Las conexiones eléctricas para aplicaciones EV de alta potencia deben ser capaces de manejar altas corrientes y altos voltajes sostenidos para proporcionar la energía necesaria para propulsar vehículos eléctricamente.
La unidad común usada para medir el desempeño de energía es caballos de fuerza (HP) que es equivalente a 750 vatios de potencia eléctrica. Como tal, un motor EV de 100 HP necesita 75 kW de potencia eléctrica para tener el mismo desempeño. Un carro deportivo EV de alto desempeño fácilmente podría requerir más de 300kW de potencia eléctrica. Usar un inversor de 750V de potencia, que sería 400A, incluso antes de tener en cuenta la alineación de fase variante de voltaje aplicado con corriente aplicada. En realidad, la ecuación de potencia es un cálculo de vectores rotantes más complejo.
Viendo estos requerimientos de alto voltaje y corriente desde la perspectiva de diseños de conectores eléctricos para automóviles típicos, se deben resolver una serie de temas para poder crear un conector eléctrico EV de alto rendimiento confiable.
Figura 1: Conector Imperium de arnés de alto voltaje y alta corriente y cabecera adecuada para uso EV. (Fuente: Molex)
Administración térmica
La corriente alta produce pérdidas de potencia que son proporcionales con la resistencia de contacto entre las superficies que se juntan en el conector. Si el conector solo tenía 1 mΩ de resistencia de contacto, un nivel de corriente de 400A produciría 160 vatios (I2R) de potencia perdida como calor adicional del conector.
Los conectores automotores deben sobrevivir en ambientes de grandes extremos de temperaturas que pueden variar de -40° C a 105° C. En la industria de los conectores, es un estándar limitar el aumento de temperatura inducido por la aplicación en los terminales a no más de 30 °C para mantener las tolerancias mecánicas deseadas a medida que el material terminal se expande debido al calor interno.
Una pérdida de potencia de 160W puede fácilmente crear tal aumento de temperatura, si el calor no puede ser disipado efectivamente a través del conector al ambiente de alrededor. El conector en la Figura 1 está diseñado para tener menos de 50µΩ de resistencia de contacto, que es 1/20 de la resistencia del ejemplo anterior de 1 mΩ.
Resistencia al contacto
La resistencia al contacto también es una función de la fuerza que comprime juntos dos componentes conectados de un terminal. Las altas fuerzas de compresión dan como resultado una alta fuerza de inserción, lo que no es deseable en un ambiente de fabricación de automóviles moderno. En respuesta, los fabricantes usan distintos lubricantes tanto para proteger las superficies de los contactos y reducir la fuerza de inserción. La forma, el diseño, el material y el enchapado de los terminales también son importantes consideraciones de diseño para reducir la fuerza de inserción.
Los altos voltajes pueden introducir un fenómeno llamado crecimiento dendrítico, donde ciertos iones de metal son llevados a moverse de una posición física a otra debido a la fuerza del potencial eléctrico entre los terminales del conector. La migración de metales puede eventualmente resultar en un corto circuito entre los terminales del conector. La prevención requiere de una cuidadosa selección de compuestos de metal usados para enchapar los terminales.
Los altos voltajes también pueden introducir arcos entre los terminales y conexiones a tierra debido a la rotura de las propiedades de aislamiento de los plásticos y aire en presencia de humedad u otros contaminantes ambientales. Prevenir estos efectos requiere de un espaciado mecánico mayor de los contactos con relación al circuito a tierra como parte del diseño. Esto se conoce generalmente como proporcionar el espacio y distancia de aislamiento necesarios.
Espacio EV y peso
Los requisitos dimensionales mecánicos pueden dar como resultado conectores EV que son más grandes y pesados que lo deseable, lo que funciona de manera opuesta a la tendencia de la industria de controles electrónicos y conectores más pequeños, ligeros y económicos. Manejar el tamaño físico y la masa necesarias para conducir altas corrientes es uno de los retos más importantes al diseñar conectores EV.
Los cables de metal usados en las aplicaciones EV deben mantener una alta conducción eléctrica y eficiencia. El cobre es la elección usual por su bajo costo y alta conductividad, ductilidad (lo que permite que sea más flexible durante la instalación) y el hecho que conduce bien el calor. Desafortunadamente, el cobre también es relativamente pesado.
Muchos factores, incluyendo la composición de la aleación, las propiedades de templanza, número de hebras y tamaño y frecuencia de la señal conducida, influyen en la capacidad de amperaje del cable. Las tablas estándar de la industria indican que un cable de cobre ahebrado 4/0 (0000) puede llevar 380 A de corriente en aire libre. El cobre en ese cable mide aproximadamente 0,6 pulgadas. Grandes cantidades de cobre, combinadas con la cubierta de aislamiento protector requerida, puede volverse bastante rígido y pesado.
Carga de estrés mecánica, EMI/EMR
Durante la operación del vehículo, el movimiento de una masa significativa de cables de cobre da como resultado grandes cargas de estrés de alta vibración en el cuerpo del conector que sostiene el cable, las cubiertas de dispositivos electrónicos y los terminales del conector. Las aplicaciones para automóviles, donde los componentes eléctricos se exponen a la vibración del camino y a las condiciones ambientales, tales como polvo, agua, solventes y limpiadores a vapor, además requieren de estrategias para mantener sellos protectores junto con interfaz de cubierta de conector de cuerpo a potencia. El objetivo del diseño es mantener los contaminantes medioambientales fuera de las cubiertas de los dispositivos electrónicos, y prevenir el estrés causado durante el funcionamiento del vehículo para que no dañe el cuerpo del conector, la cubierta del dispositivo electrónico, los terminales ni los cables.
Unir estos retos de diseño es el hecho que la mayoría de aplicaciones de EV controlan la potencia aplicada al motor modulando por ancho de pulso (PWM) la corriente aplicada, lo que introduce grandes emisiones electromagnéticas radiadas y conducidas, el cable debe estar protegido (usualmente con una trenza a tierra) para prevenir la corrupción de otras señales eléctricas vitales en el vehículo. La calidad de la conexión entre el trenzado de protección y la tierra de las cubiertas de dispositivos electrónicos es vital para el desempeño general del sistema.
Confianza del ciclo de vida
Cada etapa de diseño EV, incluso las conexiones de terminales a los grandes cables de cobre, requieren resolver retos de confianza a largo plazo. Durante décadas, el método de elección para ensamblar los terminales a cables de cobre grandes ha sido engarzar el terminal (jalar) al cable. El proceso de engarzar inserta mucho estrés en el cuerpo terminal, deformando su forma y agarrando el cable con fuerza. Los sistemas EV pulsan alta potencia a través de la unión entre el terminal del cable y del conector. El ciclo de calentamiento y enfriamiento localizado del interfaz y de la unión causa una mínima expansión y contracción del material. Frecuentemente, a medida que el material se relaja durante el enfriamiento, no regresa completamente a sus dimensiones originales.
Miles de horas de operación pueden causar una degradación a largo plazo de la resistencia al contacto de la unión entre el cable y el terminal, lo que eventualmente puede dar como resultado una falla de conexión que requiere del reemplazo del cable/conector.
El ambiente automotor de alta vibración también puede causar problemas entre los terminales del conector hembra y macho. Con masas tan grandes involucradas, la posición, ubicación y ensamblaje de los cables EV puede permitir inadvertidamente que la vibración del camino se transmita hacia abajo la longitud del cable y finalmente afectar la integridad de la interfaz entre las dos mitades de los terminales del conector. El cobre puro se corroe rápidamente, de manera que dependiendo de la elección de enchapado protector que se aplique a los terminales, un fenómeno llamado corrosión inducida por vibración puede introducir desgaste microscópico y corrosión a la superficie de los terminales hembra y macho. Si el grosor del enchapado del terminal y el proceso de ensamblaje no es preciso, un aumento de la resistencia de contacto entre las dos mitades del terminal puede dar como resultado una reducción de desempeño del conector y de la confianza general.
Seguridad del conector EV de alta potencia
La seguridad siempre es la mayor consideración en el diseño automotriz, especialmente al lidiar con altos voltajes y corrientes. UL no considera los voltajes por debajo de 60 VDC lo suficientemente riesgosos para requerir diseños de seguridad especial para prevenir contacto humano no intencional con los pines conectores. A medida que los voltajes aumentan por encima del umbral, la resistencia interna (impedancia) del cuerpo humano al flujo de corriente eléctrica empieza a disminuir, potencialmente permitiendo que la corriente corra a través del cuerpo produciendo lesión e incluso una fatalidad. Debido a los importantes riesgos, los conectores de EV de alto voltaje deben ser diseñados con la más alta consideración para la seguridad de operación y fabricación.
Incorporar un circuito de interbloqueo de alto voltaje (HVIL) y seguir los requerimientos de diseño de la agencia de seguridad internacional para las conexiones seguras de tocar son estrategias importantes para mejorar la seguridad del conector EV. Un circuito HVIL es un circuito cerrado separado construido en el diseño conector que es un tipo de conexión a prueba de fallas o rupturas. A medida que un conector EV empieza a desconectarse, el circuito HVIL detecta el movimiento y envía una señal al los dispositivos electrónicos para descargar altos voltajes presentes en el terminal por debajo de 60V antes de la desconexión final del terminal. Esto típicamente debe suceder dentro de un medio segundo de que el HVIL detecte el inicio de una ruptura de conexión dentro de la unidad de dispositivo electrónico. Idealmente, eso da como resultado que no haya altos voltajes presente en los terminales EV cuando el conector esté totalmente separado.
Como una estrategia de seguridad secundaria, los diseños mecánicos de EV requieren aislar material entre los contactos eléctricos y las interfaces humanas potenciales. Las dimensiones mecánicas de los materiales son lo suficientemente pequeñas para que un dedo "estándar" no pueda hacer contacto con el voltaje eléctrico en el terminal metálico, en caso de que aún haya voltajes peligrosos presentes. Uno de los retos para el diseño de conectores EV es hacer cubiertas de protección aislantes alrededor de los terminales que son lo suficientemente pequeñas para proteger un dedo "estándar", pero que puedan acomodar grandes cantidades de terminales de metal para que puedan conducir de manera eficiente altas corrientes al ser conectados.