Recarga de Vehículo Eléctrico

DAVID PUYALTO I Ingeniero en ABB España


Según el REBT ITC-52, una infraestructura de recarga de vehículos eléctricos es un “Conjunto de dispositivos físicos y lógicos, destinados a la recarga de vehículos eléctricos que cumplan los requisitos de seguridad y disponibilidad previstos para cada caso, con capacidad para prestar servicio de recarga de forma completa e integral. Una instalación de vehículo eléctrico incluye las estaciones de recarga, el sistema de control, canalizaciones eléctricas, los cuadros eléctricos de mando y protección y los equipos de medida, cuando estos sean exclusivos para la recarga del vehículo eléctrico”.


Corriente alterna vs Corriente Continua


Modos de Carga

Existen 4 modos de recarga en función del tipo de dispositivo para realizar la misma. Todos ellos están recogidos en estándares internacionales, así como en el REBT ITC-52.


Modo de Carga 1

La conexión es en corriente alterna, con tomas de corriente domésticas normalizadas, a una corriente inferior a 16 A. La tensión es inferior a 250 V de corriente alterna cuando el sistema es monofásico y 480 V en caso de un sistema trifásico.


Carece de protecciones eléctricas y hay riesgo de calentamiento, por tanto, este tipo de carga es adecuado para pequeños vehículos eléctricos (bicicletas, patinetes, etc.) con baterías de poca capacidad, pero no para coches eléctricos.


Modo de Carga 2

La conexión es en corriente alterna, con tomas de corriente domésticas normalizadas, a una corriente inferior a 32 A. La tensión es inferior a 250 V de corriente alterna cuando el sistema es monofásico y 480 V en caso de un sistema trifásico.


Con respecto al modo 1, se añade la función Control Piloto y protección para las personas contra choque eléctrico (protección diferencial). La función Control Piloto sirve para asegurar la seguridad eléctrica y la transmisión de datos.


Modo de Carga 3. “Cargadores de pared de Corriente Alterna”

En este modo la conexión es directa del vehículo eléctrico a la red de alimentación usando un SAVE (Sistema de Alimentación Específico de Vehículo Eléctrico). En esta caso, la función de Control Piloto se amplía al sistema del control del SAVE. Este podrá estar permanentemente conectado a la instalación de alimentación. Actualmente, todos los coches eléctricos y coches híbridos enchufables pueden cargar en este modo.

En un sentido estricto, no sería un cargador, sería más un “cuadro de protección, mando y control”, pues no dispone de inversor alterna-continua, este está embarcado en el vehículo.


Las potencias de carga de modo 3 más habituales son 3,7 kW, 7,4 kW, 11 kW y 22 kW, aunque, según lo indicado, la potencia de carga estará limitada por el cargador de a bordo. El modo 3 es más habitual para instalación en vivienda u otros ubicaciones donde el vehículo pase muchas horas estacionado.


Modo de Carga 4. “Cargadores rápidos de Corriente Continua”

En el modo 4, el SAVE incorpora el cargador en sí mismo, alimentando directamente la batería sin necesidad de un cargador a bordo del vehículo. El cargador está conectado permanentemente a la red. Actualmente se llegan a potencias de carga de hasta 350 kW, consiguiendo cargar la batería, hasta el 90% de su capacidad, en pocos minutos. A partir del 90% de la carga, el tiempo de carga aumenta. La tendencia es que las baterías carguen cada vez más voltajes cercanos a 1.000 Vcc, reduciendo la corriente, por tanto, el grosor de la manguera y evitando calentamientos excesivos.

El modo 4 está pensado para autovías, electrolineras u otras ubicaciones donde tengamos necesidad de recargar una parte sensible de la capacidad de la batería en un corto espacio de tiempo.


En definitiva, se recomienda el uso del modo 3 en los periodos donde el vehículo esté estacionado por largos periodos de tiempo, y el modo 4 cuando tengamos necesidad de realizar la carga en mitad de la jornada en cortos periodos de tiempo.



Tipos de Conectores según el modo de carga


Conectores para Modo 3 (corriente alterna). Según la norma IEC 62196-2.


Tipo 1

Para sistemas monofásicos hasta 32 A-250 Vca. Hasta 7,4 kW

Más habitual en vehículos del mercado asiático, así como para el mercado Estadounidense y su área de influencia.



Tipo 2

Para sistemas trifásicos hasta 63 A-480 Vca, o sistemas monofásicos hasta 70 A-250 Vca.

Más habitual en vehículos vendidos en Europa.




Conectores para Modo 4 (corriente continua). Según la norma IEC 62196-3.


CCS-1 (COMBO-1)

Conector más habitual en Norteamérica y países de su influencia.



CCS-2 (COMBO-2)

Conector más habitual en vehículos Europeos



CHAdeMO

Conector más habitual en vehículos japoneses


¿Por qué necesitamos sistemas V2G “del-Vehículo-a-Red”?


El creciente número de vehículos eléctricos (VE) en nuestras carreteras elevará la necesidad de potencia en la redes nacionales e internacionales. Es un escenario donde todos esos conductores de VE vuelven a casa después del trabajo y enchufan su coche para cargarlo, se sobrecarga la red de distribución. Junto con el cambio de generación de electricidad por medio de combustibles fósiles hacia generación de energía eléctrica con fuentes renovable, traerá un sobreesfuerzo adicional a las redes eléctricas. Ambos conducirán a un cambio radical en nuestro sistema eléctrico.


Soluciones de almacenamiento de gran escala y domésticas (baterías y otras soluciones innovadoras) serán, inevitablemente, parte de la ecuación, pero con Vehículos Eléctricos simplemente no pensamos en un coche sino en una poderosa batería…¡sobre ruedas!, para el cual ya tenemos la tecnología para permitir que baterías cargadas de vehículos sean capaces de proveer servicios adicionales de equilibrado de la red en momentos de alta demanda.

La tecnología V2G se espera que juegue un papel importante en el equilibrado de la demanda de la red, proveyendo servicios de red y dando forma al panorama de la energía del mañana.


V2G vs V1G (Unidireccional)


Muchos de los beneficios del V2G pueden ser conseguidos con un sistema V2G unidireccional, también conocido como V1G o “Recarga Inteligente”, que se puede definir como “Servicio de recarga de gestión unidireccional” y define los cuatro niveles de interfaz “Vehículo-Red” (VGI), el cual abarca todas las maneras que los VE’s pueden proveer servicios de red, por ejemplo:

  • Flujo de potencia unidireccional (V1G) con un recurso y actores unificados.

  • V1G con recursos agregados.

  • V1G con objetivos fragmentados.

  • Flujo de potencia bidireccional (V2G)

  • V1G implica variación del tiempo o ritmo al cual el vehículo eléctrico es cargado, con el fin de proveer servicios complementarios a la red, mientras que un sistema V2G también incluye flujo de potencia reversible. V1G incluye aplicaciones tales como programación para cargar vehículos en mitad del día para absorber exceso de generación de energía solar, o variando el ritmo de carga de VE para proveer de servicios de respuesta en frecuencia o servicios de balanceo de cargas.

V1G puede ser la mejor opción para comenzar integrando Vehículos Eléctricos como cargas controlables a la red eléctrica debido a limitaciones técnicas que actualmente existen con relación a la factibilidad del V2G.

Un sistema V2G requiere hardware especializado (especialmente, inversores bidireccionales), tiene muchas pérdidas y limitada eficiencia, y puede contribuir a la degradación de la batería debido a un incremento de energía convertida.


¿Qué es la recarga bidireccional?


La recarga bidireccional es la tecnología que habilita las funcionalidades V2G. Es un cargador de dos vías que permite la recarga, así como la descarga, de las baterías a bordo del vehículo eléctrico. En la mayoría de los casos, se hace en Corriente Continua.


¿Qué es “del-Vehículo-a-Red” (V2G)?


“del-Vehículo-a-Red” (V2G), implica un flujo de energía en dos direccional, desde y hacia el vehículo. Significa que si el sistema eléctrico está al límite de potencia (por ejemplo, una central nuclear que se “cae” de repente), entonces el vehículo es capaz de proveer de energía a la red, ayudando a balancear el sistema. Bajo un uso convencional, la única manera de descargar la batería de un vehículo eléctrico es mediante la conducción del mismo. Bajo el concepto V2G, la conducción (o servicio de movilidad), es simplemente uno de los muchos servicios que pueden ser provistos. Entonces, en lugar de usar la energía solo para conducir, puedes usarla para equilibrar la red.


Esto significa que bajo el sistema V2G un vehículo eléctrico es un activo extremadamente flexible, así como proveyendo movilidad, puede asumir recarga inteligente, reduciendo demanda según se requiera, y también puede exportar potencia. El coche puede ser un activo de almacenamiento pasivo y un activo de generación.


Para desbloquear este pequeño y flexible activo (VE), los agregadores entrarán en juego, ya que un equipo es, a menudo, demasiado pequeño para vender directamente a la compañía eléctrica, los agregadores combinarán pequeños activos en un gran “depósito” de activos flexibles.



¿Por qué V2G es interesante para conductores de VE?


Puede suponer un ahorro en el Coste Total de Operación para el propietario del Vehículo Eléctrico a través de los servicios de la red. El coche puede convertirse en un activo para los operadores de red y obtener ingresos para el propietario del vehículo.


¿Para quién es V2G?


Identificamos tres usos genéricos:

  • Compañías eléctricas que proveen servicios adicionales (reserva primaria, gestión de saturación, etc.) para apoyar la red.

  • Vehículo al hogar de respaldo en caso de apagones de la red.

  • Vehículo al edificio para ahorro de picos de consumo.

¿Cómo rentabilizar un sistema V2G?


V2G comercial está relacionado con proveer servicios complementarios a las compañías eléctricas (transmisión y distribución). Estas compañías eléctricas son responsables de ofrecer una red de potencia estable, segura y fiable.


La directiva 2009/72/EC define “servicios complementarios” como “un servicio necesario para la operación de un sistema de transmisión o distribución.


Los servicios complementarios son servicios y funciones específicas provistas por la red eléctrica que facilitan y apoyan el flujo continuo de electricidad, por tanto, el suministro será capaz de atender la demanda. El término “servicios complementarios” se usa para referirse a una amplia variedad de operaciones más allá de la generación y la transmisión, que son requeridos para mantener la estabilidad y seguridad de la red. Estos servicios generalmente incluyen, control de la frecuencia, reservas rotativas y reservas operativas. Tradicionalmente, los servicios complementarios han sido provistos por compañías generadoras, sin embargo, la integración de la generación intermitente y el desarrollo de tecnologías de Redes Inteligente han acelerado un cambio en los dispositivos que pueden ser usados para proveer servicios complementarios.


En el pasado, tales servicios eran solo provistos por empresas de generación tradicionales (central de potencia, grandes industrias, siderúrgicas, etc.), sin embargo, con el cambio hacia la energía renovable, el panorama de los servicios complementarios está también cambiando. Por ejemplo, los sistemas de almacenamiento de energía con baterías (BESS de sus siglas en inglés) y, potencialmente, también los Vehículos Eléctricos son adecuados para proveer tales servicios.


Sin embargo, la potencia y capacidad de la batería de un vehículo eléctrico, no es suficiente para proveer directamente servicios complementarios a las compañías eléctricas. Ahí es donde los “agregadores” desempeñan su papel. Un agregador trabaja como una plataforma para agrupar múltiples sistemas de almacenamiento de energía en un gran “depósito”. El agregador ofrece sus servicios hacia la compañía eléctrica y distribuye los beneficios a los propietarios de los activos.


¡Suena genial!...pero…¿qué nos detiene para expandirlo a gran escala?


La tecnología V2G se espera que juegue un papel importante en equilibrar la demanda de energía, pero las relaciones comerciales que limitan a los participantes del Mercado, incluyendo propietarios de vehículos, proveedores de tecnología y fabricantes de automóviles, están todavía siendo definidas. ¿Cómo va a ser repartido y compartido el riesgo? ¿Quién es propietario de la información y la explota comercialmente? ¿Cómo usarán y como se engancharán los prosumidores y consumidores pasivos con esta tecnología?


¿Qué vehículos permiten recarga bidireccional?


Por el momento, solo Nissan Leaf soporta el protocolo V2G necesario para la recarga bidireccional. Pero se asume que muchos modelos lo soportarán en el futuro próximo.


Servicios Conectados


Los servicios conectados constan de varias herramientas web e interfaces basados en Internet y en la nube.


¿Cómo pueden los servicios conectados ayudar a los usuarios?


Ofrecen conectividad a los Operadores de Puntos de Recarga. Esta conectividad es necesaria para:

  • Monitorizar y operar una red de cargadores.

  • Habilitar los pagos de las sesiones de carga.

  • Ayudar a los conductores de Vehículos Eléctricos en caso de preguntas.

  • Mantener y dar servicio a los cargadores a un bajo coste.

  • Actualizar firmware y software.


El panorama de la E-Movilidad:


Comparado con los vehículos de combustión tradicional, el panorama de la E-Movilidad es algo más compleja. Consta de diferentes jugadores y servicios que han integrado ofertas y son necesarias para habilitar acceso para todos los puntos de recarga disponibles.


Algunos de estos jugadores son:

Operadores de Puntos de Recarga (CPO de sus siglas en inglés): El propietario/operador de puntos de recarga (cargadores de Corriente Alterna o Corriente Continua). Usualmente, el término CPO se refiere a CPO’s comerciales, que explotan sus cargadores comercialmente. CPO’s usualmente gestionan múltiples marcas de estaciones de recarga.


Proveedores de Servicios de E-Movliidad (eMSP de sus siglas en inglés): Es una compañía que ofrece servicios de carga de vehículos eléctricos a los conductores. Un eMSP aporta valor habilitando acceso a una gran variedad de puntos de recarga alrededor de un área geográfica. eMSP’s ayuda a los conductores a encontrar esos puntos, comenzar la carga y realizar el pago de diversos modos. Típicamente, eMSP’s sirve solamente a usuarios registrados.


Proveedores de Soporte Remoto: Ofrecen un sistema de gestión basado en la nube que añade más funcionalidades a las estaciones de recarga. Habilita el registro de las sesiones de carga, pagos, ajuste de precios y recarga inteligente opcional. La mayoría de los proveedores de soporte remoto están enfocados en CPO’s o en eMSP’s. Algunos proveedo-res de soporte remoto también ofrecen estaciones de recarga. El sistema remoto se comunica con el cargador por medio del protocolo abierto OCPP (Open Charge Point Protocol).

Aparte del protocolo OCPP, encontramos en protocolo OCPI (Open Charge Point Interface) que permite la comunicacio-nes entre CPO’s y eMSP’s. Este protocolo también es de libre uso e independiente. Puede trabajar de bilaterales o en combinación con centros de itinerancia. Todos pueden participar en el desarrollo de OCPI. El objetivo de este protocolo es:

  • Acelerar el mercado de Vehículos Eléctricos.

  • Homogeneizar la infraestructura de comunicación donde todos los jugadores del mercado estén conectados.

  • Modelos de negocio nuevos, integrados y rentables, pueden ser desarrollados, que provean flexibilidad y asegu-rar continuidad del suministro.

  • Mejorar los servicios de movilidad.

  • Los conductores de Vehículos Eléctricos pueden esperar tener una experiencia óptima, independientemente de fronteras, operadores o equipos. Precios, tarifas, ubicaciones, disponibilidad y una única factura, deberían estar disponibles en tiempo real y de un modo transparente. Los objetivos del protocolo OCPI son simplificar, estanda-rizar y harmonizar.


OCPP (Open Charge Point Protocol)


OCPP es un protocolo de aplicación entre el vehículo eléctrico, estaciones de recarga y el sistema de gestión central (también llamado Back-End o Back-Office).


Este protocolo es una iniciativa de la fundación ELaadNL en los Países Bajos. La intención era crea un protocolo de aplicación abierto el cual permite a las estaciones de recarga de VE y el sistema de gestión central de diferentes proveedores a comunicarse los unos con los otros. Está en uso por un vasto número de jugadores del sector en todo el mundo.


OCPP describe un conjunto de mensajes estandarizados que el sistema central puede enviar o solicitar al punto de recarga, y viceversa. Uno de los beneficios es que los propietarios de las estaciones de recarga son menos vulnerables a los sistemas cerrados o propietarios, si un fabricante de cargadores desaparece, la información se puede transferir a otra red basada en OCPP.


Hay múltiples versiones de OCPP usadas, como cambiar de un OCPP antigua a otro más actual tiene un coste significante, los usuarios solo actualizarán si aporta un valor añadido significante. OCPP 1.5 y 1.6 no son compatibles hacia atrás. En este momento existen 3 versiones OCPP 1.5 / 1.6 / 2.0


OCPP 1.5: usa un entorno “Protocolo de Acceso de Objeto Simple” (SOAP)


OCPP 1.6: usa el protocolo JSON el cual es más compacto y requiere menos código para transferir el mismo contenido del mensaje.


OCPP 2.0: Note: Añade funcionalidades adicionales a la versión 1.6, como gestión del dispositivo, mejora de la gestión de las transacciones, más seguridad de datos, más funcionalidades de Smart Charging, soporte para ISO 15118, mejora en los mensajes de soporte, etc…

Recarga Inteligente con OCPP


Smart Charging es un término “paraguas” usado para definir sus funcionalidades para permitir a los propietarios de puntos de recarga (y operadores) usar sus cargadores de un modo efectivo y eficiente. Típicamente , Smart Charging, se usa para reducir el pico de carga en la red de distribución eléctrica, suministrando la potencia necesaria para cargar el vehículo. Dos ejemplos son:

  • Maximizar la cantidad de estaciones de recarga que pueden instalares en una conexión de red de 80A.

  • Ajustar la producción de energía renovable con la recarga de vehículo eléctricos en la ubicación.

  • El protocolo OCPP es mejor para funcionalidad de Smart Charging para aplicaciones NO-críticas.

  • ¿Por qué NO-críticas?, porque hay siempre algún retraso debido a los sistemas basado en la nube y la conexión se puede interrumpir.

  • Para instalaciones críticas existen Controladores Locales.


¿Qué se necesita para usar Smart Charging vía OCPP 1.6?


La mayoría de los cargadores comerciales (tanto de Alterna como Continua) están conectados a un Back-End (o Back-Office) basado en OCPP. A través este protocolo, los cargadores pueden conectarse con el Back-End de los Operadores de Puntos de Recarga (CPO). Desde que Smart Charging está disponible en OCPP version 1.6 (más tarde 2.0), el foco actual está en OCPP 1.6.


El protocolo OCPP 1.6 consta de un perfil base o “CORE” y 5 perfiles opcionales. El perfil CORE es obligatorio para todos los Back-Offices/Chargers que usan OCPP 1.6 para comunicarse. Los otros son, por supuesto, opcionales. Uno de estos perfiles es Smart Charging. Si ambos, el Back-Office y el fabricante del cargador han implementado este perfil adicional, entonces puede ser utilizado.


¿Cómo funciona?


Un perfil de carga consta de un programa de carga, que básicamente es una lista de intervalos de tiempo. Estos intervalos tienen una potencia y una corriente máxima. Para cada perfil un periodo de tiempo y una recurrencia deben ser especificados.


Hay tres tipos diferentes de perfil de carga, dependiendo en su propósito:


ChargePointMaxProfile: Usado para escenarios de balanceo de cargas. El cargador tiene uno o más perfiles de carga que limitan la potencia o la corriente que se compartirá por todas las salidas del cargador.


TxDefaultProfile: Programas por defecto para nuevas transacciones pueden ser usadas para imponer los criterios de recarga. Un ejemplo podría ser un criterio donde se prevenga recargar durante el día.


TxProfile: Los programas por defecto pueden ser modificados (manualmente) durante la duración de la transacción de corriente para hacer excepciones de carga posibles.


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