I collegamenti elettrici per le applicazioni per veicoli elettrici ad alta potenza devono essere in grado di gestire tensioni e correnti elevate sostenute per fornire la potenza necessaria per fare funzionare elettricamente i veicoli.
L'unità comune utilizzata per misurare le prestazioni del motore è la potenza, che equivale a 750 watt di energia elettrica. In quanto tale, un motore di un veicolo elettrico da 100 CV richiederebbe 75 kW di energia elettrica per garantire le stesse prestazioni. Un'auto sportiva elettrica dalle prestazioni elevate richiederebbe più di 300 kW di energia elettrica. Con un inverter di potenza a 750 V, ciò equivarrebbe a 400 A, anche senza prendere in considerazione l'allineamento variabile delle fasi della tensione applicata con la corrente applicata. In realtà l'equazione di potenza è un calcolo vettoriale rotante più complesso.
Se si osservano questi requisiti di tensione e corrente elevate dalla prospettiva dei tipici progetti dei connettori elettrici automobilistici, è necessario risolvere numerosi problemi per creare un connettore elettrico di un veicolo elettrico dalle prestazioni elevate, affidabile.
Figura 1: Connettore e morsettiera del cablaggio a tensione e corrente elevate adatti per l'uso di veicoli elettrici (fonte: Molex)
Gestione termica
L'alta corrente produce perdite di potenza proporzionali alla resistenza a contatto tra le superfici di accoppiamento del connettore. Se il connettore avesse solo 1 mΩ di resistenza a contatto, un livello di corrente di 400 A produrrebbe 160 watt (I2R) di potenza persa come calore del connettore aggiuntivo.
I connettori automobilistici devono sopravvivere in ambienti con temperature estreme che possono variare da -40 °C a 105 °C. Nel settore dei connettori è prassi limitare l'aumento di temperatura indotto dall'applicazione sui terminali a non oltre 30 °C per mantenere le tolleranze meccaniche desiderate mentre il materiale del terminale espande a causa del riscaldamento interno.
Una perdita di potenza di 160 W può facilmente creare tale aumento di temperatura se il calore non può essere dissipato in modo efficace tramite il connettore nell'ambiente circostante. Il connettore nella figura 1 è stato progettato per avere una resistenza a contatto inferiore a 50 µΩ, che corrisponde a un ventesimo della resistenza dell'esempio da 1 mΩ riportato sopra.
Resistenza a contatto
La resistenza a contatto è inoltre una funzione della forza che comprime i due componenti di collegamento di un terminale. Le forze di compressione elevate risultano in una forza ad alta inserzione, che non è desiderabile in un ambiente di produzione automobilistica moderno. In risposta i produttori utilizzano vari lubrificanti per proteggere le superfici dei contatti e ridurre la forza di inserzione. La forma, il design, il materiale e la placcatura dei terminali sono inoltre considerazioni di progettazione importanti nella riduzione della forza di inserimento.
Le tensioni elevate possono generare un fenomeno conosciuto come crescita dendritica, in cui determinati ioni metallici sono spinti a passare da una posizione fisica a un'altra a causa della forza del potenziale elettrico tra i terminali del connettore. La migrazione del metallo può risultare in un cortocircuito tra i terminali del connettore. La prevenzione richiede una selezione attenta dei composti metallici utilizzati per la placcatura dei terminali.
Le tensioni elevate possono inoltre introdurre la formazione di un arco tra i terminali e i collegamenti a terra a causa della scarica delle proprietà di isolamento della plastica e dell'aria in presenza di umidità o altri contaminanti ambientali. La prevenzione di questi effetti richiede una spaziatura meccanica maggiore dei contatti rispetto alla messa a terra del circuito nell'ambito del progetto. Ciò è comunemente noto come la generazione della dissipazione e della dispersione necessarie.
Spazio e peso di un veicolo elettrico
I requisiti delle dimensioni meccaniche possono risultare in connettori per veicoli elettrici più grandi e più pesanti del previsto, il che va contro la tendenza del settore di utilizzare connettori e controlli elettronici più piccoli, più leggeri e più economici. La gestione della massa e delle dimensioni fisiche necessarie per condurre le correnti elevate è una delle sfide più significative nella progettazione dei connettori per veicoli elettrici.
I fili in metallo utilizzati nelle applicazioni per veicoli elettrici devono mantenere un'efficienza e una conduzione elettriche elevate. Il rame è la scelta standard perché presenta costi ridotti, una conducibilità elevata e duttilità (per una maggiore flessibilità durante l'installazione) e conduce bene il calore. Purtroppo il rame è anche relativamente pesante.
Molti fattori, tra cui la composizione della lega, le proprietà di ricottura, il numero e le dimensioni dei fili e la frequenza del segnale condotto, influenzano la capacità di ampere di un cavo. Le tabelle del settore standard indicano che un cavo in fili di rame 4/0 (0000) può trasmettere 380 A di corrente all'aria aperta. Il rame nel cavo ha un diametro di circa 0,6 pollici. Grandi quantità di rame, combinate con la guaina isolante protettiva necessaria, possono causare rigidità e aumentare il peso.
Carico delle sollecitazioni meccaniche, EMI/EMR
Durante il funzionamento del veicolo, lo spostamento di un'importante massa di fili in rame comporta carichi di sollecitazioni ad alte vibrazioni sul corpo del connettore che contiene il cavo, sulla custodia dei componenti elettronici e sui terminali del connettore. Le applicazioni automobilistiche, dove i componenti di potenza sono esposti alle vibrazioni stradali e alle condizioni ambientali, ad esempio polvere, acqua, solventi e detergenti a vapore, richiedono ulteriori strategie per mantenere i sigilli di protezione lungo l'interfaccia della custodia del cavo e del corpo da alimentare. L'obiettivo del progetto è quello di mantenere i contaminanti ambientali al di fuori della custodia dei componenti elettronici di potenza, impedendo alle sollecitazioni causate durante il funzionamento del veicolo di danneggiare il corpo del connettore, la custodia dei componenti elettronici di potenza, i terminali o il filo.
A complicare questi problemi di progettazione è il fatto che la maggior parte delle applicazioni per veicoli elettrici controlla la potenza applicata al motore mediante la modulazione dell'ampiezza dell'impulso della corrente applicata, che introduce emissioni elettromagnetiche elevate irradiate e condotte. Il cavo deve essere schermato (solitamente con una treccia di messa a terra) per impedire il danneggiamento di altri segnali elettrici vitali nel veicolo. La qualità del collegamento tra la treccia di schermatura e la messa a terra delle custodie dei componenti elettronici di potenza è fondamentale per le prestazioni complessive del sistema.
Affidabilità del ciclo di vita
Ogni fase del progetto per veicoli elettrici, anche i collegamenti dei terminali ai grandi cavi in rame, richiede la risoluzione dei problemi di affidabilità a lungo termine. Per decenni, il metodo scelto per l'assemblaggio dei terminali a grandi cavi in rame è stato quello di crimpare il terminale (capocorda) sul cavo. Il processo di crimpaggio applica sollecitazioni elevate sul corpo del terminale, deformandone la forma e stringendo forte il cavo. I sistemi dei veicoli elettrici pulsano l'alta potenza tramite il giunto tra il cavo e il terminale del connettore. Il ciclo di riscaldamento e raffreddamento localizzati dell'interfaccia e del giunto causa l'espansione e la contrazione accurate del materiale. Spesso, man mano che il materiale si rilassa durante il raffreddamento, non torna completamente alle dimensioni crimpate originali.
Migliaia di ore di funzionamento possono causare la degradazione a lungo termine della resistenza a contatto del giunto tra il cavo e il terminale, che può alla fine risultare in un guasto del collegamento che richiede la sostituzione del cavo e del connettore.
L'ambiente automobilistico ad alte vibrazioni può inoltre causare problemi tra i terminali maschio e femmina del connettore. Con tali grandi masse coinvolte, la posizione, la sistemazione e l'assemblaggio dei cavi dei veicoli elettrici possono inavvertitamente consentire alle vibrazioni stradali di venire trasmesse lungo la lunghezza del cavo e infine compromettere l'integrità dell'interfaccia tra le due metà dei terminali del connettore. Il rame puro si corrode rapidamente, quindi, a seconda della scelta della placcatura protettiva applicata ai terminali, un fenomeno conosciuto come corrosione indotta da vibrazioni può comportare l'usura microscopica e la corrosione superficiale dei terminali maschio e femmina. Se lo spessore della placcatura del terminale e il processo di assemblaggio non sono precisi, un aumento nella resistenza a contatto tra le due metà del terminale può risultare in una riduzione delle prestazioni e dell'affidabilità complessiva del connettore.
Sicurezza dei connettori dei veicoli elettrici ad alta potenza
La sicurezza è sempre una fattore importante da considerare nella progettazione automobilistica, soprattutto quando si ha a che fare con tensioni e correnti elevate. UL non considera le tensioni al di sotto di 60 V CC sufficientemente pericolose da richiedere progetti di sicurezza speciali per impedire il contatto umano imprevisto con i pin del connettore. Man mano che le tensioni aumentano sopra la soglia, la resistenza interna (impedenza) del corpo umano del flusso di corrente elettrica inizia a diminuire, consentendo potenzialmente alla corrente di scorrere rapidamente attraverso il corpo causando lesioni o addirittura il decesso. A causa dei rischi significativi, i connettori dei veicoli elettrici ad alta tensione devono essere progettati con la massima considerazione per la sicurezza degli operatori e della produzione.
L'incorporamento di un circuito di interblocco ad alta tensione (HVIL, High-Voltage Interlock) e l'osservanza dei requisiti di progettazione dell'agenzia di sicurezza internazionale per i collegamenti sicuri al tocco sono strategie importanti per migliorare la sicurezza dei connettori dei veicoli elettrici. Un circuito HVIL è un circuito chiuso separato integrato nel progetto del connettore che è un tipo di connessione mate-last/break-first. Mentre un connettore di un veicolo elettrico inizia a scollegarsi, il circuito HVIL rileva lo spostamento e comunica ai componenti elettronici di potenza di scaricare le tensioni elevate presenti al terminale sotto i 60 V prima dello scollegamento finale del terminale. Solitamente ciò deve accadere entro mezzo secondo dal rilevamento dell'HVIL dell'inizio dell'interruzione del collegamento nell'unità elettronica di potenza. Idealmente ciò risulta in un'assenza di alte tensioni sui terminali dei veicoli elettrici quando il connettore viene completamente scollegato.
Come strategia di sicurezza secondaria, i progetti meccanici dei veicoli elettrici richiedono materiale isolante tra i contatti elettrici e le possibili interfacce umane. Le dimensioni meccaniche dei materiali sono sufficientemente piccole da impedire a un dito "standard" di entrare in contatto con la tensione elettrica al terminale metallico, nel caso in cui siano ancora presenti tensioni pericolose. Una delle sfide dei progetti di connettori dei veicoli elettrici è quella di creare protezioni isolanti intorno ai terminali sufficientemente piccole da proteggere un dito "standard", ma comunque in grado di contenere terminali metallici abbastanza grandi da condurre in modo efficiente l'alta corrente quando sono collegati.