Encendido fácil y seguro: el arte del diseño de los cargadores para vehículos eléctricos

A medida que buscamos formas de transporte más sostenibles, las ventajas de los vehículos eléctricos (VE) son cada vez más evidentes.

El éxito de los vehículos eléctricos depende en gran medida de que los conductores puedan cargar sus vehículos cómodamente, ya sea a través del cargado doméstico o en estaciones de carga en pueblos, ciudades y estaciones de servicio. Por tanto, el diseño de los cargadores para vehículos eléctricos requiere tener en cuenta dónde se ubican, cómo se usan, los tiempos y las tensiones de carga, la facilidad de uso, la seguridad, las comunicaciones y la protección.

¿Dónde se cargan los vehículos eléctricos?

Los vehículos eléctricos se recargan en dos tipos de lugares. El primero es un cargador de destino, normalmente situado en instalaciones como un aparcamiento, un centro comercial u otro lugar del centro de la ciudad o en casa. Estos usan cargadores CA lentos.

El otro es un cargador en ruta, a menudo situado en estaciones de servicio en la autopista. Estos emplean cargadores CC rápidos y de alta potencia que pueden ofrecer tiempos de carga acelerados.

Normas y velocidades de cargado

Existen tres tipos principales de cargadores:

• Cargadores rápidos
• Cargadores muy rápidos
• Puntos domésticos

Cargadores rápidos

La mayoría de los cargadores públicos que se están instalando son "cargadores rápidos", esencialmente un enchufe montado en la pared o un poste con un par de tomas. La carga con "cargadores rápidos" puede demorarse varias horas, pero muchos conductores de vehículos eléctricos suelen necesitar simplemente una "recarga parcial" y pueden enchufarse durante una hora más o menos. Por ello, la ocupación de estos cargadores es de duración imprevisible, lo que requiere una cierta flexibilidad de uso.

Cargadores muy rápidos

Dado que los cargadores muy rápidos suministran la carga a una corriente más alta, cargarán un vehículo más rápidamente que los "cargadores rápidos", suministrando alrededor del 80 % de la carga que necesita el coche en los primeros 30 a 40 minutos. Sin embargo, la química de las baterías hace que no sea posible cargar por completo un coche a este mismo ritmo acelerado: aunque es posible cargarlo por completo en un "cargador muy rápido", tardará más de una hora. Se trata, por tanto, de un uso ineficaz de un "cargador muy rápido" y debe desaconsejarse. También son más costosos y requieren una conexión eléctrica de mayor capacidad. Con un cable incorporado al cargador, su aspecto es similar al de las bombas de gasolina convencionales.

Cargado doméstico

Los cargadores domésticos se usan generalmente fuera de la vía pública en entradas de vehículos y garajes domésticos. Por lo general, cargan durante la noche usando electricidad fuera de las horas punta. Algunos utilizan cables fijos, mientras que otros aprovechan el cable portátil del vehículo. La carga en el trabajo puede realizarse de diversas formas, aunque muchas empresas están instalando cargadores domésticos o rápidos.

Tipos de conector

Los cables de cargado de coches suelen tener dos conectores, uno que se enchufa a la toma del vehículo y otro al propio punto de carga. Los vehículos eléctricos tienen una toma tipo 1 o 2 para carga lenta/rápida o una CHAdeMO o CCS para carga rápida en corriente continua.

La mayoría de los puntos de recarga lenta/rápida tienen una toma tipo 2, mientras que todas las estaciones de recarga rápida CC tienen un cable conectado con un conector CHAdeMO y un conector CCS, principalmente. La mayoría de los conductores de vehículos eléctricos comprarán un cable de carga portátil que se adapte a la toma tipo 1 o tipo 2 de su vehículo para poder cargar en las redes públicas.

En la actualidad se usan ocho normas de conectores diferentes, tanto CA como CC, que varían de una marca a otra y de una región a otra.

Componentes de una estación de carga de vehículos eléctricos

Figura 1: Componentes de un cargador de vehículos eléctricos típico - fuente TTI

Una estación de recarga de vehículos eléctricos está compuesta normalmente por un cargador de vehículos eléctricos, una red eléctrica, un contador de la instalación, un controlador de energía, una plataforma de software, el centro operativo de la red, almacenamiento de energía y varios otros componentes pertinentes, como interfaces de usuario, conectividad de red y componentes para gestionar el cobro y la facturación.

Almacenamiento de energía para el cargado de vehículos eléctricos

El sistema de almacenamiento energético en una estación de recarga de vehículos eléctricos consta de tres unidades principales: la batería, el sistema de conversión de energía y el software.

Las baterías son principalmente de iones de litio, compuestas por células y un sistema de gestión de baterías (BMS) para controlar la carga y la descarga, mientras que el sistema de conversión de energía consta de un inversor y una carcasa, y un sistema de climatización para mantener la batería a una temperatura específica.

El software de recarga de vehículos eléctricos ayuda a conectar y monitorizar el cargador, apoya la detección automática de fallos, ofrece visualización en directo del contador, gestiona la facturación y los pagos, hace un seguimiento de los costes y gestiona a los usuarios, entre otras cosas.

Componentes de seguridad

La seguridad es de vital importancia para los usuarios de cargadores de vehículos eléctricos, sobre todo porque muchos no tendrán experiencia con tensiones tan elevadas. En la actualidad, los cargadores típicos de vehículos eléctricos suministran entre 400 V y 1.000 V de corriente continua, lo que supone un riesgo potencial de seguridad tanto por descarga eléctrica (normalmente como resultado de un fallo a tierra) como por sobrecorriente.

Un dispositivo de protección contra fallos a tierra utiliza un transformador de corriente en los conductores de fase. Esto garantiza que toda la corriente procedente de la fuente retorne por los mismos conductores. Un fallo a tierra en el sistema devolverá la corriente a través de esta vía. También se requiere protección contra fallos a tierra en el lado de salida para evitar que los conductores toquen una boquilla potencialmente cargada. Esto se logra usando un monitor de fallo a tierra de CC para detectar una fuga a tierra y cortar la alimentación de inmediato.

Las estaciones de recarga de vehículos eléctricos necesitan altas tensiones para satisfacer la demanda actual y el número de vehículos que las utilizan, pero permitir que esa potencia supere los niveles normales puede tener muchas consecuencias indeseables: sobrecalentamiento de los sistemas, daños en el aislamiento e incluso lesiones o la muerte de los usuarios.

La solución es seleccionar los fusibles según su capacidad de interrupción, su valor nominal basado en la corriente normal de funcionamiento y su curva tiempo-corriente. Estos fusibles limitadores de corriente actúan rápidamente en caso de sobrecorrientes de alto valor.

La protección contra sobrecorriente es especialmente importante para los semiconductores que son sensibles a las amenazas eléctricas. Estos semiconductores suelen tener base de silicio y carburo de silicio. Aunque los fusibles convencionales son adecuados para la protección de la mayoría de ellos, se necesitan fusibles especiales de CC de alta velocidad para proteger los dispositivos semiconductores de potencia como los MOSFET y los IGBT empleados en los convertidores de potencia.

Conversión de potencia

La conversión de potencia es un elemento crucial en los sistemas de carga rápida de corriente continua. Minimizar las pérdidas en la conversión de potencia garantiza que la máxima cantidad posible de energía llegue a las baterías del vehículo, lo que también ayuda a reducir la acumulación de calor en los sistemas.

Los dispositivos semiconductores de potencia convierten la corriente alterna en la corriente continua que necesitan las baterías del vehículo. Los dispositivos semiconductores controlan la carga mediante conmutación, lo que inevitablemente provoca pérdidas de energía en forma de calor.

Para responder a este reto, los convertidores de potencia avanzados se basan cada vez más en la tecnología de carburo de silicio (SiC) y de nitruro de galio (GaN). Las dos principales tecnologías en este ámbito son el SiC (carburo de silicio) y el GaN (nitruro de galio).

El SiC es un semiconductor compuesto de silicio y carburo. Los semiconductores de potencia de SiC se pueden usar para tensiones de dispositivos de potencia mucho más altas que las de los tradicionales de silicio, desde 600 V hasta miles de voltios. Esta tecnología se utiliza normalmente en aplicaciones de alta potencia y ofrece menores pérdidas de conmutación y menor coste.

El nitruro de galio (GaN) es un semiconductor muy duro y mecánicamente estable. Un GaNFET ofrece mucha mayor resistencia a la ruptura, velocidad de conmutación más rápida, conductividad térmica más alta y resistencia más baja que los productos equivalentes de silicio.

Además de manejar tensiones mucho más altas que el silicio, su alta velocidad de conmutación también los hace especialmente adecuados para la gestión de baterías en vehículos eléctricos.

Aspectos ergonómicos

Uno de los principales aspectos del diseño de los cargadores de vehículos eléctricos es su facilidad de uso: para garantizar que los vehículos eléctricos alcancen el número de ventas necesario para mantener la viabilidad del mercado, los usuarios deben confiar en que los cargadores son fáciles de usar y también en que sus datos están seguros.

Esto abarca varios aspectos. Una de las principales consideraciones son los cables y las tomas de corriente, que deben tener un enchufe de diseño ergonómico, con una resistencia mínima cuando el usuario necesite extender y maniobrar el cable. Los cables también deben tener la longitud adecuada para llegar a las tomas de corriente de los distintos modelos de vehículos.

Otras consideraciones son la altura y la ubicación del punto de recarga y de los cables para garantizar la manipulación segura por parte de todos los usuarios, iluminación suficiente que permita el uso nocturno, opciones de pago adecuadas para el mercado elegido, estructuras de precios sencillas y acceso abierto sin necesidad de un proceso de suscripción o registro.

Comunicaciones y conectividad

La comunicación fácil, fiable y segura con el punto de carga es vital tanto para la gestión de las cargas como para la facturación precisa.

Los puntos de carga generan muchos datos, como el ID del punto de carga, la hora y fecha de conexión, la hora y fecha de desconexión y la energía total consumida en kilovatios hora.

También se registrarán los datos del conductor, como el método de pago, el número de cuenta y el importe de la sesión de carga. Además se pueden necesitar datos para acomodar la "carga inteligente" en la que el cargador se comunica con el coche, la instalación de cargado y la compañía eléctrica para optimizar la carga y evitar la necesidad de costosas actualizaciones del suministro.

Para el intercambio de datos se usan varios protocolos. El protocolo de comunicaciones más básico empleado en los sistemas de carga CA tipo 1 y 2 entre el cargador y el vehículo es IEC 61851, que intercambia información como cuándo se inicia y se detiene la carga y la corriente que consume el coche.

OCPP es una norma mundial para la comunicación de cargadores con una central administrativa. Creada por la Open Charge Alliance (OCA), la especificación tiene características tanto obligatorias como opcionales, que van desde el control básico del cargador hasta seguridad y reservas de alto nivel.

Debido al volumen de datos, es imprescindible lograr una conectividad excelente y fiable entre los puntos de recarga de los vehículos eléctricos, con el usuario y con internet.

Aquí hay tres opciones principales: cableado, Wi-Fi o celular.

Los métodos con cables tienen la velocidad, la capacidad y la fiabilidad para gestionar los intercambios de datos necesarios, pero la cantidad de cableado necesario para conectar especificaciones potencialmente extensas podría hacer que el método resultara poco práctico.

Wi-Fi es otra opción. Aunque evita el cableado extenso, el Wi-Fi presenta vulnerabilidades frente a los cortes de electricidad, las interferencias de radio y los ataques malintencionados.

La conectividad celular ofrece a cada punto de carga acceso a las redes de telefonía móvil. Al ofrecer una cobertura completa, gran fiabilidad y seguridad sólida, la conectividad celular es una solución ideal para conectar los puntos de recarga.

Conclusión

Se prevé que el número de cargadores de vehículos eléctricos aumente de forma significativa, pero deben cumplir ciertos criterios si quieren contar con la confianza tanto de los operadores de puntos de recarga como de los usuarios. Al tener en cuenta la necesidad de seguridad, eficiencia, facilidad de uso y conectividad, así como de una facturación precisa, los diseñadores de cargadores para vehículos eléctricos pueden garantizar el éxito de sus productos y contribuir al crecimiento del mercado general de los vehículos eléctricos.