Del Cargador Doméstico a la Electrolinera: Guía Completa sobre Cargadores para el Vehículo Eléctrico

Esta guía ofrece una visión completa sobre la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos (VE). Desde los diversos tipos de cargadores hasta las opciones para el hogar o las estaciones públicas, esta guía es esencial para entender el panorama de la carga de vehículos eléctricos en la actualidad.

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La Evolución de los Cargadores

Se puede interpretar como el comienzo de la era moderna de los vehículos eléctricos la comercialización del modelo Tesla Roadster en el año 2008. Este modelo sirvió sin duda para mostrar las potenciales cualidades que podían ofrecer este tipo de vehículos, y fue fuente de inspiración para la industria a partir de este momento.

El Tesla Roadster se convirtió en el primer vehículo eléctrico comercial en incorporar la tecnología de baterías de litio, y ya en su lanzamiento equipaba una impresionante batería de 53 kWh. Las enormes capacidades energéticas de estas baterías dieron lugar a la necesidad de innovar en dispositivos de carga que dieran respuesta a las distintas situaciones y necesidades generadas.

Ya en su inicio, Tesla ofrecía a sus clientes tres soluciones para la carga del vehículo enfocadas a cubrir distintas situaciones. Para la carga en el hogar ofrecía un dispositivo tipo “wallbox” que permitía la carga con corrientes de hasta 70 A, otro dispositivo de carga portátil que permitía hasta los 40 A y que debía ser conectado a enchufes tipo industrial, y un tercer cargador portátil de emergencia que podía conectarse a cualquier enchufe domestico con una corriente máxima de 15 A.

En ese momento empezó una evolución continua de los sistemas y las tecnologías de carga que se mantiene hasta hoy en día, y con previsiones de seguir evolucionando en el futuro. En los primeros años, los encargados de diseñar y desarrollar estos sistemas de carga eran los propios fabricantes de VE, aunque rápidamente esto dio lugar a un nuevo sector industrial donde fabricantes de componentes y de sistemas han ido lanzando soluciones con funcionalidades novedosas y cubriendo nuevos casos de uso, a partir de las crecientes necesidades derivadas de la expansión y popularización de los VE.

Actualmente podemos categorizar a los cargadores de VE según su entorno de aplicación ya sea público o privado, según su potencia y velocidad de carga, y según sus funcionalidades adicionales.

Los sistemas de carga han dado lugar a un nuevo sector industrial

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Cargadores de VE según la Potencia

La principal categorización cuando hablamos de cargadores de VE se realiza según la potencia de carga y por lo tanto la velocidad de carga de la batería. Esta categorización se divide en “modos“ de carga y estos se encuentran estandarizados según la norma internacional IEC 61851-1.

En primer lugar, encontramos los cargadores de modo 1 y modo 2, que se caracterizan por funcionar a la tensión de red. Ambos pueden conectarse a enchufes a la red doméstica, y tienen una limitación en la corriente de carga de como máximo 16 A (cumpliendo con la máxima permitida en enchufes domésticos). En el caso del modo 2 los cargadores incorporan sistema de protección específicos para la carga.

En la práctica este tipo de cargadores limita la potencia máxima de carga hasta los 3,5 kW, con la que pueden proporcionar una autonomía que puede llegar hasta los 6 km por hora de carga.

Los cargadores de modo 3 son cargadores de alta potencia denominados también como cargadores de CA semi-rápidos. Estos cargadores se caracterizan por necesitar de una conexión directa a la red y de un dimensionado de potencia adecuado.

Los equipos integran tanto el uso de conectores específicos, como elementos de control de carga y de seguridad. Su corriente máxima de carga se limita a los 32 amperios en la configuración a 400V CA trifásico, equivalente a una potencia máxima de 22 kW. Con esta potencia se puede llegar a proporcionar una autonomía de 60 km por hora de carga.

Diferentes tipos de cargadores modo 1, 2 y 3

Por último, la generación actual de cargadores se sitúa en los cargadores de modo 4, que a diferencia de los anteriores utilizan corriente continua (CC) para la carga. Con esta configuración es posible hacer llegar la energía directamente a las baterías del vehículo sin tener que utilizar un conversor intermedio, con lo que la potencia de carga puede ser mucho mas elevada.

Este tipo de cargadores necesitan de equipo y de una instalación propia por lo que normalmente están relegados a electrolineras y cargadores en espacios públicos. Según el estándar actual estos cargadores se limitan a 400 A de corriente máxima y a una potencia de hasta 350 KW. Con esta potencia ofrecen autonomías de carga que se sitúan entre los 5 y 30 km por minuto de carga.

En este tipo de cargadores, según la norma, es obligado establecer una comunicación digital entre el coche y el cargador que debe cumplir con los requisitos descritos en la norma IEC 61851-24.

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Cargadores según el Uso

De entre las diferentes configuraciones existentes de cargadores de VE podemos diferenciar principalmente entre aquellos diseñados para uso particular y aquellos diseñados para uso público.

En el ámbito privado se utilizan principalmente cargadores de modo 1 y 2, que son típicamente cargadores portátiles que permiten la carga del vehículo en cualquier lugar siempre que se disponga de una toma de corriente estándar. También se pueden encontrar cargadores de modo 3 para uso privado o semiprivado (como en parkings compartidos). Este tipo de cargadores se denominan comúnmente como “wallbox” o cargadores de muro y necesitan de una instalación previa y de una conexión directa a la red eléctrica.

Cargador tipo muro o wallbox

En los espacios públicos es habitual la presencia de puntos de carga en parkings y estaciones de carga dedicadas. Este tipo de cargadores se encuentran normalmente en el exterior, por lo que la protección IP es un requisito importante. Existen distintos formatos de cargador como los cargadores de muro “wallbox”, los cargadores tipo poste o los tipo estación de carga, y son normalmente cargadores de modo 3 y modo 4.

Otro formato que está ganando popularidad son las popularmente llamadas “electrolineras” o estaciones de carga dedicadas. Se trata de estaciones con un formato similar al de las gasolineras tradicionales donde es posible realizar una carga rápida con un cargador modo 4 de alta potencia en pocos minutos.

En general, los cargadores de espacios públicos incorporan funcionalidades de identificación y autentificación de los usuarios para poder desbloquear el uso del cargador y realizar el cobro por uso del servicio si es el caso.

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Nuevas funcionalidades y futuro

El sector de los cargadores se encuentra en plena expansión y evolución continua, con la previsión de la introducción de nuevas funcionalidades y la mejora de las existentes. Entre las funcionalidades de futuro más interesantes encontramos:

• Megawatt Charging System (MCS) se trata de una nueva especificación de cargadores y conectores con una capacidad de corriente hasta los 3000 amperios. Actualmente se encuentra en desarrollo y su uso estará dirigido principalmente a la carga de camiones y vehículos eléctricos pesados.
• La carga inductiva o sin cables para vehículos eléctricos es una tecnología en pruebas y que pretende en un futuro automatizar la carga de los vehículos simplemente situándolos sobre la zona de carga en cuestión.
• La conexión vehículo a red (V2G) es una tecnología que permite adaptar la carga a las condiciones de energía total disponible, limitando el proceso de carga o incluso devolviendo energía a la red. Algunas estaciones de carga pueden comunicarse con la red eléctrica y activar la carga cuando las condiciones son óptimas, o los precios de coste son bajos. Algunos vehículos permiten al operador de la red eléctrica controlar el proceso de carga. Esta tecnología tiene un estándar de comunicaciones asociado bajo la norma ISO 15118.
• La electrificación de vías es una tecnología en fase de prueba que va a permitir la recarga de los vehículos eléctricos mientras estos están circulando por la vía. El concepto pretende integrar bobinas electromagnéticas en tramos largos de vía de forma que por tecnología inductiva se transmita energía de la vía al vehículo.

La conexión vehículo a red (V2G) adapta la carga a las condiciones de energía disponible

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Anatomía de un Cargador

Aunque existe una gran diversidad de cargadores en el mercado, sus principales componentes y elementos son en gran medida compartidos, y a nivel mecánico encontramos una estructura similar en la mayoría de los cargadores.

Como elemento principal tenemos el equipo de suministro al vehículo eléctrico (EVSE), que se compone normalmente por una caja que contiene todos los elementos eléctricos y electrónicos que proporcionan las funcionalidades al cargador. El equipo de suministro se encuentra conectado a la red de alimentación eléctrica ya sea por conexión directa o mediante enchufe.

EVSE (Equipo de Suministro al Vehículo Eléctrico – Electric Vehicle Supply Equipment)

Los dos otros elementos esenciales en los cargadores son el cable y el conector al puerto del vehículo. Existen multitud de conectores de puerto de vehículo y estos han ido evolucionando al largo de los años a medida que las necesidades de corriente y potencia aumentaban.

Por desgracia no se ha establecido aun un estándar mundial en lo que se refiere a conectores y hoy en día cada fabricante utiliza su sistema preferido. Entre los principales conectores del mercado encontramos:

• Conector tipo 1 (SAE J1772) es el preferido por fabricantes como GM, Ford, Volkswagen, BMW y Hyundai. Se encuentra disponible en la versión para corriente alterna y también en la evolución para corriente continua llamada CCS Combo 1.
• Conector CHAdeMO (CHArge de MOve) es el propuesto por los fabricantes Nissan, Mitsubishi y Toyota.
• Conector tipo 2 (IEC 62196) es el estándar utilizado en Europa y cuenta también con una evolución para corriente continua llamada CCS Combo 2.

De izquierda a derecha: conector CHAdeMO, conector CCS combo 2, conector tipo 1

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Tecnologías involucradas

En el interior de la unidad de suministro EVSE es donde encontramos toda la tecnología necesaria para suplir las funcionalidades a los cargadores. Es en el uso de estas tecnologías donde el mercado de los cargadores de VE esta viendo una rápida evolución y donde se espera que en el futuro avance mucho más con funcionalidades cada vez más inteligentes y con niveles de eficiencia superiores.

De entre las tecnologías más comunes que forman parte de los cargadores encontramos por un lado el segmento de potencia, que es el que realiza la conversión de la energía eléctrica de la red y controla los parámetros de seguridad del sistema. Como parte de este sistema encontramos fuentes de alimentación, etapas de potencia de CC, medidores de energía, elementos de protección, contactores, etc.

Otro subsistema de gran importancia es el de control y comunicaciones. En este apartado podemos encontrar desde funcionalidades muy básicas como el control de la corriente y la temperatura, hasta funcionalidades avanzadas como el control adaptativo, la compartición de cargas, el control mediante comunicación con el vehículo e incluso el control con comunicación con la red eléctrica.

Otras funcionalidades, presentes principalmente en los cargadores de uso público, son la identificación de usuario, la visualización del estado y parámetros de carga, y la comunicación de datos, que se implementan mediante tecnologías de interfaz de usuario. En este segmento podemos encontrar desde pantallas embebidas con control táctil, tecnologías de comunicación inalámbrica a la nube, y lectores de identificación por NFC, entre otros.

En las unidades EVSE intervienen diferentes tecnologías que ofrecen una variedad de funcionalidades

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Conversión de la Energía

La funcionalidad esencial de cualquier cargador de baterías es la conversión de energía desde la red eléctrica de baja tensión. Dentro de la sección de conversión de la energía encontramos módulos y componentes como la serie de fuentes de alimentación AC/DC de alta potencia del fabricante XP Power de hasta 200 kW de potencia.

También se utilizan conversores de energía auxiliares DC/DC como los ofrecidos por el fabricante Cincon, con potencias hasta los 750 W. Como parte fundamental de las fuentes de alimentación y los conversores de energía encontramos los módulos de potencia. En este segmento se pueden encontrar tecnologías como los módulos IGBT, MOSFET o SiC.

El fabricante Fuji Electric ofrece soluciones de módulos integrados IGBT de los 35 hasta los 1200 A. Por otro lado, la tecnología SiC MOSFET integra las ventajas de los sistemas MOSFET con una alta eficiencia y bajas pérdidas, con fabricantes como Sanrex que ofrece una gama de productos hasta los 400 A.

Módulos IGBT

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Procesado y Control

Los módulos de procesado y control son el cerebro de los sistemas de carga, implementando todas las funcionalidades de inteligencia, control y seguridad del sistema. Estos sistemas de control pueden estar basados en distintas tecnologías, principalmente microcontroladores, sistemas PLC o sistemas basados en PC industrial.

Estos últimos ofrecen la ventaja de proveer de una potencia de cálculo muy elevada y de dotar los sistemas con las funcionalidades avanzadas de los sistemas informáticos modernos como la inteligencia artificial y las tecnologías relacionadas con Internet.

Para implementar algoritmos de IA para el análisis avanzado de grandes cantidades de datos recibidos de las estaciones de carga, el fabricante Axiomtek ofrece el sistema integrado de carril DIN de alto rendimiento ICO520. Este sistema cuenta con el procesador Intel® Core™ i7 de 12.ª generación con una arquitectura de bajo consumo para realizar múltiples tareas y el motor de IA con tecnología Intel® Deep Learning Boost.

ICO520 de Axiomtek

Para los fabricantes de OEM y desarrolladores de productos, el fabricante Digi ofrece la familia de sistemas en módulo SOM ConnectCore® 8, que brinda la posibilidad de incorporar una gama de funciones extra en los productos de carga de VE. Estas funcionalidades incluyen el control del proceso de carga, así como la conectividad inalámbrica necesaria para conectar los cargadores a sistemas seguros de procesamiento de pagos y el envío de avisos a los teléfonos personales. Esta solución se basa en la serie de procesadores NXP i.MX 8 con rendimiento escalable de dos/cuatro núcleos. El fabricante ofrece una pila completa de hardware y software que incluye seguridad Digi TrustFence® y la posibilidad de actualizar el software y el firmware de forma remota.

En otro segmento encontramos los sistemas PC integrados en rack como los ofrecidos por el fabricante Kontron. Estos sistemas están diseñados y probados para entornos desafiantes y, por lo tanto, son perfectos para condiciones extremas de temperatura y estrés mecánico. De calidad industrial y con alta capacidad de procesamiento, están diseñados para su uso en aplicaciones industriales que requieren alta potencia informática y disponibilidad de datos.

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Interfaz de usuario

En los sistemas de carga modernos es cada vez más común el uso de alguna pantalla e interfaz de usuario para mostrar detalles del proceso de carga e incluso avisos sobre posibles anomalías a los usuarios. En el caso de cargadores públicos se le suman las funcionalidades de autentificación de usuario y de sistemas seguros de pago.

Una de las soluciones más efectivas para las pantallas de cargadores de vehículos eléctricos son las pantallas LCD TFT, que son pantallas planas que responden al tacto, pero no se activan con las gotas de agua. Son más nítidas y brillantes que una pantalla LCD típica. Hay pantallas LCD TFT en el mercado que cumplen con los requisitos de los cargadores de vehículos eléctricos, incluida la resistencia a problemas climáticos comunes (por ejemplo, temperatura, exposición al agua y al polvo), excelente eficiencia energética, legibilidad en todas las condiciones de iluminación y buen rendimiento EMC.

Las pantallas TFT industriales de Kyocera presentan un contraste excepcionalmente alto, saturación de color y mejoras de rendimiento superiores, como visualización amplia avanzada (AWV) para fidelidad de color real, brillo súper alto (SHB) y amplio rango de temperatura.

El fabricante ADPS propone, por su parte, monitores resistentes al agua que están diseñados específicamente para resistir el uso en entornos marinos hostiles. Estas pantallas LCD de calidad marina están diseñadas para soportar condiciones climáticas, de luz y de temperatura extremas, están selladas y construidas según los estrictos estándares IP65.

Pantallas LCD a prueba de condiciones climáticas adversas

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Sistemas de comunicaciones

Los sistemas de carga de VE actuales equipan en el caso de cargadores de tipo 2 y superiores un sistema de comunicaciones para el intercambio de datos con la nube y para la operación remota del sistema. La opción mayoritaria a la hora de escoger la tecnología es que sea en primer lugar una tecnología de comunicación inalámbrica por no necesitar de una infraestructura previa de comunicaciones. A pesar de esto, es posible que una conexión de datos cableada sea preferible en algunos casos.

Los sistemas de comunicación desde los cargadores de VE hasta los backend de gestión de carga a menudo giran en torno a tres opciones: redes móviles, WiFi y Ethernet/LAN. Ethernet proporciona comunicaciones de datos altamente estables y seguras, sin embargo, el coste y la complejidad de la instalación limitan su aplicabilidad.

Entre redes móviles y WiFi, puede que no siempre sea sencillo saber cuál es la mejor opción para la solución de carga, dados los diferentes casos de uso: privada, semipública y pública. En estos casos siempre es necesario validar la decisión según estos cuatro factores principales: la fiabilidad de las comunicaciones, la seguridad, la necesidad de acceso remoto y el posicionamiento de la instalación.

Cargador VE Hysun de 7KW tipo Wallbox

En sistemas de carga privados o semipúblicos la solución de comunicación ideal puede ser utilizando la tecnología WiFi, por ser muy extendida en su uso hoy en día y por no acarrear costes adicionales para la comunicación. El fabricante SparkLan ofrece un amplio catálogo de módulos de comunicaciones WiFi con interfaces de conexión PCIE, USB y SIP, con protocolos de comunicación que combinan Bluetooth y WiFi 6/6E.

Para aplicaciones donde no hay acceso a una infraestructura propia, la solución de comunicaciones más confiable es utilizando alguna de las tecnologías ligada a las redes de comunicaciones de telefonía móvil. Estas plataformas ofrecen hoy en día multitud de opciones de comunicación dirigidas a cubrir distintas necesidades y aplicaciones.

Entre las más populares encontramos la ya veterana CDMA (3G), conexiones de alta velocidad LTE (4G) y conexiones de bajo consumo como LTE-M y NB-IOT. El fabricante Telit ofrece una gran cantidad de soluciones en formato de módulo de comunicaciones de tecnología celular, incluidos los estándares LTE Cat 1 y 4 y LPWA 3GPP celular.

Estos módulos seguros se conectan a redes locales o de área amplia para conectar sistemas de equipos de carga de VE en todo el mundo. Las redes de carga de vehículos eléctricos dependen de conexiones celulares seguras y estables en entornos extremos. Esta sólida conectividad es esencial para una infraestructura de carga preparada para el futuro y para mitigar el tiempo de inactividad.

Por último, mencionar tecnologías de comunicación alternativas como la solución XBee RF del fabricante Digi: proporcionan una red de malla (mesh) que permite crear una red auto-formante que conecta cargadores en cualquier entorno, desde un parking con conectividad local hasta parkings en estructuras interiores de cemento y acero, donde Zigbee o la red patentada DigiMesh® pueden enviar señales sobre, debajo y alrededor de pilares y paredes para conectarse a un controlador de carga de vehículos eléctricos.

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Más información sobre Electrónica para Estaciones de Carga y Electrónica Embarcada

Este artículo es una ampliación del apartado «La Nueva Movilidad» que se encuentra dentro del artículo dedicado a la Electrónica Embarcada en los medios de transporte, que trata sobre los sistemas embebidos de captación, procesamiento y presentación de datos de los vehículos. Puedes acceder al artículo completo en el siguiente enlace ‘El Futuro de la Electrónica Embarcada en Transporte‘.

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