Carga de vehículos eléctricos: el sistema completo

La carga de un vehículo eléctrico es un sistema coordinado de transferencia de energía, no solo un cable entre una toma y una batería. El vehículo, el equipo de suministro, la instalación eléctrica, el conector, las comunicaciones, el servicio de pago y los controles de la batería deben ponerse de acuerdo antes de que fluya la energía.

Un sistema, varios límites

La palabra cargador se utiliza de forma imprecisa. Separar los componentes facilita la comprensión de la carga:

El suministro eléctrico proporciona corriente alterna desde una vivienda, un edificio o una conexión a la red.
El equipo de suministro del vehículo eléctrico (EVSE) proporciona conmutación, protección, señalización y una conexión segura con el vehículo.
El cargador de a bordo convierte la corriente alterna en corriente continua durante la carga en AC.
Una estación de carga en DC realiza fuera del vehículo la conversión principal de AC a DC y suministra corriente continua regulada al sistema de alta tensión.
El controlador de carga del vehículo y el sistema de gestión de la batería deciden qué tensión y corriente puede solicitar el vehículo.
Una red de carga puede gestionar la autenticación, las tarifas, el pago, la supervisión y el funcionamiento remoto.

El EVSE no impone al vehículo la potencia que anuncia. Comunica lo que está disponible y el vehículo solicita una cantidad dentro de los límites seguros del sistema completo.

Las cuatro magnitudes importantes

Al hablar de carga se suelen mezclar potencia, energía, tensión y corriente:

La potencia, medida en kilovatios (kW), es la velocidad instantánea de transferencia de energía.
La energía, medida en kilovatios-hora (kWh), es la cantidad suministrada o almacenada.
La tensión, medida en voltios (V), es la diferencia de potencial eléctrico.
La corriente, medida en amperios (A), es la velocidad de flujo de la carga eléctrica.

Para una conexión DC ideal:

Power = Voltage × Current

Una estación que suministra 700 V a 400 A entrega 280 kW en ese instante. Ni la cifra indicada en su armario ni la potencia máxima anunciada para el vehículo demuestran que se vaya a producir esa combinación. La temperatura del cable, la asignación de potencia en el emplazamiento, el intervalo de tensión de la estación, la corriente del conector, el estado de la batería y los límites del vehículo pueden reducirla.

El tiempo de carga no se obtiene simplemente dividiendo la capacidad de la batería entre la potencia máxima. La potencia máxima puede durar muy poco, los sistemas auxiliares consumen energía y la potencia permitida cambia durante la sesión. La física del lado de la batería, la tasa C, la temperatura, la curva de carga y los efectos del nivel de carga se explican en How an EV Battery Charges.

AC y DC siguen rutas de potencia diferentes

Durante la carga en AC, la estación suministra corriente alterna regulada y el cargador de a bordo del vehículo la convierte en corriente continua. Por tanto, la potencia utilizable queda limitada por el valor más bajo entre el suministro del edificio, el circuito, el EVSE, el cable y el cargador de a bordo. La carga en AC es adecuada para lugares donde el vehículo permanece estacionado durante horas: viviendas, centros de trabajo, hoteles y destinos.

Durante la carga en DC, la electrónica de potencia externa al vehículo convierte la corriente alterna de la red en corriente continua regulada. La estación y el vehículo establecen una tensión segura, cierran sus contactores y negocian continuamente la corriente. El equipo DC es más grande y caro, pero puede transferir mucha más potencia porque no depende del cargador AC de a bordo. Se utiliza principalmente para cargar durante los viajes, acelerar la rotación de las flotas y atender a vehículos sin acceso fiable a la carga nocturna.

La diferencia práctica es el tiempo de permanencia. Una conexión de baja potencia puede ser la mejor solución si el vehículo va a estar parado diez horas; una conexión de alta potencia importa cuando cada minuto retrasa un viaje.

Niveles, modos y denominaciones comerciales

El vocabulario de la carga varía según la región. En Norteamérica, AC Level 1, AC Level 2 y DC fast charging son categorías habituales. Los mercados basados en IEC también utilizan los Modes 1–4 para describir la disposición de conexión y control. «Level 3» se usa a menudo de manera informal para la carga en DC, pero no es una norma universal para turismos.

Términos como rápida, muy rápida, ultrarrápida y carga de alta potencia no tienen un único umbral mundial. Una descripción precisa indica el tipo de corriente, la potencia disponible, el intervalo de tensión y corriente, el conector y la ventana de carga correspondiente.

La compatibilidad física es solo la primera capa. El enchufe debe encajar, pero el vehículo y la estación también deben admitir una tensión, una señalización, una comunicación digital, una autorización y un comportamiento de seguridad compatibles. EV Charging Connectors and Inlets explica las principales interfaces regionales y los límites de los adaptadores.

Qué determina la potencia real

En cualquier momento, la potencia de carga útil queda limitada por el límite activo más restrictivo:

Actual power ≤ the lowest limit imposed by
site, station, cable, connector, vehicle hardware, and battery controls

Algunos ejemplos:

Un dispensador de 350 kW conectado a un armario con potencia compartida puede disponer de menos potencia cuando otro vehículo está cargando.
Una estación limitada por corriente puede no entregar su potencia anunciada a una batería de menor tensión.
Un vehículo de alta tensión puede necesitar un elevador de tensión o una batería reconfigurable para utilizar una estación DC de menor tensión.
Un EVSE trifásico de 11 kW no puede hacer que un vehículo con un cargador de a bordo monofásico de 7.4 kW acepte 11 kW.
Una batería fría, caliente, casi llena o saturada térmicamente puede solicitar bastante menos potencia de la que puede suministrar la estación.

Por tanto, la cifra destacada es un techo de compatibilidad, no una predicción. En la carga en DC, la potencia media durante una ventana de nivel de carga indicada y la energía añadida suelen ser más informativas que la potencia máxima por sí sola.

Mapa de la serie sobre carga

El resto de esta serie sigue los límites del sistema, en lugar de repetir la teoría de la batería:

EV Charging Connectors and Inlets trata los enchufes, las tomas del vehículo, las normas regionales, los adaptadores y la ubicación del puerto.
Home EV Charging trata el dimensionamiento del circuito, la seguridad de la instalación, la gestión de carga, las tarifas y las necesidades energéticas diarias.
DC Fast Charging trata la ruta de potencia de la carga pública, la secuencia de una sesión, el reparto de potencia, el pago, la fiabilidad y la planificación de rutas.
Bidirectional EV Charging distingue entre V2L, V2H, V2B y V2G y explica los equipos de conversión y aislamiento de la red necesarios.
Battery Swapping analiza el intercambio automatizado de packs, el inventario de la estación, la normalización, la seguridad y la economía.

La carga conductiva predomina en los vehículos de carretera actuales, pero no es el único método de transferencia de energía. La carga inalámbrica utiliza acoplamiento magnético a través de un espacio de aire, mientras que los sistemas conductivos automáticos eliminan la manipulación manual del cable. Ambos siguen necesitando hardware compatible en el vehículo, una alineación correcta, comunicaciones, protecciones y una instalación eléctrica adecuada.

El intercambio de baterías traslada fuera del tiempo de espera del conductor el retraso necesario para reponer la energía: la estación instala un pack cargado y después recarga el pack retirado.

Qué debe comprobar quien compra un vehículo eléctrico

Una especificación de carga útil responde preguntas prácticas, en lugar de limitarse a indicar la cifra más alta:

¿Qué conectores AC y DC equipa el vehículo en el mercado previsto?
¿Cuáles son la potencia AC máxima, el número de fases y la corriente?
¿Qué intervalos de tensión y corriente DC puede utilizar el vehículo?
¿Cuánta energía se añade en una ventana de carga claramente indicada y cuál es la potencia media?
¿El sistema de navegación preacondiciona automáticamente la batería antes de una parada de carga DC planificada?
¿Puede el vehículo utilizar estaciones antiguas o de menor tensión sin una penalización de potencia considerable?
¿Las redes que utilizará el conductor admiten Plug & Charge, itinerancia y pago puntual?
¿La capacidad bidireccional está disponible ahora para el uso requerido o solo se describe como preparada para el futuro?
¿Dónde está la toma del vehículo y servirán las longitudes habituales de cable al remolcar o llevar equipos montados en la parte trasera?

Ninguna especificación de carga responde a todos los casos de uso. La carga en casa es un problema de planificación energética; la carga durante los viajes, un problema de tiempo y red; y la aceptación de potencia por la batería, un problema electroquímico y térmico. Mantener claros esos límites permite realizar comparaciones justas.