Puntos de carga y vehículos eléctricos: ¿qué tienen dentro?

Para aquellos que nos han estado siguiendo en la publicación anterior (FuturEnergy 108) comentábamos como era la “ruta” que sigue la energía que estaremos utilizando en nuestros vehículos eléctricos. Esto que nos lleva a las siguientes dos preguntas: ¿Qué es lo que tiene dentro un punto de carga? ¿Qué es lo que tiene dentro un vehículo eléctrico? En este artículo les daremos respuesta.

Comencemos con lo más sencillo. Se denomina punto de carga o Sistema de Alimentación de Vehículo Eléctrico (SAVE) a aquel sistema que incorpora todos los elementos necesarios para proporcionar la corriente eléctrica necesaria para la carga de un vehículo eléctrico, permitiendo la comunicación entre el vehículo y la instalación. En función de la complejidad del punto de carga, se podrían encontrar diferentes elementos en su interior.

Una de las grandes diferencias que es necesario remarcar desde el momento cero de esta conversación, es el tipo de energía que es capaz de suministrar el equipo. Eso nos dará dos grandes familias de equipos: una de ellas serán los ya ampliamente conocidos equipos de corriente alterna AC (carga lenta en corriente alterna) y sus “hermanos mayores” de corriente continua DC (carga rápida en corriente continua).

Otro punto fundamental en esta primera segregación de equipos viene dado por el grado de comunicación que existente entre el punto de carga y una posible plataforma de gestión, aunque en todos los casos contará con los dispositivos de protección mínimos establecidos por la normativa vigente.

Dejando de lado por un momento las capacidades de comunicación que tengan los diferentes equipos, hemos establecido que todos los equipos de carga, indistinto de quien los fabrique, tendrán dentro suyos elementos de protección y maniobra. Los elementos que se debe integrar en un punto de carga se exigen y definen por la Instrucción Técnica Complementaria ITC-BT-52. (Instalaciones con fines especiales. Infraestructura para la recarga del coche eléctrico):

• Protecciones frente a contactos directos e indirectos: para este tipo de protecciones se utilizan interruptores diferenciales. Estos dispositivos cortan de forma automática el suministro eléctrico cuando se produce una diferencia entre las corrientes de entrada y salida mayor que la sensibilidad del diferencial, en el caso del punto de carga deberán ser mínimamente de Clase A y deben ser capaces de cortar el suministro eléctrico cuando exista una derivación superior a 30 mA.
• Protecciones contra sobreintensidades: tanto sobrecargas como cortocircuitos, en este caso es posible diferenciar dos tipos de protecciones.

a) Pequeños interruptores automáticos (protegen cada uno de los circuitos de la instalación).

b) Interruptor general automático, que protege la instalación general.

En el caso que el circuito general sea el mismo que el del punto de carga, únicamente será necesario un automático. Ambos equipos son interruptores magnetotérmicos que constan de dos mecanismos de protección, una parte térmica (protege frente a sobreintensidades) y otra parte mecánica (protege frente a cortocircuitos). Deben ser de curva C y corte omnipolar.

• Protecciones contra sobretensiones: permanentes, protege de sobretensiones generadas por la propia red de distribución y transitorias, protege frente a sobretensiones generadas por causas ajenas a la red, como puede ser la caída de un rayo, derivando a tierra el exceso de tensión. Estos elementos protegen la instalación y evitan que la sobretensión dañe el punto de carga y el vehículo en el caso que se encuentre cargando.
• Iluminación: se debe garantizar el nivel de iluminación horizontal mínima a nivel del suelo de 20 lux para exterior y 50 lux para interior, en la zona donde esté prevista la realización de la recarga durante las operaciones para el inicio y terminación de la recarga.

Y hasta aquí los componentes obligatorios, pero además de los elementos descritos anteriormente, un punto de carga puede también incorporar algunos dispositivos opcionales como podrían ser:

• Controlador: este dispositivo se encarga de controlar y transmitir los datos referentes a las transacciones de energía llevadas a cabo. Además, este elemento proporciona información sobre el estado del CP (Control Pilot) y el PP (Proximity Plug) que permiten verificar la correcta conexión del vehículo al punto de carga. En función del grado de comunicación se puede diferenciar entre controlador básico (aquel que solo verifica el estado del PP y CP para permitir o no la carga del vehículo) y controlador avanzado (además, contiene una tarjeta de comunicación que envía los eventos que ocurren en el vehículo a una plataforma online externa mediante protocolo Open Charge Point Protocol (OCPP).
• Contactor: estos dispositivos son los encargados de controlar la activación de la carga de las diferentes tomas de corriente en función de la señal emitida por el controlador.
• Bloqueo: este es un elemento que permite bloquear la toma del punto de carga de tal manera que mientras se está llevando a cabo la sesión de carga, no sea posible quitar el cable de conexión. Evita muchos inconvenientes y posibles altercados.
• Dispositivos de medición (analizadores de red): estos elementos son los que le permiten al usuario conocer el consumo de energía de su vehículo en tiempo real, ya sea mediante la información que se pueda encontrar en el equipo como en la información que sea capaz de recopilar cualquier APP de carga.

Y en el caso de los equipos de Alvic, hemos llevado la experiencia de usuario un paso más allá:

• Sistema de pago: con pasarela bancaria propia. Sin necesidad de darse de alta en ninguna base de datos. Tan solo bajar, pagar y seguir. Formato pedestal o simplemente incorporado dentro del mismo cargador (All-in-One)
• Sistema de control de acceso: bien a través de un lector RFID, código QR, o tarjetas de fidelización de clientes.
• APP propia: App móvil, con capacidad de 'marca blanca'.
• Gestor de mangueras: para los equipos de carga DC, contamos con un sistema de asistencia para que cargar no sea un problema. No importa cuán grande sea la manguera del equipo, cualquiera puede usarlo.

Ahora que hemos cubierto la ruta de la energía, y como es capaz de llegar hasta nuestros vehículos, llega la segunda cuestión.

Para ello aprovecharemos a hacer un pequeño repaso de algunos conceptos que ya hemos comentado pero que nos ayudaran a seguir esta conversación:

Definiremos como vehículo eléctrico a aquellos que cuentan con uno o varios motores eléctricos para desplazarse y una batería que almacene la electricidad necesaria, pero existen diversos tipos de vehículos en función de cómo obtienen esa energía eléctrica:

•  BEV o Vehículo Eléctrico de batería: se conectan a la red eléctrica a través de un equipo de recarga (AC o DC) para conseguir la energía que alimenta a la batería.
•  PHEV o Vehículo Eléctrico Hibrido Enchufable: la batería puede ser recargada conectando el coche a la red eléctrica, o a través de un pequeño motor térmico que alimenta el cargador de abordo cuando la carga de la batería baja demasiado.
• FCEV o Vehículo Eléctrico de Pila de Combustible: el hidrógeno es la fuente de energía. La pila de combustible transforma el hidrógeno en energía eléctrica. Esta se almacena en una batería y mueve el motor eléctrico. Por tanto, no hace falta ser enchufado a la red eléctrica, y por consecuencia no comentaremos en este artículo.
•  E-REV o Vehículo Eléctrico de Autonomía Extendida: la batería se recarga haciendo uso de un pequeño motor térmico que alimenta el cargador de abordo cuando la carga de la batería baja demasiado. Por tanto, no hace falta ser enchufado a la red eléctrica, pero si hace falta repostar combustible, y por consecuencia no comentaremos en este artículo.

A grandes rasgos, la plataforma de propulsión de un vehículo eléctrico se compone de una serie de componentes muy sencilla de enumerar:

• Toma de corriente (AC o DC),
• Cargador de abordo (AC/DC),
• Batería,
• Convertidor/Inversor,
• Unidad de control del motor,
• Uno o varios motores eléctricos,
• Transmisión (casi siempre de una sola marcha).

Además, cuenta con un circuito tradicional de 12V o 48V y de una unidad electrónica de control que gestiona todos los sistemas del coche que hemos mencionado, así como el funcionamiento del coche en general.

Toma de corriente o puerto de carga: Permite la conexión del coche a un punto de carga, ya sea a través de una toma AC (Mennekes o Tipo 2 aquí en Europa) o con la toma de corriente continua CCS2 como estándar europeo.

Cargador de a bordo (on-board charger OBC): Cuando se lleva a cabo la recarga de la batería de un vehículo eléctrico esto es posible solamente mediante el uso de Corriente Continua.

Este es un concepto muy importante para tener siempre en mente, ya que dejan tan solo dos opciones:

a) a través de una toma de corriente AC, para la cual estaremos obligados a hacer uso del cargador de abordo (OBC) que nos permitirá transformar esa corriente alterna en continua para que sea posible almacenarla en la batería.

b) O bien a través de una toma DC, en donde la señal ya fue tratada y adecuada para que sea posible cargar el coche.

Básicamente, es necesario un componente que 'convierta' la corriente alterna (AC) de entrada en corriente continua (DC), que necesita la batería.

Batería: También llamada batería de tracción. La energía que almacena servirá exclusivamente para mover el vehículo. Cuando se use la palabra batería, a diferencia de los coches tradicionales a combustión, no estamos haciendo referencia a la batería tradicional de 12V, para alimentar los sistemas auxiliares, como la climatización, la iluminación, etc.

Generalmente la batería de un vehículo eléctrico se basa en diferentes combinaciones/composiciones de celdas de iones de litio. El litio ha tenido una aceptación masiva en los últimos años gracias a su reducido peso y gran capacidad de carga.

Lo que nos permite una alta densidad volumétrica (energía por unidad de volumen) y una gran densidad de carga (energía por unidad de peso). Mucha energía, en poco volumen y con un peso reducido.

Convertidor/Inversor: Este dispositivo se encarga de adecuar el voltaje y la corriente necesaria para hacer funcionar el motor correctamente, y viceversa cuando se requiere de una frenada regenerativa hacia el pack de batería. Existe un convertidor secundario que reduce el voltaje para la batería de 12 V y los sistemas auxiliares.

Unidad de control del motor: La unidad de control del motor regula la velocidad, par y dirección del motor. Controla el flujo de energía que entra al motor. En función del motor utilizado, será un convertidor DC/DC o DC/AC. Al igual que el componente anterior este también es bidireccional, enviando energía al motor y al mismo tiempo capaz de extraer energía en las fases de frenada regenerativa.

Motor eléctrico: Habitualmente, en el caso de un coche con un solo motor, la unidad de control del motor + los diferentes convertidores + la transmisión, suelen estar montados en un único bloque gracias a cuan compacto puede ser un motor eléctrico.

Transmisión: La mayoría de coches eléctricos cuentan con una transmisión de una sola marcha, y también existen algunos fabricantes que han optado por sistemas de transmisión de dos velocidades como podríamos encontrarnos en un Porsche Taycan.

Esto se debe mayoritariamente a que un motor eléctrico es capaz de entregar la totalidad de su par motor en casi todo el rango de revoluciones. Pero justamente lo que a bajas revoluciones podría ser una ventaja muy importante en comparación con otras plantas motoras, cuando nos acercamos cada vez más al límite nominal de uso de cualquier motor, es posible experimentar una caída notoria en el par motor.

Teniendo en mente estos conceptos, aquellos fabricantes que ya tengan desde su concepción la idea de llevar sus vehículos a grandes velocidades, será necesario mitigar esta limitación constructiva de una u otra manera.

Flujo de energía: un esquema “sencillo” de todos los puntos que hemos comentado hasta ahora sería como la siguiente imagen:

• La batería de tracción de vehículo se puede cargar usando AC o DC.
• Si hacemos uso del conector AC, hará falta pasar por el OBC.
• Si hacemos uso del conector DC, no hará falta el OBC.
• El convertidor (ajustará las necesidades requeridas por el motor, y lo que se le esté solicitando a la batería)
• El sistema auxiliar de 12V no es un sistema 'bidireccional' ya que solamente tienen como función alimentar cargas auxiliares del vehículo.
• Antes de llegar al motor eléctrico, nos encontraremos con un Inversor, que será el encargado de transformar la señal de DC a AC para hacer funcionar el motor, y al mismo tiempo será el responsable de reaprovechar la energía que se genere en las frenadas regenerativas.