia XFC, os projetistas são pressionados a desenvolver designs compactos e altas eficiências para oferecer suporte a um carregamento de EV mais seguro, menor, mais eficiente e flexível. Isso requer componentes e projetos avançados.

Figura 2: São necessários componentes avançados para desenvolver soluções de carregamento mais compactas e de maior potência para veículos elétricos. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Entrar em espaços apertados

Os projetos de carregadores XFC estão sendo desenvolvidos usando semicondutores de potência de carbeto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) que oferecem soluções de conversão de energia compactas e altamente eficientes. No entanto, a conversão de energia é apenas um elemento do projeto do carregador de EV.

Os carregadores de veículos elétricos precisam de placas compactas e robustas e conectores de sinal para controle e monitoramento. Eles precisam de relés e contatores eficientes em termos de espaço que possam lidar com as tensões mais altas associadas aos regimes de carregamento mais rápido. Os resistores de potência em carregadores de EV precisam de alta resistência de isolação, baixa temperatura de superfície, excelente desempenho do coeficiente de temperatura da resistência (TCR), capacidade de dissipar alta potência em um espaço limitado e construção à prova de fogo.

As fontes de alimentação auxiliares e outros circuitos dependem de filtros compactos de interferência eletromagnética (EMI) para eliminar a interferência com a lógica de controle e os circuitos de monitoramento. Os interruptores para desligamento de emergência com classificação IP65 e força de acionamento suficiente para impedir o acionamento involuntário são necessários para resistir a ambientes adversos.

Carregadores CA de nível 2 / modo 3

A lista a seguir detalha alguns dos principais componentes necessários ao projetar carregadores CA de Nível 2 e Modo 3. Os números listados correspondem aos números circulados na Figura 3 abaixo.

1. Os relés de potência, como a série T92 da TE, são usados como interruptor principal em estação de recarga CA. Esses relés de dois polos e um curso (DPST) são dimensionados para até 50 A e foram projetados para uso em temperaturas extremas. O modelo T92HP7D1X-12 é otimizado para desempenho térmico superior e dimensionado para 50 A e 600 VCA a até 85°C.
2. Conectores de placa e de sinal, como a série Dynamic Mini da TE, são necessários para suportar a conectividade interna de alimentação e sinal da PCI. Esses conectores incluem um mecanismo de travamento positivo audível para facilitar a instalação e a manutenção em campo. Eles são dimensionados para operação de -40 a 125°C para atender às demandas das instalações de carregamento de CA. Por exemplo, o modelo 1-2834461-2 tem 12 posições em uma linha de centro de 1,8 mm (0,071 polegada).
3. Os resistores de potência são importantes para monitorar, gerenciar e garantir uma operação segura. Eles devem ter alta resistência de isolação, baixos TCRs, como 300 ppm/°C, pouco aumento da temperatura de superfície e construção à prova de fogo. A série SQ da TE, como o modelo SQPW51R0J de 1 Ω ±5% 5 W, é adequada para uso em carregadores CA.
4. Um interruptor de parada de emergência é importante para a segurança do carregador CA. A TE oferece o interruptor de parada de emergência por botão de pressão da série PBE16 nas versões iluminada e não iluminada. Esses interruptores atendem aos requisitos das normas IEC 60947-5-1 e IEC 60947-5-5. Por exemplo, o modelo PBES16L1CR tem classificação IP 65 e força de acionamento de 20 Newton (N) para evitar acionamento involuntário.
5. Os filtros EMI são necessários para as fontes de alimentação auxiliares nas estações de recarga para evitar interferência na operação dos circuitos digitais usados para monitoramento e controle de energia. Fontes de alimentação auxiliares também são necessárias para levar alimentação aos semicondutores de potência na seção de conversão de energia. O modelo 6609065-3 da TE é um filtro EMI monofásico dimensionado para 6 A em 250 VCA e 50 ou 60 Hz.
6. Por fim, são necessárias soluções elétricas para a identificação da fiação e do painel a fim de agilizar a montagem e a manutenção em campo. Essas etiquetas devem ser fáceis de instalar e altamente duráveis. Por exemplo, a PL-027008-2.5-9 da TE é uma etiqueta adesiva de poliéster projetada para uso em gabinetes elétricos, como estações de recarga de EV.

Figura 3: Principais componentes necessários para os carregadores CA de nível 2 e modo 3. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

CC rápida e XFC

Em um nível superior, os tipos de componentes necessários para os carregadores CA de Nível 2 e Modo 3 parecem semelhantes aos usados nos carregadores CC rápidos. No entanto, há algumas diferenças sutis e óbvias entre os dois.

As estações de recarga CA normalmente usam relés para controle de energia, enquanto os carregadores de CC precisam de contatores. Embora relés e contatores sejam interruptores que usam uma tensão baixa, como 12 VCC, para alternar um circuito de tensão mais alta, os dispositivos usam diferentes estruturas de contato otimizadas para diferentes níveis de tensão e corrente. Os relés são normalmente dimensionados para até 600 V, enquanto os contatores são dimensionados para 800 V ou mais. Além disso, os relés normalmente são limitados a dezenas de amperes, enquanto os contatores estão disponíveis e podem alternar centenas de amperes. Por exemplo, o contator EV200AAANA da TE é dimensionado para 900 V e 500 A, e é adequado para carregadores rápidos de CC.

Os conectores de sinal e os resistores de potência usados nos carregadores CC não são os mesmos usados nos projetos CA. Os carregadores CC envolvem um controle mais complexo, como a comunicação com o pacote de bateria do EV, ausente nos projetos CA. Tanto os carregadores CA quanto os CC se beneficiam do uso de conectores de passo fino de placa a placa com uma linha de centro de 1,00 mm x 1,00 mm (0,050" x 0,050"), mas os carregadores CC podem exigir uma quantidade maior de pinos, como o 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP de 30 posições.

Além disso, os níveis de potência mais altos nos carregadores CC podem se beneficiar dos resistores de potência com encapsulamento de alumínio, como a série HS da TE. Esses resistores de fio são muito estáveis e podem dissipar alta potência em um espaço restrito com temperatura de superfície relativamente baixa. Por exemplo, o modelo HSA1010RJ é dimensionado para 10 Ω ±5% e 10 W. Outros modelos da série são dimensionados para até 82 kΩ e até 300 W.

Embora o mesmo tipo de interruptor para desligamento de emergência possa ser usado com frequência nos carregadores CA e CC, no caso de filtros EMI, os carregadores CC podem precisar de filtros maiores ou mais filtros, dependendo do projeto.

Outra diferença entre os carregadores CA e CC é que os carregadores CC exigem blocos de terminais ou bornes de energia, como os bornes compactos ENTRELEC da TE, para a distribuição interna de energia. O modelo CBS50-2P é dimensionado para 150 A e 1 kV.

Figura 4: Os carregadores rápidos de CC precisam da maioria dos mesmos componentes que os carregadores de CA de nível 2 e modo 3, mas também há algumas diferenças sutis. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Conclusão

Os projetos avançados de carregadores de EVs serão essenciais para reduzir a ansiedade de autonomia e permitir a implantação em larga escala de EVs. Esses carregadores avançados usarão tensões e correntes mais altas para reduzir o tempo de carregamento para cerca de 10 minutos, tornando o carregamento de EV comparável ao tempo de reabastecimento de veículos ICE. Conforme demonstrado, os projetistas precisam de uma ampla gama de componentes compactos, eficientes e ambientalmente robustos para carregadores rápidos de CA e CC e para as futuras gerações de projetos de XFC.