Asignaturas:
- Introducción
- Enchufes y conexiones de carga.
- Equipo de suministro electrónico de vehículos (EVSE)
- Opciones de carga
- Tiempos de carga
- Precios para cargar
- Comunicación entre la estación de carga y el vehículo.
- Piloto de proximidad
- piloto de control
- Red electrica
Introducción:
Las baterías de los vehículos eléctricos o híbridos enchufables se pueden cargar con instalaciones de carga externas. Puede conectar el coche con un cable de carga a una estación de carga pública, a una estación de carga pública o a una caja de pared privada (en la fachada exterior o en el garaje) para cargar la batería a través de la red eléctrica. También suele haber disponible un cargador de móvil que permite cargar a través del enchufe de pared, pero se recomienda utilizar este cargador sólo en caso de emergencia.
La siguiente imagen muestra la carga de un coche eléctrico. En el lateral del vehículo hay una trampilla que se parece mucho a la trampilla de combustible de un coche con motor de combustión. Detrás de la tapa se encuentra el conector en el que se puede insertar el enchufe de carga.
La pegatina en la tapa indica de qué color se iluminará el LED junto al enchufe en un estado determinado.
Enchufes y conexiones de carga:
Los enchufes y conexiones de carga están estandarizados en Europa. Usamos el Mennekes (tipo 2) para carga AC (corriente alterna) y el enchufe CCS2 para carga DC (corriente continua).
La siguiente imagen muestra un Mennekes Type 2 combinado con enchufes de carga CSS2. Este enchufe permite la carga (rápida) con corriente continua.
La siguiente imagen muestra los enchufes utilizados en otras partes del mundo. Se hace una distinción entre CA y CC, siendo la variante CC a menudo una extensión del conector de CA.
Equipos de suministro electrónico de vehículos (EVSE):
Las instalaciones de carga públicas siempre están equipadas con una interfaz con EVSE (Equipo electrónico de suministro de vehículos). Esto garantiza la seguridad y la comunicación. Las funciones del EVSE incluyen:
- Comprobación de conexiones: después de confirmar que todos los enchufes están conectados y bloqueados, se inicia el modo de carga;
- Autodiagnóstico: cuando se detectan errores, se interrumpe el suministro de red;
- Detección de corriente de fuga: el suministro de red se interrumpe en caso de cualquier forma de corriente de fuga;
- Control de corriente: se comunica con el cargador de a bordo del coche mediante una señal PWM para limitar la corriente.
Opciones de carga:
Al cargar con corriente alterna (CA), la electricidad de la red eléctrica del automóvil se convierte en corriente continua (CC). La desventaja de la carga con CA es que existe un alto riesgo de fenómenos de inducción y pérdidas debido a la resistencia del conductor. En el coche también se produce una conversión de CA a CC antes de que la energía llegue a la batería, lo que limita la corriente de carga.
La carga de corriente continua (CC) permite una carga “súper” rápida. La conversión CA/CC ya no se realiza en el cargador de a bordo, sino fuera del vehículo. De este modo, la batería se puede cargar con una mayor capacidad de carga y, por tanto, se llena más rápido. Esto es ideal para cargar durante una pausa para tomar café en la carretera durante el resto del viaje.
Las formas y velocidades a las que se puede cargar un vehículo se pueden dividir en cuatro modos diferentes. Los modos 1, 2, 3 y 4 indican cómo está conectado el vehículo al tomacorriente.
- Modo 1: la carga se realiza directamente a través de la red eléctrica de una conexión doméstica. En el vehículo el voltaje se convierte de CA (corriente alterna) a CC (corriente continua). El dispositivo de carga proporciona seguridad porque no hay limitación de corriente ni retroalimentación del vehículo al enchufe. Este método de carga se utiliza raramente porque existe riesgo de peligro y defectos y, por lo tanto, está prohibido en muchos países.
- Modo 2: al igual que en el modo 1, se utiliza la toma de corriente de una conexión doméstica y la corriente de carga se limita a 16 A con un Vermogen de 3,68 kilovatios. Sin embargo, para evitar sobrecargas, la potencia a través de los cables de carga suele limitarse a 2,3 kW (aprox. 10 A). En el modo de carga 2, la estación de carga está diseñada como un cargador de móvil que se puede llevar consigo. En el vehículo, el cargador de a bordo convierte la CA en CC.
- Modo 3: la carga utiliza una estación de carga fija o caja de pared que, al igual que en el modo 2, se conecta a la red eléctrica de un edificio. El cargador modo 3 es apto para carga AC y para potencias de 3,68 a 22 kW. Una vez más, la CA se convierte en CC en la electrónica de potencia del vehículo.
- Modo 4: Mientras que los modos de carga 1 a 3 utilizan corriente alterna y esta debe convertirse en corriente continua en el vehículo, en el modo de carga 4 la conversión de corriente alterna a corriente continua se realiza en la propia estación de carga. La corriente continua se suministra directamente al paquete de baterías. Esto se conoce como carga DC o carga rápida. Una estación de carga de CC para la carga en modo 4 requiere una tensión de entrada de al menos 480 voltios y entrega una potencia de 43 kW.
Tiempos de carga:
Los tiempos de carga de los vehículos híbridos y eléctricos pueden determinarse mediante el capacidad de la batería a dividir por la cantidad entregada Vermogen del cargador.
La potencia de carga disponible no sólo está determinada por el tipo de cargador y cable de carga, sino también por la potencia de carga máxima para la que es adecuada la electrónica de potencia del vehículo. Los nuevos coches de lujo cuentan cada vez con baterías más grandes y con más capacidad para una mayor autonomía, pero debido a que la capacidad de carga aumenta, esto puede significar incluso que el tiempo de carga disminuya. Tomemos como ejemplo un VW e-Golf (32 kWh) frente a un Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). No todos los vehículos pueden cargar hasta el 100% con CC. La carga de CC se detiene al 80%. El último 20% va con una menor capacidad de carga vía AC. Esto es para proteger la batería HV.
VW e-Golf (32 kWh)
Carga de CA:
Con un enchufe de carga tipo 2, la batería se puede cargar mediante CA. La potencia máxima de carga del cargador de a bordo es de 3,7 kW. Cuando la batería se carga al 20 % a través de una estación de carga (modo 3), esto demora aproximadamente 7 horas. Explicación: 80% (carga) de 32 kWh = 25,6 kWh. Calculamos el tiempo de carga dividiendo la potencia requerida por la potencia entregada: (25,6 / 3,68) = 6,96 horas (6 horas y 58 minutos).
Cuando se carga a través del enchufe (modo 2), la potencia se limita a 2,3 kW y el tiempo de carga es de 11,13 horas (11 horas y 8 minutos).
Carga CC:
Cuando se carga rápidamente con corriente continua con una potencia de 44 kW, la batería está completamente cargada después de 0,58 horas (35 minutos).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
Carga de CA:
Con un enchufe de carga tipo 2, la batería se puede cargar mediante CA. La potencia máxima de carga del cargador de a bordo es de 11 kW. Una vez más asumimos que cobraremos a partir del 20%. La potencia que debe suministrar el dispositivo de carga es de 86,72 kW. Cuando se carga a través de la estación de carga, el tiempo de carga es de 7,88 horas (7 horas y 53 minutos).
Carga CC:
Con el modo 4 es posible cargar hasta 207 kW. El tiempo de carga es: (86,72 / 207) = 0,42 horas (25 minutos).
Precios para cargar:
Hay muchos proveedores de tarjetas de recarga. Varios sitios web ofrecen descripciones generales de las tarifas. En esta sección asumimos las tarifas de energía que se aplicaban en marzo de 2023 y no tenemos en cuenta las tarifas de suscripción ni las tarifas iniciales por sesión de carga, sino solo los precios de la energía.
- Países Bajos CA 0,60 €/kWh
- Países Bajos CC 0,85 €/kWh
- Bélgica y Luxemburgo 0,65 €/kWh
- Europa: CA 0,51 €/kWh
- Europa: CC 0,87 €/kWh
En los ejemplos del VW e-Golf y el Mercedes EQS, calculamos los precios de carga en función de la capacidad de carga y del hecho de que comenzamos a cargar a partir de un rango del 20%.
- VW e-Golf: con una potencia de carga de 25,6 kW, en los Países Bajos cuesta 15,36 € con carga CA y 21,76 € con carga CC. Autonomía total: 190 km.
- Mercedes EQS: con una capacidad de carga de 86,72 kW, en los Países Bajos cuesta 52 € la carga de CA y 73,70 € la carga de CC. La autonomía es de unos 485 km.
Comunicación entre estación de carga y vehículo:
El módulo de interfaz de carga proporciona comunicación entre la estación de carga y el vehículo. El llamado “piloto de proximidad” y el “piloto de control”, abreviados como “PP” y “CP”, indican que hay un enchufe de carga conectado y determinan cuánta corriente de carga se permite. Los dos párrafos siguientes explican el funcionamiento del PP y del PC.
En la imagen vemos el CP y el PP en el enchufe Mennekes americano Tipo 1 (izquierda) y europeo Tipo 2 (derecha), ambos combinados con el enchufe de carga DC. Nos concentramos en el enchufe derecho con el CP, PP, las tres fases (L1 a L3) con hilo neutro (N) y la llamada Tierra de Protección (PE).
Esta sección utiliza el siguiente diagrama, que se basa en el estándar europeo (IEC 62196-2). Se trata del conector tipo 2, también llamado Mennekes. En el diagrama vemos (de izquierda a derecha) los siguientes componentes:
- Controlador EVSE: es el módulo que se integra en la estación de carga o wallbox;
- Enchufe de carga: además de la corriente de carga, la comunicación entre el controlador EVSE y el controlador del vehículo se realiza a través del PP y CP;
- Controlador del vehículo: la electrónica del vehículo activa el proceso de carga en cuanto se cumplen varias condiciones.
Piloto de proximidad:
El piloto de proximidad tiene dos funciones: registrar si hay un cable de carga conectado y registrar qué tipo de cable de carga está conectado, de modo que se pueda determinar la corriente de carga máxima.
En el siguiente diagrama, el circuito PP está coloreado en rojo. Aquí vemos un divisor de voltaje entre R1 y R2, que funciona con 5 voltios. La unidad de control mide el voltaje entre R1 y R2 (esto se indica con un voltímetro para mayor claridad). La resistencia R1 sirve como resistencia pull-up.
- Si no hay ningún enchufe de carga conectado, no hay divisor de tensión. La resistencia R1 no absorbe ningún voltaje, por lo que el voltaje medido es de 5 voltios;
- Cuando se conecta el enchufe de carga, se crea una conexión en serie. Con los valores de resistencia dados, la unidad de control medirá un voltaje de 3,1 voltios.
El valor de resistencia en el enchufe de carga indica la corriente máxima a través del cable de carga. Estos valores de resistencia son los siguientes:
- 100 ohmios: máximo 63 A;
- 220 ohmios: máximo 32A;
- 680 ohmios: máximo 20 A;
- 1500 ohmios: máximo 13A.
El valor de resistencia en el ejemplo es 220 ohmios, lo que significa que la corriente a través de este cable de carga puede ser de un máximo de 32 A. Una resistencia mayor o menor garantiza una división de tensión diferente y, por tanto, una tensión de entrada diferente para el controlador.
Los conectores norteamericanos se rigen por la norma: SAE J1772. Este enchufe de carga Tipo 1 se diferencia de la versión europea:
- Tensión alterna monofásica en lugar de tensión alterna trifásica en el enchufe europeo tipo 2;
- Gancho de bloqueo manual. El divisor de tensión adicional permite incorporar seguridad adicional. Tan pronto como se reconoce que se ha presionado el botón, el sistema de carga se apaga inmediatamente.
El siguiente diagrama muestra la versión estadounidense.
El gancho de bloqueo en particular amplía el circuito del piloto de proximidad.
- Hay un divisor de voltaje en el conector;
- El interruptor S3 está en paralelo con la resistencia R7. En reposo, el interruptor está cerrado y la resistencia R7 está puenteada;
- Al retirar el enchufe, el conductor debe accionar el gancho de bloqueo para sacar el enchufe del vehículo. Mientras presiona este gancho, S3 se abre. La resistencia R7 es parte del divisor de voltaje.
Piloto de control:
El CP monitorea el proceso de carga desde la solicitud de inicio de carga hasta el final de la carga cuando la batería está completamente cargada. El CP permite la comunicación entre el controlador EVSE de la instalación de carga y el vehículo.
- Después de conectar el cable de carga a la estación de carga, el controlador EVSE aplica un voltaje de 12 voltios a la conexión Control Pilot del enchufe de carga.
- tan pronto como se conecta el enchufe de carga al vehículo, el voltaje cae a aproximadamente 9 voltios debido al divisor de voltaje entre R3 y R4;
- El controlador mide la tensión entrante a través del ST2 (disparador Schmitt).
El flujo de corriente con un cable de carga conectado está marcado en rojo.
- Después de registrar los 9 voltios, el controlador EVSE energiza el relé K2. En lugar de la fuente de alimentación de 12 voltios, el circuito incluye un oscilador;
- el oscilador produce un voltaje de onda cuadrada de -12 a +12 voltios;
- el diodo garantiza que la tensión en la conexión CP cambie entre +9 y -12 voltios;
- Con el ciclo de trabajo en la señal PWM, el controlador EVSE indica la corriente de carga máxima que puede consumir el vehículo.
Después de establecer la señal PWM, el controlador del vehículo enciende el relé K1 cuando el vehículo está listo para comenzar a cargar.
- El relé K1 conmuta la resistencia R5 a tierra;
- debido a la conexión en paralelo entre R4 y R5, el pulso positivo de la señal PWM cae a 6 voltios;
- El controlador EVSE en el dispositivo de carga mide el voltaje de 6 voltios y ahora conecta la fuente de alimentación al cable de carga para cargar la batería.
La siguiente imagen muestra la señal del piloto de control, mostrando el desarrollo de voltaje versus el tiempo. Este perfil de voltaje se puede medir en la conexión del piloto de control del enchufe de carga mientras está conectado.
- Estado A: No hay conexión con el vehículo. Mientras no haya ningún cable de carga conectado, la tensión seguirá siendo de 12 voltios;
- Estado B: El vehículo eléctrico está conectado. El relé K2 está energizado. El voltaje cae a 9 voltios debido al diodo en el circuito;
- Estado C: El relé K1 está energizado. Esta es "la señal" para que la unidad de carga inicie el proceso de carga.
Los estados D y E indican cuándo se requiere una acción para la ventilación o para finalizar el proceso de carga porque se ha detectado un error.
Red eléctrica:
En el apartado “opciones de carga” se mostraban los modos 1 a 4. Puede optar por cargar el vehículo en casa mediante el cargador doméstico, la caja de pared, la estación de carga o mediante un cargador rápido en la carretera. La carga en casa, especialmente a través de un propio dispositivo de carga, es cada vez más popular. Un cargador doméstico se puede conectar simplemente a una toma de corriente, pero para conseguir el menor tiempo de carga posible con más corriente de carga, puedes conectar tu propia caja de pared ajustando la caja de distribución. Primero nos fijamos en los conceptos: corriente alterna monofásica y trifásica.
Con una conexión monofásica vemos un cable eléctrico “estándar” de tres núcleos:
- marrón: cable de fase;
- azul: cable neutro;
- amarillo/verde: cable de tierra.
Con una estación de carga monofásica o una caja de pared, la electricidad fluye a través de dos cables (el cable de fase y el cable neutro).
Una caja de pared monofásica o una estación de carga utiliza la conexión estándar de 1 V de los aparatos electrónicos del hogar. La potencia máxima es de 230 A, lo que eleva la potencia de carga máxima de un cargador monofásico a 16 kW. Con esta capacidad de carga, una batería de 1 kW se carga en aproximadamente 3,7 horas, lo que lleva un tiempo relativamente largo. La mayoría de los coches eléctricos nuevos tienen una mayor capacidad.
Es posible aumentar la corriente máxima en la caja de distribución de la electrónica del hogar, de modo que haya más capacidad para un cargador monofásico de 32 A. En ese caso, la carga se podrá realizar con un máximo de 1 kW. Sin embargo, con un cargador monofásico existe la posibilidad de que la caja de distribución se sobrecargue, lo que provocará un corte de energía. Además de una estación de carga, hay más electrodomésticos que utilizan la red eléctrica, entre ellos la lavadora, el lavavajillas, la vitrocerámica y la bomba de calor. Con la ayuda del equilibrio de carga, se puede utilizar la capacidad máxima:
- Durante el día es muy probable que se utilicen varios aparatos eléctricos. Se reduce la corriente de carga del vehículo;
- La mayoría de dispositivos se apagan por la noche, para que el vehículo tenga más capacidad de carga.
Para cargar más rápido, es posible conectar la estación de carga o wallbox a la caja de distribución mediante una conexión trifásica. Esto no tiene por qué ser necesariamente un flujo de energía. Con una conexión trifásica vemos dos cables extra:
- negro: cable extrafásico;
- gris: cable extrafásico.
En una estación de carga trifásica, la electricidad fluye a través de cuatro cables (los cables trifásicos y el cable neutro).
La capacidad de carga de una estación de carga o Wallbox con una conexión trifásica es mayor que con una conexión monofásica, lo que significa que el vehículo se carga más rápido. Nunca se supera la corriente de carga máxima del vehículo. Algunos vehículos sólo son aptos para cargar hasta 3 kW. Entonces no tiene sentido crear una conexión trifásica. Los vehículos también pueden ser aptos para 1 o 3,7 kW: conviene aumentar la potencia (3 * 7,4 A) desde la caja de distribución.
En casas antiguas vemos a menudo una conexión monofásica (hasta 1 A) en la caja de distribución. Las tres fases están presentes, pero sólo una está conectada.
La caja de distribución se puede convertir para que se utilicen las tres fases. Las casas más nuevas, donde la caja de distribución está preparada para más consumidores eléctricos (como paneles solares, una placa de inducción y una bomba de calor), ya pueden equiparse con una conexión trifásica desde la entrega. En ese caso, el contador de electricidad dice “3×3/220V o 230×3/380 voltios”. También hay un total de cuatro cables (los cables trifásicos y el cable neutro) que salen de la parte inferior de la caja de distribución. Dependiendo de la caja de distribución, el grupo está protegido hasta 400x1A, 25x1A o 30A. Cuanto mayor sea el amperaje indicado, más corriente se podrá utilizar al mismo tiempo.
La siguiente imagen muestra cinco situaciones desde una conexión monofásica a una trifásica en la caja de distribución y el uso de un cargador monofásico o trifásico.
1 fase: Con el cargador de emergencia puedes cargar el vehículo a través del enchufe. Con una caja de pared, un grupo monofásico puede cargar hasta 1 A sin equilibrio de carga y 16 A con equilibrio de carga. El 32A sólo se puede alcanzar cuando no hay otros consumidores activos en la casa.
Para potencias de hasta 7,4 kW es posible una red monofásica con equilibrio de carga. Cuando se utilizan varios electrodomésticos de alto consumo en el hogar, incluidos la lavadora/secadora, el lavavajillas y la bomba de calor, la potencia disminuirá para proteger contra sobrecargas. En la práctica, esto significa que la potencia puede disminuir hasta un 1%. Por lo tanto, es sensato cambiar de monofásico a trifásico.
3 fase: Si se solicita demasiada energía al mismo tiempo, esto puede causar una sobrecarga y activar la protección, provocando un corte de energía. Por tanto, es importante que la red pueda suministrar suficiente electricidad. Con una conexión trifásica se puede suministrar más corriente simultáneamente. Los grupos trifásicos están protegidos hasta 3A de serie.
- 11 kW: es necesario reforzar el armario de contadores. El ajuste de 1 fase a 3 fases es suficiente;
- 22 kW: además del ajuste de 1 fase a 3 fases, se requiere un aumento de 35 A.
El ajuste a 22 kW y 35 A no resulta interesante para los particulares. Debido al aumento, se deberán pagar cargos permanentes anuales adicionales de 1000 €. Por cada paso más pesado (3x63A o 3x80A) se debe pagar una tarifa adicional. Además, muchos vehículos eléctricos (todavía) no son adecuados para cargar con corrientes alternas tan elevadas:
Se espera que en los próximos años aumente el número de vehículos que pueden cargar 22 kW con CA.
