Ricarica CA vs CC per veicoli elettrici: come cambia il design dei connettori e dei cavi

Una wallbox domestica e una stazione di ricarica rapida autostradale possono sembrare la stessa cosa a pochi passi di distanza: una spina all'estremità di un cavo nero. In realtà, svolgono funzioni molto diverse. Il connettore di una wallbox CA da 7 kW ha una vita molto diversa dal connettore di una stazione CC da 300 kW.

La differenza tra la ricarica in CA e in CC non risiede solo nel tempo necessario per ricaricare una batteria. Determina anche la posizione dell'elettronica di potenza nel sistema, la quantità di corrente che scorre attraverso i contatti, il livello di temperatura raggiunto e il peso e la rigidità del cavo.

Se hai bisogno di un ripasso su cosa significano i diversi livelli di carica nella vita quotidiana, questo panoramica dei livelli di ricarica dei veicoli elettriciè un buon punto di partenza.

Dove CA e CC si trovano tra la rete e la batteria

Con un caricabatterie a corrente alternata (AC), la rete elettrica fornisce corrente alternata e l'auto si occupa del lavoro elettrico più pesante. La wallbox o la presa di corrente forniscono corrente alternata, mentre il caricabatterie di bordo (OBC) all'interno del veicolo la converte in corrente continua per la batteria. La potenza è limitata dalla potenza nominale dell'OBC, in genere compresa tra 3,7 e 22 kW per i veicoli leggeri. In questa configurazione, il connettore e il cavo ricevono una corrente moderata e un calore modesto, poiché le parti più calde e complesse si trovano all'interno dell'auto.

Con un caricabatterie rapido a corrente continua (CC), il lavoro più impegnativo si sposta all'esterno del veicolo. L'armadio converte la corrente alternata (CA) proveniente dalla rete in corrente continua ad alta tensione e la spinge attraverso il connettore e il cavo direttamente al bus della batteria. La potenza può facilmente attestarsi nell'intervallo 50-400 kW o superiore, quindi i contatti e i conduttori principali trasportano una corrente molto più elevata e rimangono più a lungo vicini ai loro limiti termici.

In termini pratici: la corrente alternata mantiene il lavoro più duro all'interno dell'auto, mentre la corrente continua scarica lo stress sulla spina e sul cavo.

CA contro CC

CA: potenza limitata dall'OBC del veicolo, corrente inferiore nel cavo, minore carico termico sul connettore.

CC: potenza limitata dalla stazione e dalla batteria, corrente elevata nel cavo, molto più calore da gestire al connettore.

Lo stesso veicolo può essere facile da usare con una spina CA e molto esigente con un connettore rapido CC.

Come la corrente alternata e la corrente continua influenzano i componenti interni del connettore

Tensione e corrente più elevate non modificano solo i dati nominali riportati sull'etichetta, ma costringono il progettista del connettore a fare scelte diverse in termini di isolamento, geometria dei contatti e disposizione dei pin.

Livelli di potenza, isolamento e progettazione dei contatti

La ricarica CA leggera di solito funziona a tensioni di rete normali. I sistemi rapidi CC si basano su piattaforme di batterie ad alta tensione come 400 V o 800 V. All'aumentare della tensione, il connettore deve lasciare più spazio a tali tensioni. Le distanze di dispersione e di passaggio dell'aria all'interno dell'alloggiamento aumentano, i materiali isolanti richiedono prestazioni più elevate e la geometria interna deve evitare spigoli vivi e depositi di sporco che potrebbero indebolire l'isolamento nel tempo.

Anche il profilo di corrente varia in modo significativo. Nell'uso domestico e sul posto di lavoro, i connettori tendono a trasportare decine di ampere per fase. Su un connettore rapido CC, a ciascun contatto principale può essere richiesto di gestire diverse centinaia di ampere. Ciò spinge i progettisti a utilizzare superfici di contatto più grandi sui pin di alimentazione CC e un controllo molto più rigoroso della resistenza di contatto. I sistemi a molla e a lama devono mantenere costante la forza di contatto per molte migliaia di cicli di accoppiamento, poiché un piccolo aumento di resistenza ad alta corrente può rapidamente trasformarsi in calore.

In pratica, i progettisti di connettori si concentrano su tre cose:

La tensione determina la dispersione, la distanza in aria e i materiali isolanti.

La corrente determina l'area di contatto, la qualità della placcatura e la progettazione della molla.

Il ciclo di lavoro (la frequenza con cui viene utilizzato) determina il margine di sicurezza incorporato in tutti gli elementi sopra menzionati.

Disposizione e funzioni dei pin

Sia i connettori CA che quelli CC combinano pin di alimentazione e di segnale, ma lo fanno in proporzioni diverse.

Un connettore CA per uso domestico o lavorativo è solitamente dotato di uno o tre conduttori di linea, un neutro, una messa a terra di protezione e un piccolo set di pin di controllo per la segnalazione pilota e il rilevamento di prossimità. È dotato di intelligenza sufficiente per concordare i parametri di carica di base e assicurarsi che la spina sia inserita correttamente prima che la corrente fluisca.

Un connettore rapido CC è ancora dotato di messa a terra di protezione, ma la corrente principale ora scorre attraverso pin CC+ e CC- di grandi dimensioni anziché attraverso linee e neutro. Attorno a questi pin di grandi dimensioni si trova un set più ricco di contatti a bassa tensione. I segnali pilota e di prossimità sono ancora presenti, ma la CC ad alta potenza spesso aggiunge linee di comunicazione e, in molti progetti, un sensore di temperatura dedicato per tenere d'occhio le parti più calde del connettore.

Visti fianco a fianco:

I connettori CA sono dotati di pin di alimentazione modesti e di una semplice coppia di controlli.

I connettori rapidi CC sono dotati di pin di alimentazione molto grandi circondati da un maggior numero di pin di segnale e di rilevamento.

Con l'aumentare della potenza, tendono ad aumentare sia le dimensioni dei pin principali sia il numero dei pin di segnale.

Architetture dei connettori per AC e DC

Diversi standard risolvono la questione “AC + DC” con diverse strategie meccaniche.

Un gruppo di sistemi utilizza connettori solo per corrente alternata. Si tratta delle prese che si trovano sulle auto che utilizzano la corrente alternata a casa, al lavoro e presso i caricabatterie di destinazione. Gli alloggiamenti sono compatti, le maniglie leggere e la disposizione interna è semplice. Il design è studiato per un uso quotidiano confortevole e una lunga durata a consumi ridotti.

I design combinati seguono un'altra strada. Combinano un'interfaccia CA con pin di alimentazione CC aggiuntivi in ​​un'unica presa del veicolo, in modo che una presa sull'auto accetti sia spine CA che CC. Questo riduce il numero di aperture da praticare nella carrozzeria e offre ai conducenti un obiettivo chiaro quando si avvicinano con un cavo. Il prezzo da pagare è un ingresso più grande e complesso e un design termico più compatto attorno ai pin CC.

Altre architetture evitano le prese combinate. Alcuni standard mantengono CA e CC completamente separate, in modo che ciascuna possa essere ottimizzata per il proprio scopo: le spine CA rimangono piccole e leggere, mentre le spine CC possono diventare grandi e robuste quanto necessario. Le famiglie di connettori compatti più recenti spingono nella direzione opposta e cercano di trasportare sia CA che CC attraverso un unico piccolo involucro. Ciò consente di risparmiare spazio e semplifica l'interfaccia, ma alza l'asticella in termini di riutilizzo dei pin, progettazione dell'isolamento e strategia di raffreddamento.

Cavi e calore: perché la corrente continua ha un aspetto e una sensazione diversi

Dimensioni, peso e maneggevolezza del conduttore

Per trasportare pochi kilowatt di corrente alternata in un'auto durante la notte non sono necessarie sezioni di rame elevate. I conduttori possono essere di dimensioni moderate, il che mantiene il cavo sufficientemente leggero da poter essere sollevato facilmente e sufficientemente flessibile da poter essere arrotolato ordinatamente in un angolo di un garage.

Spostare centinaia di kilowatt di corrente continua in una breve sosta è un problema diverso. Per tenere sotto controllo le perdite resistive e l'aumento di temperatura, i conduttori necessitano di molto più rame. Più rame significa più massa, e questa massa rende il cavo più pesante e rigido. Una rigidità extra si manifesta ogni volta che qualcuno cerca di piegare il cavo in un parcheggio stretto o su un marciapiede, e un peso extra si manifesta nei punti di fissaggio del cavo nella maniglia o nell'armadio.

In pratica:

Maggiore potenza CC → nuclei di rame più spessi → cavo più pesante e rigido.

Cavo più pesante → maggiore carico sui dispositivi di protezione dalla trazione e sulle terminazioni.

I cavi CA possono essere regolati in base al comfort; i cavi CC partono dai limiti termici e procedono a ritroso.

I cavi di ricarica CA sono progettati per l'uso quotidiano. Sono progettati per essere sollevati con una mano, fatti passare tra le auto in un vialetto stretto e arrotolati senza sforzo una volta terminata la ricarica. I cavi di ricarica rapida CC devono convivere con un equilibrio più rigido. Devono trasportare una corrente molto elevata ma piegarsi abbastanza da consentire a conducenti di diversa potenza e altezza di posizionare il connettore senza la sensazione di dover lottare con apparecchiature industriali. Il raggio di curvatura minimo è scelto per proteggere i conduttori e l'isolamento, ma deve comunque adattarsi alle configurazioni reali dei siti di ricarica.

Guaina esterna, durata e cavi raffreddati a liquido

I siti pubblici mettono a dura prova i cavi. Luce solare, pioggia, polvere e sporcizia stradale sono all'ordine del giorno. Inoltre, i cavi cadono sul cemento, vengono trascinati su spigoli vivi e talvolta vengono schiacciati o fatti rotolare dai veicoli. Per resistere a questo tipo di trattamento per anni, i cavi CC tendono a utilizzare guaine esterne più spesse e resistenti. I serracavi sono rinforzati e le terminazioni sono costruite per assorbire torsioni e trazioni senza trasferire tutte queste sollecitazioni direttamente ai conduttori.

I cavi domestici vivono in un ambiente più delicato, ma devono comunque resistere all'abrasione, allo sporco e alle temperature stagionali per tutta la durata del caricabatterie. I loro rivestimenti possono quindi privilegiare la flessibilità e l'aspetto estetico, purché non manchino le caratteristiche di robustezza di base.

All'estremità superiore dell'alimentazione CC, aggiungere rame e affidarsi al raffreddamento naturale alla fine non è più pratico. Il cavo dovrebbe essere così spesso e pesante che molti utenti potrebbero a malapena spostarlo, e i supporti fissi diventerebbero obbligatori in ogni vano. I cavi CC raffreddati a liquido risolvono questo problema aggiungendo un circuito di raffreddamento vicino ai conduttori di alimentazione. Il refrigerante scorre vicino ai nuclei, trasportando via il calore, in modo che lo stesso diametro esterno possa trasportare più corrente senza un aumento di temperatura incontrollato. Il compromesso è un lavoro di progettazione aggiuntivo: il percorso del refrigerante deve rimanere sigillato e affidabile per molti anni, le perdite potrebbero dover essere rilevate e monitorate e tubi e sensori devono essere instradati in modo da mantenere l'assemblaggio sufficientemente flessibile per l'uso.

Ecco perché un cavo CA può rimanere sottile e morbido, mentre i cavi CC ad altissima potenza tendono ad apparire più spessi, più stratificati e, in alcuni casi, presentano interfacce di raffreddamento visibili.

Come scegliere connettori e cavi per il tuo sito

Diversi siti di ricarica attribuiscono un peso diverso a potenza, comfort, durata e costi. Una piccola wallbox domestica e una stazione degli autobus possono essere entrambi "progetti di ricarica per veicoli elettrici", ma si collocano in angoli molto diversi dello spazio di progettazione.

I condizionatori domestici di solito attribuiscono all'alimentazione una priorità da bassa a media, perché il tempo di permanenza notturno è lungo. Il comfort di utilizzo è molto importante e la durata è data dalla capacità di resistere per anni in un ambiente temperato, piuttosto che da un uso continuo.

I conducenti che stanno decidendo tra il Livello 1 e il Livello 2 a casa possono utilizzare il nostro Guida alla ricarica domestica di livello 1 e di livello 2per vedere come queste scelte hardware si traducono nell'uso quotidiano.

I sistemi di aria condizionata per luoghi di lavoro e di destinazione sono un passo avanti: più utenti, più eventi di collegamento, maggiore richiesta di alloggiamenti solidi e chiusure affidabili.

La ricarica rapida CC pubblica porta la potenza in cima alla lista. Il comfort di guida è ancora rilevante, ma naturalmente limitato da dimensioni e peso. La durata è una priorità assoluta, perché l'apparecchiatura deve essere utilizzata all'aperto, essere utilizzata da molti utenti diversi e tollerare un uso improprio occasionale. I depositi delle flotte e i piazzali commerciali si trovano tra la CC pubblica e i luoghi di lavoro. La potenza varia da alta a molto alta e i connettori possono essere collegati e scollegati più volte al giorno su più turni. La stabilità del contatto, la robustezza meccanica e la facilità di manutenzione sono importanti tanto quanto la potenza principale.

Per un quadro completo su come le flotte combinano diversi livelli di ricarica tra depositi, case e siti pubblici, vedere il nostro guida sul livello di ricarica dei veicoli elettrici realmente necessario alle flotte.

Solitamente tre semplici domande indicano la riga giusta nella tabella:

Per quanto tempo ogni veicolo resta parcheggiato qui?

Quante volte al giorno qualcuno si collega e si scollega?

Quanto è duro l'ambiente per cavi e connettori in un periodo di dieci anni?

Prospettiva delle api operaie

Per tradurre questi principi in progetti concreti, è necessario considerare la scelta di connettori e cavi come parte integrante della progettazione dell'alimentazione e del sito, non come un ripensamento estetico. Lo stesso livello di carica può richiedere hardware molto diversi a seconda dell'ambiente e del ciclo di lavoro.

Per l'uso domestico, sul posto di lavoro e in deposito, Workersbee sviluppa connettori CA e cavi di ricarica progettati per garantire la massima praticità d'uso quotidiano e un'affidabilità a lungo termine, nel rispetto degli standard regionali. L'attenzione è rivolta a un comportamento prevedibile e a un'esperienza utente piacevole, entro i tipici intervalli di potenza CA.

Per la ricarica rapida CC pubblica e per i depositi ad alto utilizzo, Workersbee fornisce Connettori di ricarica rapida CC e cavi progettati per capacità di corrente elevata, resistenza di contatto controllata e prestazioni meccaniche robuste, con opzioni predisposte per il raffreddamento avanzato laddove i requisiti del progetto richiedono maggiore potenza e margini termici più ristretti.