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Investigando los desafíos en el diseño de los sistemas de carga de vehículos eléctricos

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Las estaciones de carga de VE

En lo que se refiere a la recarga de VE, cuanto mayor sea la capacidad de entrega de energía de carga, más rápido se cargará el paquete de batería de un vehículo.

No todos los coches de primera generación pueden soportar las velocidades de carga extremadamente veloces de los cargadores superrápidos, pero sí la mayoría de las plataformas de VE más recientes.

El objetivo informal de la industria es alcanzar tiempos de carga que se acerquen a los de llenar el depósito de un vehículo de gasolina o diésel, que suelen ser de unos pocos minutos. Esa posibilidad ya casi se ha convertido en realidad.

La Figura 2 muestra la capacidad y los tiempos de carga típicos para varios tipos de cargador de CC. Los postes de recarga rápida mediante CC y la infraestructura eléctrica asociada son algo cada vez más habitual en aparcamientos, supermercados, centros de negocio, polígonos industriales y estaciones de servicio en autopistas.

Las instalaciones eléctricas domésticas no suelen ser suficientes para alimentar una unidad de cargador rápido, necesitándose una fuente trifásica comercial. Proporcionar una fuente trifásica al hogar podría depender de la red de distribución eléctrica local e, incluso de ser posible, sería costosa de instalar.

Investigando los desafíos en el diseño de los sistemas de carga de vehículos eléctricos
Figura 2 – Los postes de carga de VE de CC con alta capacidad de potencia ofrecen mejoras significativas en los tiempos de recarga (fuente: Infineon)

La arquitectura del cargador del VE

La Figura 3 ilustra la arquitectura de alto nivel de un cargador de CC. Los convertidores CA/CC de elevada potencia tienen un suministro trifásico para ofrecer una CC de alta tensión al vehículo eléctrico.

Como se observa en la Figura 2, el nivel de la capacidad de potencia emplea un enfoque modular. La gran cantidad de energía involucrada, hasta 1.000 A a 400 VDC, requiere componentes de ingeniería eléctrica, interconexión y cableado resistentes. El diseño mecánico demanda prestar gran atención a las restricciones de gestión térmica, abarcando la placa base y la refrigeración por aire forzado de los cargadores ubicados en zonas “cálidas”. Las eficiencias del convertidor CC/CC se benefician de los avances tecnológicos, como los semiconductores de banda prohibida ancha y las topologías de convertidores innovadoras. Dado que las eficiencias de conversión aumentan, la cantidad de calor residual a disipar se reduce, haciendo frente a los desafíos de gestión térmica y mejorando las características de fiabilidad de los componentes.

Figura 3 - La arquitectura de alto nivel de un cargador de CC (la fuente se basa en una imagen de Infineon con detalles de RH)
Figura 3 – La arquitectura de alto nivel de un cargador de CC (la fuente se basa en una imagen de Infineon con detalles de RH)

Una tendencia actual en la industria de los VE es el movimiento desde un paquete de batería de 400 VDC a otro de 800 VDC. Como la química de la batería y las técnicas de monitorización avanzan, el enfoque de 800 VDC permite una recarga más rápida, disminuyendo las corrientes de carga y respaldando el uso de cables más ligeros.

Las funciones de seguridad y protección resultan esenciales en los cargadores rápidos de VE al salvaguardar ante corrientes excesivas, corrientes de fuga y temperaturas elevadas. Las baterías requieren una monitorización constante durante la carga y la descarga y el sistema de gestión de batería (BMS) ofrece medidas adicionales para detectar problemas potenciales. La comunicación entre en el BMS y el sistema de control del cargador informa de las condiciones de la batería, el estado de carga y otros parámetros que podrían emplearse para cambiar el comportamiento de la carga.

Una interfaz hombre-máquina (HMI) con pantalla táctil proporciona a los propietarios de VE acceso a las instalaciones de carga, permite la validación de la cuenta de usuario y dota de acceso inalámbrico, seguro y online a la factura y otras funciones de servicio al cliente. Los datos de uso de energía también se suministran a los operadores de la infraestructura de la red de suministro de CA y del cargador.

A pesar de que los estándares todavía están evolucionando en la industria, ya existen las especificaciones clave para el diseño con los conectores de carga, la seguridad y el cableado eléctrico, los protocolos de carga y la comunicación entre el vehículo y la red eléctrica. La infraestructura de carga de VE varía de un país a otro, con una pequeña interoperabilidad entre los operadores de infraestructura de cargador. Actualmente, los propietarios de VE pueden necesitar cuentas con varios proveedores, en especial cuando se trata de viajes largos fuera de casa. No obstante, la colaboración del operador puede solventar este problema a medida que crezca la adopción del VE y los estados “presionen” con inversiones más significativas en infraestructura y compatibilidad de cargadores.

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