Tecnología de carga de los vehículos eléctricos

Tecnología de carga de los vehículos eléctricos

En una sociedad cada vez más preocupada por el medio ambiente, los vehículos eléctricos (VE) se están convirtiendo en la alternativa de los vehículos tradicionales de combustión interna. La adopción del VE está aumentando conforme la tecnología avanza y los precios disminuyen. Una de las claves de la introducción del VE es que se pueda cargar en cualquier lugar y de una forma rápida y eficiente. Veamos a continuación cómo funciona la tecnología de carga de los vehículos eléctricos.

En este artículo, examinaremos detalladamente el proceso de carga de un VE, desde los aspectos técnicos de las baterías y los sistemas de gestión de energía, hasta los diferentes métodos de carga disponibles y la infraestructura necesaria para ello. Abordaremos conceptos como la carga a baja potencia (CA), la carga rápida a alta potencia (CC) o los protocolos de comunicación entre los distintos componentes de la infraestructura de carga.

Las baterías de los vehículos eléctricos son un componente complejo que requiere una gestión cuidadosa para optimizar su rendimiento y vida útil. Los sistemas de gestión de baterías (BMS) de los VE desempeñan un papel crucial en este sentido, monitorizando el estado de la batería, controlando la carga y la descarga, y protegiendo la batería contra posibles daños.

Aunque los VE se suelen cargar en casa o la oficina, para garantizar que se puede viajar con ellos, existe una red de cargadores que, no solo garantiza la carga en cualquier lugar, sino que ésta se pueda realizar de forma rápida y eficiente. La infraestructura de carga de vehículos eléctricos es un elemento fundamental para el éxito de la adopción generalizada de esta tecnología. Profundizaremos en la descripción de esta infraestructura, sus posibilidades y cómo funciona, tanto desde el punto de vista del usuario como de la tecnología.

El objetivo de este artículo es proporcionar una comprensión completa de los elementos que forman la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos. Su conocimiento ayudará a los conductores a sentirse cómodos con esta tecnología.

Cómo funciona un vehículo eléctrico

A diferencia de los coches de combustión interna (de gasolina o diésel), los coches eléctricos funcionan gracias a la energía eléctrica almacenada en sus baterías recargables. La electricidad de estas baterías hace funcionan el motor o motores eléctricos del coche para que pueda desplazarse.

Desde que se descubrió la electricidad, la humanidad ha desarrollado dos formas de utilizarla como fuente de energía: corriente continua o CC (DC o Direct Current en inglés) y corriente alterna o CA (AC o Alternating Current en inglés). Debido a sus características, la corriente alterna es mucho más eficiente para el transporte de la electricidad. Por otra parte, no existen baterías de CA. El almacenamiento de la electricidad solo se puede hacer en CC.

Esto quiere decir que todas las redes de distribución de electricidad son en CA. Por tanto, la electricidad disponible en los enchufes eléctricos del hogar o la industria es de CA. No obstante, si se necesita almacenar energía eléctrica, la única forma de hacerlo es en CC. Por suerte, existe un equipo que puede transformar la CA en CC: el inversor.

Elementos principales del vehículo eléctrico
Elementos principales del vehículo eléctrico

Los coches eléctricos tienen un pequeño inversor en su equipamiento. Debido a las limitaciones de espacio y peso, este inversor es de pequeña potencia. Normalmente de hasta 11 o 22 kW, dependiendo del modelo. Cuando enchufamos el coche a un suministro eléctrico de CA, se utiliza el equipo inversor del coche y, por tanto, la potencia máxima de carga son estos 11 o 22 kW.

Para cargar las baterías del coche de una forma más rápida es necesario utilizar inversores más potentes. Estos inversores son los que se encuentran en los puntos de carga públicos de VE. En estos casos, la electricidad se pasa del punto de carga al VE directamente en CC. Los cargadores de CC pueden suministrar potencias de carga de cientos de kW.

Las baterías de los vehículos eléctricos

Una batería de VE es similar a cualquier pila de los juguetes infantiles o a las baterías de cualquier dispositivo electrónico (smartphone, ordenadores, etc.). No obstante, el hecho de que el VE necesite que sus baterías almacenen una gran cantidad de energía, la hacen muy especiales.

Aparte del tamaño, una de las grandes diferencias es la tensión o voltaje de la batería. El voltaje de las baterías de los VE varía dependiendo de varios factores, como el tipo de batería, la potencia del vehículo y la arquitectura del sistema eléctrico.

Las baterías de los VE están formadas por múltiples celdas individuales. Cada celda tiene una tensión nominal de entre 3,2 V y 3,7 V. Por ejemplo, la tensión de las celdas de las baterías de litio-ferrofosfato (LFP) es de 3,2, mientras que las celdas de las baterías de níquel-manganeso-cobalto (NMC) o de níquel-cobalto-aluminio (NCA) son de 3,7 V.

La tensión total del paquete de baterías es la suma de las tensiones de las celdas individuales conectadas en serie. Esta tensión puede varias entre los 200 y los 800 V. Por ejemplo, la tensión de las baterías LFP suele estar entre los 200 y los 400 V, mientras que la tensión de las baterías de níquel (tipo NMC, por ejemplo) suelen estar entre los 350 y 800 V.

Composición de la batería de un vehículo eléctrico
Composición de la batería de un vehículo eléctrico

Si tiene curiosidad, estos son algunos ejemplos de tensiones de las baterías de algunos modelos específicos de VE:

  • Tesla Model 3: 400 V (tipo NMC)
  • Nissan Leaf: 370 V (NMC)
  • Hyundai Kona Electric: 350 V (NMC)
  • Renault Zoe: 400 V (LFP)
  • Porsche Taycan: 800 V (NMC)

Cabe mencionar que la tendencia en la industria de VE es hacia el uso de voltajes de baterías cada vez más altos. Se está viendo que con voltajes mayores se consigue mejorar el rendimiento, la autonomía y la eficiencia de estos VE. Las razones son las siguientes:

  • Mayor potencia y autonomía: Un voltaje más alto permite transportar más energía, lo que se traduce en una mayor potencia y autonomía del vehículo.
  • Carga más rápida: Los voltajes más altos permiten utilizar potencias de carga más elevadas con una misma intensidad de corriente, lo que reduce el tiempo de recarga.
  • Menores pérdidas de energía: Los sistemas de alta tensión tienen menores pérdidas de energía por calor, lo que aumenta la eficiencia.

Sistemas de gestión de las baterías

Las baterías son el elemento fundamental de un VE. El resto de pieza, como el motor eléctrico o el habitáculo, tienen una tecnología muy conocida y desarrollada en el último siglo. Sin embargo, nunca antes ha sido necesario desarrollar baterías eléctricas de gran capacidad, pequeño tamaño, fabricación masiva y bajo coste. Esto convierte a las baterías en la joya de la corona de un VE.

Aunque hablamos de baterías, en realidad se trata de todo un sistema que incluye la electrónica y el software necesario para su gestión y control. Los VE utilizan un sistema de gestión de sus baterías conocido como BMS (Battery Management System). Este sistema se utiliza para garantizar la seguridad, optimizar el rendimiento, prolongar la vida útil de la batería y facilitar la integración con otros sistemas del vehículo.

BMS. Sistema de gestión de las baterías de VE
BMS. Sistema de gestión de las baterías de VE

Los sistemas BMS son una pieza clave en el diseño del VE. Para hacernos una idea, estas sofisticadas unidades disponen de los circuitos y del software necesario para estar continuamente vigilando el estado de las baterías, incluyendo:

  • Voltaje y corriente: El BMS monitorea constantemente el voltaje y la corriente de cada celda de la batería, detectando cualquier anomalía que pueda indicar un problema.
  • Temperatura: La temperatura de las celdas también es monitoreada de cerca, ya que el calor excesivo puede dañar la batería.
  • Estado de la carga (SOC): El BMS calcula el porcentaje de carga restante en la batería, proporcionando información al conductor sobre la autonomía restante.
  • Estado de salud (SOH): El BMS evalúa la salud general de la batería, identificando posibles signos de degradación o desgaste.

Adicionalmente, protege la batería estableciendo límites seguros de voltaje, corriente, equilibrado de celdas, control de temperatura, etc. Así como optimiza el rendimiento de las mismas, informar al conductor de cualquier anomalía y registrar datos relevantes para el mantenimiento.

El BMS también controla cómo se realiza la carga de las baterías del VE. Una carga prolongada a alta potencia hace que las baterías se calienten en exceso. Para evitarlo, el BMS vigila la temperatura, controla el ritmo de carga y, en caso necesario, activa ventiladores u otros sistemas de refrigeración.

CA. Cargar el VE a baja potencia

Una de las ventajas de los vehículos eléctricos (VE) sobre los de combustión interna (diésel o gasolina) es que, a diferencia de estos últimos que requieren de estaciones de servicio para repostar, un VE puede recargar sus baterías en diversos lugares. Esto incluye desde el hogar, la vía pública o el estacionamiento de un centro comercial, hasta las estaciones de carga en las autopistas.

El suministro eléctrico de las casas u oficinas es de baja tensión (220 V o 120 V) en CA. Por otro lado, los enchufes normales de estos edificios son de baja potencia (hasta 3,5 kW). Aunque un VE se puede cargar perfectamente en estos enchufes, el tiempo de carga sería elevado. Afortunadamente, existe la alternativa de instalar un enchufe especial que se conoce como punto de carga de VE, punto de recarga o simplemente cargador.

Estos puntos de carga de CA aportan dos ventajas fundamentales: admiten mayores potencias de carga (hasta 22 kW) y pueden incorporar un software de gestión y control de la carga. El enchufe, el conector de los puntos de carga de CA es distinto al de casa u oficina. No solo es más grueso, para admitir más potencia de carga, sino que incluye contactos para el intercambio de datos entre el punto de carga y el BMS del vehículo eléctrico. Esto permite que se pueda añadir inteligencia al proceso de carga.

Conectores para la carga de vehículo eléctrico en CA (baja potencia)
Conectores para la carga de vehículo eléctrico en CA (baja potencia)

Aunque al principio fueron los propios fabricantes de VE los que definieron estos enchufes, con el tiempo los organismos internacionales de normalización empezaron a publicar sus estándares. La ventaja del estándar es que es único. En vez de que cada fabricante de VE tenga su propio conector, todos utilizan el mismo. Para el usuario supone una gran ventaja.

Teniendo todo esto en cuenta, básicamente existen tres tipos de enchufes o conectores de cargadores de VE para corriente alterna o CA:

  • Enchufe normal de casa. Un enchufe normal de casa no admite corrientes eléctricas superiores a 16 A. Esto hace que la potencia de carga no supere los 2 o 3 kW. Por otro lado, no se dispone de opciones de gestión y control de la carga. En cualquier caso, a falta de alternativas mejores, este es un procedimiento perfectamente válido para cargar las baterías del VE.
  • Tipo 1. A finales de los años 90, la Sociedad de Ingenieros Automotrices de Estados Unidos, SAE (Society of Automotive Engineers), estandarizó el conector tipo 1 bajo la norma SAE J1772. Este conector está pensado para cargar en corriente alterna en monofásico. Funciona en un rango de potencia de entre 1,3 kW y 7,4 kW. Su conector consta de cinco clavijas: dos para la carga eléctrica, dos para la comunicación y una para la toma de tierra. Los cargadores de tipo 1 son comunes en Estados Unidos, Japón y algunos países de Asia.
  • Tipo 2. En 2003, la Comisión Electrotécnica Internacional, IEC (International Electrotechnical Commission), publicó la primera edición de la norma IEC 62196-2. Esta norma define las características técnicas del conector tipo 2. En 2014, la Unión Europea adoptó el tipo 2 como estándar oficial para la recarga de VE en todos los estados miembros. A este conector se le conoce también como Mennekes. Funciona en un rango de potencia de entre 1,3 kW y 22 kW tanto en monofásico como en trifásico. El conector consta de siete clavijas: cuatro para la alimentación (se utilizan dos en monofásico y las cuatro en trifásico), dos para la comunicación y una para la toma de tierra. Dada sus ventajas frente al conector tipo 1, el tipo 2 está siendo adoptado en otras regiones del mundo.

Por tanto, aunque un VE se puede cargar en un enchufe normal de casa u oficina, lo más aconsejable y práctico es instalar un punto de carga específico de VE. Como hoy en día los edificios pueden tener distintos suministros de energía eléctrica (red eléctrica, placas solares o baterías de autoconsumo), los cargadores tienen la ventaja adicional de que pueden ser programados para que prioricen o limiten la fuente de donde toman la energía.

CC. Cargar el vehículo eléctrico a alta potencia

Los VE tienen baterías de entre 60 y 100 kW, aunque pueden ser mayores. Como hemos visto, las cargas en CA se pueden realizar a una potencia máxima de 22 kW. Esto supone que para cargar completamente el VE con este sistema se necesitarán entre 3 y 5 horas si se utiliza un cargador trifásico y de 12 a 20 si se utiliza uno monofásico. Si estamos de viaje, no parece adecuado tener que esperar horas en una estación de servicio de la autopista antes de reanudar la marcha. Para evitarlo, se han creado los cargadores de alta potencia.

Los cargadores de alta potencia transfieren la energía al coche directamente en corriente continua, CC. No utilizan el inversor del coche, sino que tienen sus propios inversores de gran potencia que convierten la CA en CC antes de pasársela al VE. Además, como esta transferencia de energía se hace con grandes intensidades, un gran número de amperios, el cable utilizado en estos casos es de gran diámetro. Mientras mayor es la potencia de carga, más grosor tiene que tener el cable. Las estaciones de carga de VE de alta potencia (CC) disponen de su propio cable para enchufarlo directamente al coche.

Conectores para la carga de vehículos eléctricos en CC (alta potencia)
Conectores para la carga de vehículos eléctricos en CC (alta potencia)

Aunque se han desarrollado distintos tipos de conectores de carga rápida para VE, estos son los que se están estableciendo como estándares en diferentes regiones:

  • CCS 1 (Combo Charging System). Una colaboración entre la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) y la Asociación Europea de Fabricantes de Automóviles (ACEA) comenzó a desarrollar el concepto de CCS. El objetivo era crear un sistema de carga rápida en corriente continua (CC) que fuese fácil de usar. La primera versión del estándar, CCS 1, la publicó la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) en 2011 y admitía una potencia máxima de carga de 50 kW (IEC 62196-3:2011). Se trata de una extensión del conector tipo 1 (J1772) al que se añaden dos contactos adicionales de CC. La adopción del CCS 1 se ha concentrado principalmente en América del Norte y Japón.
  • CCS 2 (Combo Charging System). En 2014 se publicó una segunda versión, CCS 2, que admite potencia de carga de hasta 350 kW (IEC 62196-3:2014). Su mayor particularidad es que es compatible con los cargadores tipo 2 de CA. Simplemente le añade dos gruesos conectores adicionales. Esta es la versión que se establece como estándar oficial para la carga rápida de VE en CC en Europa (y cada vez más utilizado en USA).
  • Chademo. La Asociación Chademo se creó en Japón en 2009 y publicaron la primera versión de esta norma en 2010. También se conoce como JEVS o Japanese Electric Vehicle Standard. Utiliza un conector grande y robusto con dos pines de potencia y un pin de señal de control. Admite potencias de carga de hasta 400 kW. Fue el primer estándar internacional para la carga de VE en CC por lo que todavía se puede encontrar en algunos emplazamientos europeos, aunque están siendo sustituidos paulatinamente por el sistema CCS 2. En cualquier caso, es el estándar principal de Japón y otros países asiáticos.

Adicionalmente, existen otros cargadores de CC muy utilizados en algunas regiones o redes de cargadores. Por ejemplo, la red de supercargadores de Tesla (Tesla Supercharger) utiliza un conector propio. No obstante, a partir de 2019, Tesla ofrece tanto su propio conector como el CCS 2. Por otro lado, en China utilizan principalmente el estándar GB/T. Este conector es compatible con el estándar CCS 2 mediante un simple adaptador.

Los conectores utilizados en Europa son tipo 2 (T2) para CA y CCS 2 para CC. Ambos conectores son compatibles, donde el CCS2 añade dos conexiones adicionales al enchufe T2. En cualquier caso, dado que los primeros VE vendidos en Europa utilizaban conectores de tipo Chademo o Tesla, todavía existen puntos de carga con este tipo de conectores.

Principales sistemas de carga de VE en el mundo
Principales sistemas de carga de VE en el mundo

Infraestructura de carga de vehículos eléctricos

Para garantizar la movilidad mediante vehículos eléctricos es necesario que exista una red pública de puntos de carga de VE. Esta red pública debe permitir que cualquier usuario pueda cargar las baterías de su VE allí donde lo necesite. Los puntos de carga públicos suelen estar en las autovías y carreteras, así como distribuidos por las ciudades. Es habitual encontrarse puntos de carga en los aparcamientos de supermercados, centros comerciales, gasolineras o en la misma calle.

Existen puntos de carga públicos de baja potencia (hasta 22 kW en CA) y puntos de carga públicos de alta potencia (desde 22 kW en CC). Es común que los de CA no dispongan de cable y sea el usuario quien utilice su propio cable para conectarlo con el VE. Los de CC sí disponen de cable y el usuario solo tiene que conectarlo al VE.

A diferencia de la red de gasolineras, la red de cargadores de VE se ha creado desde un principio con una serie de servicios de valor añadido. Por ejemplo, todos los puntos de carga públicos están geolocalizados, se dispone de los detalles técnicos de cada uno de ellos (potencia, tipo de conector, etc.), el usuario puede conocer en cada momento si está siendo utilizado, el precio del kW, si está operativo o, incluso, puede reservarlo para un uso próximo.

Esto significa que en esta infraestructura no solo interviene la estación de servicio del punto de carga, sino que también existen intermediarios que gestionan toda esta información para que esté accesible al usuario. Aunque este ecosistema puede ser realmente complejo, podemos simplificarlo en los siguientes elementos:

  • Proveedor del servicio de carga o PSC. Explota uno o más puntos de carga. Responsable de la instalación, operación y mantenimiento de cada uno de los puntos de su red. Esto incluye el software necesario para la gestión de la carga y el cobro del servicio. Puede darse el caso de que una empresa, conocida como CPO (Charge Point Operator u operador de punto de carga), provea y gestione la operatividad de las estaciones de carga, mientras que sea otra distinta, conocida como EMSP (eMobility Service Provider o proveedor de servicios de electromovilidad), la que explota el servicio de carga frente a los clientes.
  • Punto de carga o PC. Se refiere al propio equipo donde se carga el VE.
  • Aplicación de carga o AP. Para poder utilizar un punto de carga, es necesario que el usuario disponga de la aplicación o app del proveedor del servicio. Esta aplicación facilita el pago de la carga y el acceso a la información disponible de cada uno de los puntos de la red. Generalmente, el proveedor del servicio de carga utiliza una aplicación de carga de vehículos eléctricos. Esta aplicación puede ser propia o de marca blanca creada por un tercero. En este caso, simplemente la personaliza con su logotipo e identidad de marca. Las AP pueden ofrecer otros servicios como planificar las paradas de carga dentro de una ruta o reservar el uso de un punto de carga.

Más adelante veremos cómo se hace uso de esta infraestructura y los detalles de su funcionamiento.

Carga de un vehículo eléctrico
Carga de un vehículo eléctrico

Protocolos de comunicación de la red de carga

Una de las diferencias entre la red de puntos de carga de VE y las gasolineras tradicionales es que los componentes de la primera están interconectados. Esto significa que, además del suministro de energía, al conectar un VE a un punto de carga, se produce un intercambio de información. Dicha información se transmite a otros componentes de la red y, en última instancia, se puede acceder a ella a través de la aplicación del usuario.

Por si tiene interés, en la mayoría de los conectores (tipo 1, tipo 2, CCS, Tesla, etc.), este intercambio de datos se produce a través del contacto identificado como piloto de control o CP (Control Pilot). Adicionalmente, pueden existir otros contactos de operación. Por ejemplo, el contacto PP (Proximity Pilot), se utiliza para indicar que se está produciendo la carga y que se inmovilice el enchufe.

Contactos del conector tipo 2
Contactos del conector tipo 2

Pues bien, para que este intercambio de información sea posible, es necesario que exista unos procedimientos técnicos normalizados que definan qué datos se van a intercambiar y cómo van a hacerlo. Esto es lo que se conoce como protocolo de comunicación.

Los protocolos de comunicación normalizados son importantes porque es lo que garantiza que los componentes de distintos fabricantes puedan comunicarse entre sí. Por ejemplo, los VE de cualquier marca pueden comunicarse con los puntos de carga de cualquier fabricante que, a su vez, pueden transmitir la información a las redes de cualquier proveedor y a las distintas aplicaciones de usuario. De no existir los protocolos normalizados, cada fabricante tendría que definir sus propios procedimientos que serían incompatibles con los de otros.

Protocolos de comunicación de la red de carga
Protocolos de comunicación de la red de carga

Los protocolos de comunicación más comunes en las infraestructuras de carga de vehículos eléctricos son los siguientes:

  • Entre VE y punto de carga. Se trata de las normas y protocolos de recarga de VE que cubren la comunicación entre las estaciones de recarga y los vehículos. Casi todos los conectores (como CCS 2 o Tesla) basan sus comunicaciones en el estándar ISO 15118. Se trata de una norma internacional publicada en 2013 por la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). La mayor ventaja es que está pensada para que el proceso de carga del VE se pueda llevar a cabo de forma automática con simplemente conectar el VE al cargador (enchufar y cargar). Esto incluye la autenticación del usuario, la autorización para el cobro y la gestión de la carga. A pesar de ello, la mayoría de estaciones de carga públicas, necesitan que el usuario se identifique por otros medios.
  • Entre el punto de carga y la red del proveedor. Cada punto de carga es supervisado y gestionado desde el sistema central del proveedor. Por ejemplo, confirma o deniega el inicio de la carga, comunica el estado de la estación o la energía suministrada. Los dos protocolos más utilizados en estas comunicaciones son OCPP (Protocolo abierto de puntos de carga) y IEC 63110, aunque existen otras alternativas.
  • Entre la red del proveedor y los servicios de carga del usuario. Los usuarios gestionan las cargas de su VE a través de App que son gestionadas por el propio proveedor o por terceros. Estas App forman parte de unos sistemas de software independientes de los de gestión de la red del proveedor. Entre ellos necesitan intercambiarse la información relacionada con las características de los puntos de carga, localización, disponibilidad, reserva, tarifas, facturación y aquellas otras necesarias para garantizar el uso en itinerancia (roaming). Los protocolos más utilizados en estos casos son OCPI (Interfaz abierta de puntos de carga) y OICP (Protocolo abierto entre cargas), aunque existen otros como OCHP (Protocolo de la Cámara de Compensación Abierta) o eMIP (Protocolo de Interoperabilidad de eMovilidad).

Como se puede suponer, los protocolos de comunicaciones que utilizan los proveedores del servicio de carga en su red o para comunicarse con terceros son completamente ajenos y transparentes para el usuario.

Es relevante mencionar que, en relación con los protocolos entre el VE y los puntos de carga, desde 2012 Tesla utiliza el protocolo NACS (North American Charging Standard) en todos sus vehículos y cargadores norteamericanos. Dado el dominio de Tesla en este mercado, el protocolo NACS se ha convertido en la norma más utilizada en la región. Claro que, nada impide que un VE pueda disponer de más de un protocolo de comunicación y utilice uno u otro dependiendo del punto de carga al que se conecte.

Por último, en otras regiones, como Asia, para la comunicación entre VE y el punto de carga se utilizan otros protocolos como el chino GB/T o el japonés Chademo (ChaoJi).

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En este artículo se ha abordado la tecnología de carga de los vehículos eléctricos de una forma resumida. Los vehículos eléctricos, su tecnología y funcionamiento son temas apasionantes que da para muchas historias. Si busca inspiración o simplemente le interesan estos temas, en este blog se dispone de otros muchos contenidos relacionados. Por favor, utilice el buscador de contenidos que tenemos en la cabecera.

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