Use os conectores CCS para simplificar a implementação de sistemas seguros de carregamento rápido EV

O uso de veículos elétricos (EVs) está crescendo em uma variedade de aplicações, desde a agricultura e cidades até os consumidores, graças em grande parte à contínua redução da "ansiedade de alcance". Enquanto as tecnologias avançadas de bateria estão permitindo uma maior capacidade de bateria por unidade de volume — e, portanto, alcances de direção mais longos — a utilidade de tais avanços é limitada se demorar muito tempo para recarregar a bateria. Isto tem colocado o ônus para as empresas automotivas e seus fornecedores de componentes de adotar rapidamente metodologias de carga rápida.

Um dos componentes críticos no carregamento são os conectores. Eles agora devem ser capazes de lidar com até 500 quilowatts (kW) a até 1.000 volts CC, ao mesmo tempo em que também acomodam fontes CA. Devem também atender às exigências das normas IEC 62196 e SAE J1772 para uma carga rápida segura e inteligente. Para satisfazer todas as exigências do sistema automotivo e não-automotivo, os projetistas de sistemas BEV podem recorrer a conectores que atendam as especificações do Sistema de Carregamento Combinado (CCS).

Este artigo revisa os níveis e modos básicos de carregamento do EV, e depois passa para os requisitos de conectores CCS, incluindo uma comparação de conectores CCS tipo 1, CCS tipo 2 e conectores chineses GB/T. E finaliza revendo as capacidades ampliadas oferecidas por alguns fornecedores, tais como faixas mais amplas de temperatura operacional e maior proteção contra ingresso (IP), usando exemplos de conectores CCS da Phoenix Contact, TE Connectivity e Adam Tech.

Sistema de carregamento combinado para EV

A tomada CSS do veículo é projetada para aceitar conectores de energia CA e CC. O carregamento rápido CA é benéfico quando estacionado por longos períodos em uma garagem ou estacionamento, e o carregamento rápido CC é usado quando estacionado por curtos períodos em lojas, paradas de descanso e estações de carregamento dedicadas (Figura 1).

Figura 1: Uma única tomada CCS de entrada do veículo pode suportar tanto a carga rápida CA como CC. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Níveis e modos de carregamento EV

Os dimensionamentos de carga EV incluem; níveis de carga, modos de carga, invólucros de cabos e, no caso de CCS, tipos de conectores de carga. Nos Estados Unidos, o SAE J1772 reconhece três níveis de carregamento:

• O nível 1 usa energia residencial de 120 V_CA e é limitado a cerca de 1,9 kW. O nível 1 é lento.
• O carregamento de nível 2 utiliza energia monofásica de 208/240 V_CA. Pode fornecer até cerca de 19 kW com uma fonte de 240 V_CA. O nível 2 é "carga CA rápida" e carrega de três a sete vezes mais rápido que o nível 1. Os níveis 1 e 2 alimentam o carregador EV na placa.
• O nível 3 é de carga CC rápida e usa um carregador CC externo para fornecer 600 V_CC a 400 ampères (A) para uma potência total de 240 kW. Os carregadores CC rápidos avançados podem fornecer 500 kW (1.000 V_CC a 500 A).

Na Europa, a IEC 61851-1 define quatro modos de carregamento EV:

• O carregamento de modo 1 usa um simples cabo conectado diretamente a uma tomada CA. É de baixa potência e pouco utilizado.
• O modo 2 também se conecta diretamente em uma tomada CA, mas acrescenta uma proteção integrada, chamada de dispositivo de controle e proteção no cabo (IC-CPD). O modo 2 é mais seguro que o modo 1, mas só suporta carregamento de até cerca de 15 kW com energia trifásica.

Os modos 3 e 4 são de carga rápida:

• O modo 3 usa uma estação de carga dedicada (também chamada de equipamento de alimentação EV, ou EVSE) para fornecer até 120 kW CA. Todos os modos 1, 2 e 3 usam o carregador na placa do EV para controlar a carga da bateria.
• O modo 4 se refere à carga rápida CC. O carregador EV na placa é contornado e o EVSE fornece energia diretamente à bateria através de um conector CC. Várias centenas de kW podem ser fornecidas com o Modo 4. Embora seja possível a resposta de energia usando um protocolo de comunicação de alto nível (HLC) e controle de carga no Modo 3, isto é necessário no Modo 4.

Tipos, modos e invólucros de conexão

O CCS é padronizado no SAE J1772 com conector Tipo 1 na América do Norte e no IEC 62196 com conector Tipo 2 na Europa. A interface HCL entre o EV e o EVSE é baseada na ISO/IEC 15118 e DIN SPEC 70121. Há três conexões possíveis de EV para energia; invólucros A, B, e C.

No invólucro A, o cabo está permanentemente conectado ao EV, e é conectado à fonte de alimentação conforme necessário. O invólucro A não é usado em CCS. Os invólucros B e C são usados com CCS, e com o padrão chinês correspondente chamado GB/T (Figura 2). Quando o cabo de alimentação for destacável em ambas as extremidades, este é o invólucro B. Se o cabo estiver permanentemente conectado ao EVSE, é o invólucro C. O Modo 3 de carregamento pode usar tanto o invólucro B quanto o invólucro C. O Modo 4 de carregamento só usa o invólucro C.

Figura 2: Comparação dos tipos de conectores CCS tipo 1 (América do Norte), tipo 2 (Europa) e GB/T (China), modos e invólucros. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Monitoramento de temperatura e resfriamento ativo

O monitoramento da temperatura de contato é importante em sistemas de carga rápida. De acordo com a IEC 62196, o aumento de temperatura nos contatos não pode exceder 50 °C. A interface HCL entre o EV e o EVSE é usada para comunicar os dados de temperatura. Se a temperatura aumentar muito, o EVSE diminuirá ou interromperá a carga. No caso de conectores CCS para carga CA, os termistores de coeficiente positivo de temperatura (PTC) monitoram a temperatura, conforme exigido pela norma DIN 60738. Se o conector ficar muito quente, a carga pára (Figura 3). Para carregamento rápido CC, a DIN 60751 exige dois sensores Pt1000, um em cada contato. Um Pt1000 tem uma resistência que aumenta linearmente com o aumento da temperatura.

Figura 3: Um sensor de temperatura PTC desliga o carregamento CA para evitar que a temperatura exceda os níveis seguros (esquerda). Para carga rápida CC, um sensor Pt1000 permite que a temperatura seja continuamente monitorada (à direita). (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

O monitoramento da temperatura, junto com o resfriamento ativo, é necessário em sistemas que fornecem correntes de carga acima de 250 A (Figura 4). Com um projeto de resfriamento ativo, os conectores CCS podem fornecer até 500 kW (500 A a 1.000 V_CC). No caso em que a temperatura ambiente aumenta inesperadamente ou se desenvolve uma condição de sobrecarga, o monitoramento da temperatura permite que o sistema aumente a taxa de resfriamento ou diminua a taxa de carregamento para manter a temperatura dos contatos do conector abaixo do limite de especificação de +50 °C.

Figura 4: O resfriamento ativo combinado com sensor de temperatura pode suportar carga plena de 500 A e manter o aumento da temperatura do conector abaixo de +50 °C. (Fonte da imagem: Phoenix Contact (modificado pelo autor))

Mecanismos integrados de travamento

Os mecanismos de travamento são integrados aos sistemas de conectores CCS. O mecanismo de travamento nos conectores Tipo 1 é um mecanismo manual de encaixe. Nos conectores Tipo 2, o travamento é realizado utilizando um pino metálico ativado eletromagneticamente (Figura 5). A trava é controlada e seu estado é comunicado ao EVSE através de uma conexão separada.

Figura 5: As tomadas CCS de entrada dos veículos são equipadas com um pino de travamento controlado de forma eletromecânica (ao lado das setas vermelhas, na parte superior esquerda) projetado para resistir a altas forças de tração. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Tomadas e conectores tipo 1 e 2

As tomadas de carregamento CCS CHARX da Phoenix Contact têm seções transversais de cabo CC de até 95 milímetros quadrados que podem suportar taxas de carregamento de até 500 kW. O modelo 1194398 pode fornecer 125 kW de carga em operação normal e até 250 kW em modo de reforço (Figura 6). Esta tomada CCS tipo 1 é projetada para uso nos modos de carga 2, 3 e 4. Inclui um sensor de temperatura de cadeia PTC nos contatos CA e sensores Pt1000 nos contatos CC.

Figura 6: A tomada de carregamento veicular CSS tipo 1, modelo 1194398, para carregamento com energia CA ou CC pode fornecer 125 kW em operação normal, e até 250 kW em modo de reforço. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Para mais necessidades de energia, a tomada de carregamento veicular 1162148 da Phoenix Contact suporta taxas de carregamento de 500 kW em modo de rajada e 250 kW em operação normal. A transmissão de sinal digital usando modulação de largura de pulso (PWM) é implementada com comunicação por linha de energia de acordo com a ISO/IEC 15118 e DIN SPEC 70121. Tem uma faixa de temperatura ambiente de operação de -40 °C a +60 °C.

Aplicações que necessitam de um plugue CCS tipo 1 CA para carregamento de nível 2 podem usar o modelo 2267220-3 de conectores AMP da TE Connectivity (Figura 7). Dimensionado para 240 V_CA e 32 A, este conector apresenta três contatos de alimentação e dois contatos de sinal. Tem uma faixa de temperatura de operação estendida de -55 °C a +105 °C e é dimensionado para 10.000 ciclos de conexão.

Figura 7: Conector de carga CCS tipo 1 EV mostrando o sistema integrado de travamento manual (lado esquerdo do conector). (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Os cabos de conexão do carregador EV da Adam Tech incluem plugues tipo 1 e tipo 2 com cabos de 3 metros (m) ou 5 m, e estão disponíveis com classificação de proteção contra ingresso (IP) de IP54 ou IP55. Por exemplo, o CA #EV03AT-004-5M é um conector tipo 2 com um cabo de 5 m e uma classificação IP55 (Figura 8). Tem cinco contatos de alimentação e dois de sinal e é dimensionado para 480 V_CA a 16 A com uma faixa de temperatura de operação de -30 °C a +50 °C.

Figura 8: Os conectores CA CCS tipo 2 #EV03AT-004-5M são dimensionados para 480 V_CA a 16 A. (Fonte da imagem: Adam Tech)

Considerações sobre a especificação CCS

As características mecânicas e elétricas gerais das tomadas de entrada e conectores CCS de carga veicular são padronizadas, mas há algumas áreas que os projetistas precisam estar cientes ao especificar esses dispositivos:

Classificação IP: Estas classificações são especificadas de várias maneiras; quando conectado, quando desconectado sem tampa, e desconectado com tampa. Alguns plugues descobertos são classificados para IP20, o que significa que é à prova de toque e será resistente ao pó ou a objetos com mais de 12 mm de tamanho. No entanto, não tem proteção contra líquidos e será suscetível a danos se entrar em contato com borrifos de água. As classificações IP54, IP55 e IP65 são comuns para plugues CCS quando cobertos ou quando estão conectados. O IP65 tem um grau à prova d'água maior em comparação com as unidades IP54, mas o mesmo grau à prova d'água em comparação com as unidades IP55. As unidades IP54 e IP55 têm menos proteção contra poeira em comparação com as unidades IP65.

Faixa de temperatura de operação: Não há um padrão para esta especificação. Faixas tais como -30 °C a +50 °C e -40 °C a +60 °C são comuns, mas faixas estendidas tais como -55 °C a +105 °C estão disponíveis (veja o 2267220-3 da TE Connectivity acima).

Componentes de medição de temperatura: Isto é padronizado para os contatos CA usando dispositivos PTC e nos contatos CC com sensores Pt1000. O texto da ficha técnica pode ficar confuso aqui. As unidades CA às vezes chamam o uso de 'PTC' e às vezes de 'cadeia PTC'. A designação correta é "cadeia PTC", uma vez que há um PTC em cada contato. Se um simples 'PTC' for citado na ficha técnica, os projetistas devem confirmar que uma 'cadeia PTC' está sendo usada. No caso do sensor Pt1000, algumas fichas técnicas chamam um sensor Pt100 que é menos sensível e não atende às normas da CCS. É um erro comum chamar um sensor Pt1000 de dispositivo Pt100, já que o '100' é muito mais usado do que o '1000'. Os projetistas devem confirmar que é de fato Pt1000 e que há um em cada contato.

Conclusão

O carregamento rápido BEV CA e CC suporta as capacidades crescentes das baterias EV e a demanda por alcances de direção estendidos. O carregamento rápido CA é usado com EVs que percorrem distâncias relativamente curtas. Alternativamente, um carregamento rápido CC de maior potência, que pode levar uma bateria EV a 80 % de uma carga plena em poucos minutos, suporta as necessidades de condução de longa distância. O CCS oferece aos projetistas uma maneira segura, inteligente e eficiente de combinar carregamento rápido CA e CC em aplicações automotivas e não-automotivas.

Leitura recomendada

1. Como implementar, de forma rápida e eficiente, sistemas flexíveis de carregamento EV