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Cargadores eléctricos

Los cargadores eléctricos son los equipos que permiten recargar o almacenar energía en las baterías de los vehículos eléctricos e híbridos enchufables para permitir el posterior uso de ella. Los vehículos eléctricos se pueden cargar con distintos tipos de tecnologías de cargadores, ya sean en corriente alterna (AC) o corriente directa (DC).

Desde los primeros modelos comerciales de vehículos eléctricos en el mercado automotriz en 2010, el proceso de recarga ha ido cambiando gradualmente, desde un modelo que depende exclusivamente de la carga residencial, a uno mixto que está exhibiendo una creciente dependencia en la carga utilizando infraestructura pública (Electric Power Research Institute (EPRI), 2007) (J. T. Salihi, 1973) (Morcos, 2003) (K. Qian, 2011) (J. Sexauer, 2013) (P. Fan, 2015) (D. Bowermaster, 2017).

Una exitosa introducción de la carga rápida, sumado a una creciente popularidad de cargadores habilitados en lugares de trabajo, han cambiado la forma en que la recarga es concebida, además de proporcionar una mayor flexibilidad a los conductores. A pesar de que el método preferido de recarga de baterías seguirá siendo el residencial (D. Aggeler, 2010) (EPFL) (D. Christen, 2010), la disponibilidad de una infraestructura de carga pública representa un factor positivo para la masificación de la electromovilidad. El proceso de recarga de baterías es fundamental, tanto para el funcionamiento de los vehículos eléctricos, como para la red de distribución a la que se conectará la red de carga. Esto se relaciona con una serie de particularidades de la aplicación, y que en cierta medida define la forma de afrontar el problema.

Fundamentalmente, existen 3 parámetros para caracterizar la recarga: el nivel (level), el tipo de conector y el modo de carga. Estos parámetros implicarán diferencias en la forma en que se establece la conexión a la red eléctrica, los niveles de corriente/voltajes asociados, la forma en que la energía es inyectada al vehículo (AC o DC), sistemas de comunicación entre el vehículo y el cargador, entre otros.

¿Qué es el nivel de carga?

El nivel de carga o level define al cargador según la potencia eléctrica del equipo. El nivel AC 1, que considera cargadores AC monofásicos por debajo de 1,92 kW; el nivel AC 2 que abarca cargadores desde 1,92 a 19,2 kW, y que considera cargadores monofásicos y trifásicos; y finalmente, el nivel AC 3, que opera con potencias superiores a 20 kW y hasta 80 kW, por lo que se trata, exclusivamente, de cargadores trifásicos. Finalmente, si la energía es inyectada en forma continua por un equipo que se ubica en el exterior del vehículo, se trata de un cargador DC, y que abarca niveles de potencia que se proyectan hasta 400 kW (Rivera, 2016; Yilmaz, 2013).

¿Qué es el tipo de conector en un cargador?

El tipo de conector se refiere al tipo de enchufe, los cuales tienen distintos pines y geometrías que cumplen a su vez el rol de intercomunicar el vehículo eléctrico con el cargador. En la actualidad existen múltiples tipos de conectores que se ofrecen en el mercado, liderando la oferta aquellos procedentes de estándares europeos, americanos, japoneses y chinos.

¿Qué es el modo de carga?

El tercer parámetro para caracterizar un cargador es el modo de carga. La carga de un vehículo eléctrico puede hacerse según cuatro (4) modos distintos de carga según lo estipula la norma internacional IEC 61851-1. El concepto de modo de carga se ha asimilado operacionalmente respecto de la conectividad y comunicación entre el cargador eléctrico y el vehículo eléctrico. Modos de carga 1 y 2 tienen nulo o bajo nivel de comunicación, por lo tanto un vehículo eléctrico podría no cargarse según la electrónica programada para resguardo de las baterías. Modos de carga 3 y 4 tienen alto nivel de comunicación, siendo los más recomendados. La infografía a continuación describe los cuatro (4) modos de carga y cuáles de ellos ocurren en corriente alterna (AC) o corriente continua (DC).

Más cargadores y más rápidos requiere de un esfuerzo multisectorial

La industria de la electromovilidad está haciendo importantes esfuerzos en aumentar la capacidad de las baterías al rango de 60 – 100 kWh (D. Bowermaster, 2017). Esto implicará un aumento de los tiempos de recarga o en los niveles de potencia de los cargadores, que se proyectan al rango de los 350-400 kW (D. Bowermaster, 2017) (Yilmaz, 2013). Estos niveles se alejan de los niveles esperados en sectores no industrializados, por lo que la habilitación de electrolineras o puestos de carga en estacionamientos involucrará la actualización de componentes de transmisión y distribución eléctricas (Dusmez, 2012) (L. Dickerman and J. Harrison, 2010).

Este constante cambio de la infraestructura de carga para los vehículos eléctricos, ha modificado el rol de las compañías de electricidad en su desarrollo, las que cada vez son más partícipes en la instalación de nuevas estaciones de cargas, tanto del sector público como privado. A modo de ejemplo, en Canadá y Estados Unidos, las compañías públicas han apoyado activamente la instalación de 5.500 estaciones de carga en Norteamérica, con aportes que superan los US$1.000 millones (D. Bowermaster, 2017). Estos programas tienen como propósito, beneficiar a todos los usuarios del sistema y a la sociedad mediante la reducción de tarifas y emisiones de carbono, y la creación de nuevos trabajos. En el caso nacional, el sector privado es el que ha tomado el principalmente el rol de disponer de puntos de carga eléctrica de acceso público.

A Mayo del 2019, la red de cargadores públicos en Chile alcanzó las 77 unidades y cuyos responsables son aquellos que han declarado de forma explícita su apoyo a la electromovilidad en Chile a través del Acuerdo Público Privado del Ministerio de Energía.

Finalmente, es importante señalar que, dentro de las categorías mencionadas, el medio físico por el cual se establece la transferencia de energía difiere entre tecnologías, los que pueden ser conductivos, y utilizar un cable o medio de conducción sólido para el flujo de electrones, como también inductivos, y hacer la transferencia inalámbrica mediante inductores magnéticamente acoplados (Rivera, 2016). La carga inductiva permitiría, potencialmente, transferir energía durante los viajes, implementando carreteras energizadas y solucionar, en gran medida, el problema de autonomía de las baterías (Stanford News, 2017). Sin embargo, los cargadores conductivos dominan, casi en su totalidad, el mercado de cargadores eléctricos debido a su madurez y desempeño probado (Yilmaz, 2013). Las aplicaciones de cargadores inductivos tienen prototipos principalmente ligados a operación de buses bajo el concepto de carga de oportunidad u Oppcharge (OppCharge: Fast Charging of Electric Vehicles, 2017). Bajo esta misma línea se encuentra los cargadores conductivos de tipo pantógrafo o carga superior. Para más detalle revisa el artículo “Cargadores para buses eléctricos”.

Referencias

Electric Power Research Institute (EPRI), T. R. (2007). Environmental Assesment of Plug-in Hybrid Electric Vehicles Volume 1: Nationwide Greenhouse Gas Emissions.

J. T. Salihi. (1973). Energy Requirements for Electric Cars and Their Impact on Electric Power Generation and Distribution Systems. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-9, no. 5, pp. 516–532, .

Morcos, J. G. (2003). Impact of EV battery chargers on the power quality of distribution systems. IEEE Trans. Power Del., vol. 18, no. 3, pp. 975–981 .

K. Qian, C. Z. (2011). Modeling of Load Demand Due to EV Battery Charging in Distribution Systems. IEEE Trans. Power Syst.,vol. 26, no. 2, pp. 802–810 .

J. Sexauer, K. M. (2013). Applications of probability model to analyze the effects of electric vehicle chargers on distribution transformers. IEEE Trans. Power Syst., vol. 28, no. 2, pp. 847–854, .

P. Fan, B. S. (2015). Operation analysis of fast charging stations with energy demand control of electric vehicles. Smart Grid, IEEE Transactions on, vol. PP, no. 99, pp. 1–1 .

D. Bowermaster, M. A. (2017). The need for charging: Evaluating utility infrastructures for electric vehicles while providing customer support. IEEE Electrification Magazine, vol. 5, no. 1, pp. 59–67, .

D. Aggeler, F. C.-D. (2010). Ultra-Fast DC-Charge Infrastructures for EV-Mobility and Future Smart Grids. IEEE PES Innov. Smart Grid Technol. Eur. (ISGT .

EPFL, U. (s.f.). UFCEV EPFL. Obtenido de UFCEV EPFL: http://ufcev.epfl.ch/

D. Christen, S. T. (2010). Highly Efficient and Compact DC-DC Converter for Ultra-Fast Charging of Electric Vehicles. Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC) .

Rivera, S. K. (2016). Charging Architectures for Electric and Plug-in Hybrid Electric Vehicles. En Smart Charging Technologies and Applications for Electric and Plug-in Hybrid Vehicles. Springer International Publishing.

Yilmaz, M. a. (2013). Review of Battery Charger Topologies, Charging Power Levels, and Infrastructure for Plug-In Electric and Hybrid Vehicles. IEEE Transactions on Power Electronics , 28 (5), 2151-2169.

Stanford News. (14 de Junio de 2017). Recuperado el 1 de Diciembre de 2017, de https://news.stanford.edu/2017/06/14/big-advance-wireless-charging-moving-electric-cars/

OppCharge: Fast Charging of Electric Vehicles. (2017). Recuperado el 1 de Diciembre de 2017, de https://www.oppcharge.org/

ZeEUS. (2016). ZeEUS eBus Report. An overview of electric buses in Europe. Zero Emission Urban Bus System.

BID. (2015). Apoyo al diseño de operaciones de mitigación de cambio climático. Estudio de alternativas para la implementación de autobuses eléctricos en Asunción. Banco Interamericado de Desarrollo.

Dusmez, A. K. (2012). Comprehensive topological analysis of conductive and inductive charging solutions for plug-in electric vehicles. Vehicular Technology, IEEE Transactions vol. 61, no. 8, .

L. Dickerman and J. Harrison. (2010). A New Car, a New Grid. IEEE Power Energy Mag., vol. 8, no. 2, pp. 55–61 .

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