Come utilizzare una gamma di connettori per supportare un'infrastruttura di ricarica EV completa

Per sostenere l'ondata di utilizzo dei veicoli elettrici (EV) sarà necessaria un'infrastruttura di ricarica capillare. I progettisti devono sviluppare un'ampia gamma di soluzioni infrastrutturali da utilizzare in abitazioni, hotel, negozi e ristoranti, siti commerciali e industriali, garage, stazioni di servizio, aree di sosta e altri luoghi in cui la ricarica dei veicoli elettrici sia sempre disponibile e pratica. In alcuni casi, gli utenti avranno il lusso del tempo e avranno bisogno solo di pochi kilowatt (kW) di corrente alternata (c.a.) per un periodo prolungato. In altre circostanze, il tempo sarà fondamentale e gli utenti richiederanno centinaia di kW di potenza in corrente continua (c.c.) per ricaricare i veicoli elettrici in pochi minuti.

I progettisti hanno bisogno di varie opzioni di connettori in grado di gestire corrente alternata a bassa potenza, corrente continua ad alta potenza e molti livelli di potenza intermedi. Questi connettori devono essere ergonomici per la comodità dell'utente e robusti e semplici da installare per soddisfare le esigenze dei produttori di veicoli elettrici che desiderano soluzioni economiche e affidabili. Le impugnature per la ricarica e le prese di alimentazione devono soddisfare i requisiti dello standard del sistema di ricarica combinato (CCS), SAE J1772 e IEC 62196.

Questo articolo esamina i requisiti tecnici per i caricabatterie di veicoli elettrici in una serie di ambienti, da quelli a bassa potenza in c.a. presso le abitazioni a quelli ad alta potenza (HPC) in vari luoghi commerciali, comprese le prestazioni elettriche e gli standard di interfaccia e la necessità di raffreddamento a liquido nelle installazioni HPC. Presenta quindi una gamma di ingressi, impugnature e sistemi di cavi di ricarica c.a. e c.c. di Phoenix Contact che soddisfano le esigenze di ogni tipo di progetto di caricabatterie per veicoli elettrici, oltre a un sistema di raffreddamento a liquido per cavi e connettori HPC.

Gli standard di ricarica dei veicoli elettrici e i relativi connettori sono stati sviluppati in Nord America, Europa e Cina. Gli standard in Nord America e in Europa si basano entrambi sullo standard del sistema di ricarica combinato (CCS), che combina la ricarica in c.a. e in c.c. in un'unica presa sul veicolo. I connettori CCS di tipo 1 sono diffusi in Nord America e Corea, mentre i connettori CCS di tipo 2 sono presenti in Europa, Medio Oriente, Sudafrica, Sudamerica, Australia, Nuova Zelanda e altre aree. La Cina ha seguito la propria strada con lo standard GB/T che richiede ingressi separati per la ricarica c.a. e c.c. (Figura 1).

Figura 1: Gli standard di ricarica dei veicoli elettrici sono stati sviluppati su base regionale in Nord America, Europa e Cina. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Tipi CCS

Esistono due versioni dello standard CCS, il Tipo 1 e il Tipo 2. Il Tipo 1 è conforme agli standard SAE J1772 e IEC 62196-3 ed è stato sviluppato per il mercato nordamericano. La struttura dei connettori di ricarica c.a. e c.c. è compatibile con un ingresso comune CCS per veicoli.

Il Tipo 2 soddisfa anche la norma IEC 62196-3, ma non la norma SAE J1772. È stato originariamente sviluppato in Europa ed è stato adottato in diverse regioni. I connettori di ricarica c.a. e c.c. di Tipo 2 sono compatibili anche con un ingresso comune CCS per veicoli.

Lo standard di carica GB/T 20234 è utilizzato solo in Cina. In questo caso, i connettori c.a. e c.c. hanno interfacce diverse e richiedono l'utilizzo di ingressi separati sul veicolo.

Figura 2: Esempi di prese di corrente per la ricarica dei veicoli elettrici CCS Tipo 1 (a sinistra), CCS Tipo 2 (al centro) e GB/T (a destra). (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Modalità di ricarica

Oltre alle differenze fisiche tra i connettori CCS di Tipo 1 e di Tipo 2, in Nord America e in Europa vengono utilizzate modalità di ricarica diverse. Le modalità a bassa potenza utilizzano il caricatore EV di bordo, mentre quelle a più alta potenza si affidano a caricatori esterni. Inoltre, i livelli di potenza più elevati possono presentare problemi termici maggiori e beneficiare di un monitoraggio della temperatura più accurato.

Lo standard nordamericano SAE J1772 riconosce tre modalità o livelli:

• Il livello 1 è destinato principalmente agli ambienti residenziali e utilizza 120 V c.a. per erogare fino a circa 1,9 kW.
• Il livello 2 utilizza una tensione più elevata di 208/240 V c.a. monofase. Si tratta della cosiddetta "ricarica rapida in corrente alternata", in grado di fornire circa 19 kW al caricatore EV di bordo.
• Il livello 3 è la ricarica in c.c. con un caricatore c.c. esterno. La specifica di base prevede 600 V_c.c. con un massimo di 400 A per un massimo di 240 kW. I progetti avanzati possono fornire 1 kV_c.c.) e 500 A per un totale di 500 kW.

La norma IEC 61851-1 definisce quattro modalità di ricarica. Le modalità 1, 2 e 3 utilizzano il caricabatterie di bordo dell'EV:

• le modalità 1 e 2 sono per la ricarica c.a. a bassa potenza. I cavi in modalità 1 si collegano direttamente alla presa di corrente e la potenza disponibile è limitata. Anche la modalità 2 si collega direttamente alla rete c.a., ma aggiunge un dispositivo di controllo e protezione all'interno del cavo per fornire fino a 15 kW con c.a. trifase in tutta sicurezza.
• La modalità 3 è la ricarica rapida in c.a. e utilizza una stazione di ricarica per erogare fino a 120 kW di potenza in c.a. I caricabatterie di livello 3 possono opzionalmente includere un protocollo di comunicazione di alto livello (HLC) tra la fonte di alimentazione c.a. esterna e il caricabatterie di bordo per il controllo della carica.
• La modalità 4 è una ricarica rapida in c.c. e può erogare diverse centinaia di kilowatt direttamente alla batteria. L'HLC è necessario in modalità 4 per fornire la retroazione necessaria al controllo del caricabatterie.

Protezione termica

La protezione termica è presente sia nel cavo del caricabatterie c.a. che in quello c.c. Per la carica in c.a. fino a 80 A, è comune l'uso di una catena di termistori a coefficiente di temperatura positivo (PTC). Si tratta di una catena di dispositivi, uno per ogni contatto. Il monitoraggio dei valori di resistenza garantisce lo spegnimento sicuro nel caso venga superata la temperatura limite.

I sensori Pt1000 di maggiore precisione sono utilizzati sui contatti dei caricabatterie ad alta potenza per garantire una risposta rapida e consentire al sistema di funzionare costantemente a livelli di potenza elevati.

Opzioni di ingresso e cablaggio c.a.

Per i progettisti di sistemi di ricarica in c.a., Phoenix Contact offre una gamma completa di ingressi di ricarica universali che possono accettare ingressi in c.a. o in c.c. e ingressi dedicati alla sola c.a. che soddisfano i requisiti del Tipo 1 in Nord America e del Tipo 2 in Europa e sono adatti ai veicoli che non richiedono la ricarica in c.c. Questi gruppi comprendono un cavo di alimentazione di 2 metri e cavi di 1 metro per l'attuatore di chiusura, il sensore di temperatura e le comunicazioni. Sono dotati di meccanismi di bloccaggio, sensori di temperatura e cappucci parapolvere. Esempi di cablaggio da utilizzare nelle applicazioni IEC 62196-2 e SAE J1772 Tipo 1 includono:

• La presa di ricarica per veicoli modello 1271960 può gestire fino a 12 kW di potenza c.a. monofase. Questo ingresso è stato progettato per oltre 10.000 cicli di inserimento/disinserimento.
• Per le applicazioni di potenza superiore si può utilizzare il modello 1271836, con potenza nominale fino a 20 kW di c.a. monofase. Sono inclusi un attuatore di bloccaggio e un cappuccio protettivo.

Phoenix Contact offre anche una gamma di cavi di ricarica c.a., tra cui:

• Modello 1277166 da utilizzare con i caricabatterie per veicoli SAE J1772 Tipo 1. È dotato di un connettore per la ricarica del veicolo su un'estremità e aperto sull'altra per il fissaggio permanente del caricabatterie. Include il rilevamento termico a catena PTC e può gestire fino a 20 kW di potenza c.a. monofase. Include un cavo di 7,6 m (Figura 3).
• Cavo di ricarica mobile c.a. modello 1627692 con un connettore di ricarica per veicoli per ingressi di Tipo 2 su un'estremità e un connettore c.a. per infrastrutture sull'altra per l'uso con caricabatterie IEC 62196-2 Tipo 2. Questo cavo assemblato può erogare fino a 26,6 kW di potenza c.a. trifase, include contatti per connessioni HLC ed è lungo 5 metri.

Figura 3: Cavo assemblato di ricarica mobile c.a. per 20 kW. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Cavi di ricarica c.c.

Phoenix Contact offre la linea di cavi di ricarica CCS C-Line per sistemi di ricarica di media potenza utilizzati in residenze private, complessi residenziali, aziende e parcheggi. Questi cavi sono disponibili nelle versioni di Tipo 1 e Tipo 2 e sono dotati di un connettore per la ricarica del veicolo con sensori di temperatura a un capo e connessioni di cavo aperte all'altro. Esempi di progetti di Tipo 1 sono:

• Il modello 1105880, lungo 5 metri e con una potenza nominale di 40 kW
• Il modello 1236563, lungo 7 metri e con una potenza nominale di 80 kW (Figura 4).

Figura 4: Questo connettore di ricarica c.c. è destinato alla ricarica a 80 kW e ha un cavo di 7 metri. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Ingresso di ricarica universale

L'ingresso di ricarica universale modello 1210900 funziona con connettori CCS Tipo 1, IEC 62196-2 e IEC 62196-3 in c.a. e c.c., con valori nominali fino a 200 A e 1 kV_c.c. 80 A e 250 V c.a. monofase. I contatti c.c. hanno due sensori termici PT1000, mentre i contatti c.a. hanno uno schema di rilevamento termico a catena PTC.

Sistema di cablaggio c.c. a 500 kW

I progettisti di sistemi di ricarica c.c. ad alta potenza in modalità 4 HPC possono rivolgersi al sistema di cablaggio 1085658, che comprende un connettore per veicoli raffreddato a liquido e un cavo in grado di fornire fino a 500 A a 1 kV_c.c.. Soddisfa i requisiti CSS Tipo 1, SAE J1772 e IEC 62196-3-1. Il sistema comprende sensori per il monitoraggio della temperatura, la rottura dei cavi e le perdite di refrigerante (Figura 5). Il monitoraggio della temperatura è implementato con due NTC per i contatti c.c. e due NTC per i conduttori di alimentazione c.c. nel cavo.

Figura 5: Questo cavo assemblato di ricarica c.c. ad alta potenza è un sistema complesso. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Phoenix Contact offre anche un'unità di raffreddamento autonoma con i cavi di ricarica c.c. Include una ventola e una pompa a velocità variabile per garantire un raffreddamento ottimale ai sistemi di ricarica c.c. ad alta potenza (Figura 6). La pompa e la ventola funzionano da 0 V_c.c. a 10 V_c.c., la ventola consuma al massimo 1,97 A e la pompa richiede fino a 1,8 A. La soluzione di raffreddamento è una miscela 50-50 di acqua e glicole. I cavi e il cablaggio sono lunghi 1,5 metri. In combinazione con il cablaggio 1085658, il sistema ha una capacità di raffreddamento di 600 W per i cavi da 3 m, 800 W per i cavi da 4 m, 900 W per i cavi da 5 m e 1050 W per i cavi da 6 m.

Figura 6: Sistema di raffreddamento a liquido per cavi di ricarica c.c. ad alta potenza. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Conclusione

Sarà necessaria un'ampia gamma di modelli di caricabatterie per veicoli elettrici e di livelli di potenza per fornire un'infrastruttura di ricarica completa per l'adozione su larga scala dei veicoli elettrici. I progettisti devono sviluppare progetti di caricabatterie che vanno dai caricabatterie a bassa potenza da 1,9 kW in c.a. che utilizzano il circuito interno di ricarica delle batterie dei veicoli elettrici, ai caricabatterie HPC da 500 kW in c.c. con cablaggio raffreddato a liquido che aggirano il circuito di ricarica interno e caricano direttamente le batterie. Tra questi estremi, sarà necessaria un'ampia gamma di livelli di potenza e modalità di ricarica per supportare la ricarica dei veicoli elettrici in residenze private e condomini, hotel, negozi e ristoranti, luoghi commerciali e industriali, garage, stazioni di servizio, aree di sosta e altri.