Certificación de pilotes de carga estándar estadounidense (III) – Detalles de diseño de pilotes de CA (extremo frontal de la línea de entrada y cabezal de salida de la pistola)

Desde la perspectiva de los principios del producto, las estaciones de carga de CA estándar estadounidenses no difieren de las estándares nacionales y europeas: ambas funcionan como grandes interruptores eléctricos que conducen la energía de CA desde la red eléctrica hasta el cargador a bordo (OBC) del vehículo, que luego convierte la energía de CA en energía de CC para cargar la batería.

Si bien en general son similares, existen diferencias significativas en muchos detalles con respecto a las normas nacionales y europeas. De lo contrario, sería demasiado fácil venderlos directamente en Estados Unidos sin ninguna modificación.

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Antes de hablar de las líneas de entrada de las estaciones de carga de CA de Norteamérica, presentemos primero el sistema de voltaje de la red eléctrica de CA en los Estados Unidos.

Los sistemas de red eléctrica de la mayoría de los países del mundo están alineados con los de Europa (colonialismo y guerra); es decir, la tensión doméstica normal es de 220 V~230 V CA 50 Hz, y la tensión industrial trifásica es de 380 V~400 V CA 50 Hz. Es evidente que la tensión de la electricidad industrial es tres veces la raíz cuadrada de la tensión doméstica: la diferencia entre la tensión de línea y la tensión de fase.

El sistema de voltaje en Estados Unidos es único: el voltaje doméstico estándar es de 120 V/240 V 60 Hz, mientras que el voltaje industrial estándar es de 480 V/277 V CA 60 Hz. El voltaje utilizado para fines comerciales o residenciales de alta densidad es de 120 V/208 V CA 60 Hz, y para algunas grandes industrias pesadas es de 347 V/600 V CA 60 Hz.

¿También te sorprende que el sistema eléctrico en Estados Unidos sea tan caótico?

El uso del voltaje de 110 V se originó gracias a Edison. Edison es conocido por inventar la bombilla eléctrica. Tras numerosos experimentos y comparaciones, descubrió que la bombilla alcanzaba su máxima eficiencia luminosa y mayor vida útil con un voltaje de 110 V. Así, en 1882, Edison introdujo oficialmente la electricidad de 110 V CC en el mercado en la central eléctrica de Pearl Street, la primera central eléctrica comercial de CC en Estados Unidos.

Pero todos sabemos que la corriente continua tiene un gran inconveniente: la considerable pérdida de calor durante la transmisión a larga distancia, lo que supone un gran desperdicio de energía eléctrica. Para evitar esta pérdida excesiva, Nikola Tesla introdujo su sistema de corriente alterna (CA). Si bien la corriente alterna acabó superando a la continua, miles de electrodomésticos y dispositivos que funcionaban con 110 V ya estaban instalados en hogares y fábricas estadounidenses en aquel entonces.

Para facilitar una transición sin problemas a la era de la corriente alterna, Tesla llegó a un acuerdo: también fijó el voltaje doméstico de la corriente alterna en 110 V. Esto no solo protegió la inversión en equipos de los usuarios existentes, sino que también eliminó el temor del público a la corriente alterna de alto voltaje (que en aquel entonces se creía que era más perjudicial para la salud humana).

Por lo tanto, la adopción de la alimentación de CA de 110 V en los Estados Unidos es producto de la adaptación a la alimentación de CC de 110 V.

Con la llegada de la era eléctrica, los ingenieros se percataron gradualmente de que, en comparación con la posterior adopción de voltajes de 220 V/240 V en Europa, el sistema de 110 V en Estados Unidos sufría mayores pérdidas al transmitir electricidad de alta potencia y requería cables de cobre más gruesos para evitar el sobrecalentamiento. Sin embargo, si se realiza una actualización completa a 220 V CA, el costo es demasiado elevado. Los electrodomésticos, enchufes, fusibles e incluso la red de distribución eléctrica de millones de hogares en Estados Unidos están diseñados para funcionar con 110 V.

Por este motivo, los ingenieros eléctricos de Estados Unidos han inventado un método de suelo altamente inteligente: la tecnología de fase dividida.

Entre el cable de fase y el cable neutro, situados en el centro, se genera una tensión de 110 V/120 V, diseñada específicamente para pequeños electrodomésticos como teléfonos móviles, televisores y bombillas (segura y que no se calienta al tacto).

Cuando se unen dos cables con corriente, se convierten instantáneamente en 220V/240V, diseñados específicamente para aparatos de alto consumo eléctrico como aires acondicionados, calentadores de agua eléctricos y secadoras (con alta eficiencia y bajo consumo de cable).

Una vez comprendidos los orígenes de 120 V CA y 240 V CA, el origen de 208 V CA también es fácil de entender. 208 V es la tensión de línea de 120 V (tres veces la raíz cuadrada).

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Tras comprender el sistema de voltaje en Estados Unidos, echemos un vistazo al voltaje de entrada de la pila de corriente alterna estadounidense.

En Estados Unidos, las estaciones de carga de CA convencionales funcionan con tres tipos de voltaje: 120 V, 208 V y 240 V CA. Básicamente, la promoción de las empresas de baterías se basa en los rangos de voltaje que admiten: 110-120 V CA o 200-240 V CA.

Cabe destacar que la estación de carga con entrada de 208 V también es monofásica, no de 16 kW o 22 kW como se entiende que es la entrada trifásica de cinco hilos europea. Sin embargo, en Estados Unidos existen muy pocas estaciones de carga trifásicas que se hayan buscado en el mercado, pero aún no se han encontrado.

Entre ellas, la conexión de enchufe estándar de 110~120 V CA puede soportar una entrada de corriente máxima de 16 A.

Para estaciones de carga de CA con entrada de 200 V~240 V CA (208 V CA o 240 V CA), el extremo de la línea de entrada puede ser un enchufe o un terminal de cable. La toma de corriente de "alto voltaje" con entrada de 240 V CA en Estados Unidos (que consta de cuatro cables: dos de fase, uno neutro y uno de tierra) debe ser instalada por un electricista profesional.

Por cierto, el enchufe para conectar la toma de corriente de la estación de carga de 240 V CA debe cumplir con los requisitos de la norma NEMA 14-50. Su corriente máxima es de 50 A. Según la norma estadounidense de instalación eléctrica NFPA 70, la corriente máxima que consumen los aparatos eléctricos no debe superar el 80 % de la corriente nominal de la toma. Por lo tanto, la corriente máxima de una estación de carga de 240 V CA con enchufe solo puede alcanzar los 40 A, con una potencia de 9,6 kW.

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Tras analizar los requisitos para la entrada de la estación de carga de CA estándar estadounidense, omitamos la carcasa y veamos directamente la salida.

La salida de la estación de carga de comunicaciones es muy sencilla: solo el soporte para la pistola y el cable que corresponde a dicho soporte.

Si consulta el sitio web de la estación de comunicaciones en los Estados Unidos, encontrará que cualquier estación de carga ofrece dos tipos de conectores para pistolas: la interfaz TIPO 1, que cumple con la norma SAE J1772, y la interfaz NACS, que cumple con la norma Tesla SAE J3400.

La estructura específica y los detalles de tamaño del cabezal y el soporte del arma con dos interfaces se pueden encontrar en las normas correspondientes.

Internamente, no hay diferencia entre la interfaz NACS de Tesla y la interfaz TIPO 1 de SAE J 1772, ya que ambas constan de cinco cables: L/N/PE/CP/PP. Por supuesto, el diseño de Tesla es muy ingenioso, pues las interfaces de CC y CA son idénticas.

En lo que respecta al mercado norteamericano de estaciones de carga, la interfaz de carga de salida está pasando de la antigua interfaz TYPE1 a la interfaz NACS, y cada vez más coches optarán por ser compatibles con las interfaces de Tesla en el futuro. Las primeras estaciones de carga de CA equipadas con interfaces TYPE1 no eran compatibles con la nueva interfaz NACS.

Por supuesto, no hay de qué preocuparse demasiado, existen muchos adaptadores en el mercado que pueden ayudarte.

Los adaptadores para cabezales de pistola están estrictamente prohibidos en la norma europea IEC 61851-1:2017, pero no se encuentran cláusulas similares en la norma UL 2594 de Estados Unidos. No está prohibido por ley, simplemente úselos directamente.

Eso es todo en cuanto a la entrada y salida de la estación de carga de CA estándar estadounidense. En el próximo artículo, compartiremos los detalles de diseño de la carcasa.