En este artículo el departamento técnico de Avnet Abacus repasa las principales características de un cargador de vehículo eléctrico. Un cargador de vehículo eléctrico (VE) es un ejemplo de equipo electrónico que incorpora casi todos los aspectos del diseño, desde innovadoras técnicas de conversión de energía analógicas y digitales hasta control avanzado, interfaces hombre-máquina (HMI) y comunicación inalámbrica segura para dispositivos móviles y la nube (cloud). Todas estas funciones se reúnen en una caja que, a menudo, se expone a condiciones ambientales extremas y se conecta directamente a la red de suministro eléctrico de baja tensión, con sus picos, sobretensiones y caídas.
Se trata de un ambiente difícil y, a pesar de que los procesadores y dispositivos similares pueden estar bastante bien protegidos, los elementos que más podrían sufrir son los ‘humildes’ conectores y los componentes pasivos y electromecánicos como relés y contactores. Todavía más expuestos se encuentran el cable de alimentación y el conector que llegan al vehículo, por lo que el estándar IEC 62196-3 define los requisitos de protección.
El sistema de carga combinado (Combined Charging System - CCS) ahora está siendo ampliamente adoptado como un estándar en los conectores Tipo 1 y Tipo 2 para carga de CA y conectores ‘Combo’ que permiten CA y CC desde pines alternativos. Los conectores compatibles ya se encuentran fácilmente disponibles, normalmente asignados como ‘IP44’ para protección ante salpicaduras de agua desde cualquier dirección y cuerpos ‘extraños’ de más de 1 mm. La protección se aplica cuando el conector está ‘enchufado’ y un pin de ‘proximidad’ impide el flujo de la corriente hasta que el conector esté completamente enganchado y sellado de manera efectiva. Otros estándares de conectores que se pueden ver son CHAdeMO y GB/T para los mercados japonés y chino, respectivamente.
Los cargadores de VE pueden notar un suministro eléctrico ‘sucio’
En el otro extremo del sistema, un cargador de pared de CA puede conectarse a una red de suministro doméstico relativamente ‘limpia’, pero muchas instalaciones de cargadores de CA y CC en la carretera están sujetas a los niveles de transitorios más altos presentes en la red de distribución de la empresa de servicios públicos. Esto suele requerir una protección ante sobretensión de Categoría IV (‘Over-Voltage Category IV’), que demanda la combinación de componentes de supresión, incluyendo varistores, filtros LC y tubos de descarga de gas (GDT). Una innovación reciente ha consistido en la incorporación de un varistor y un GDT en serie en un encapsulado. Esta es una buena solución al problema de que los varistores siempre tienen alguna fuga y, si se encuentran directamente en la entrada de CA, se degradan lentamente. Con el GDT en serie, se garantiza que no hay flujo de corriente hasta que se alcanza la tensión de ruptura combinada. El filtro LC ofrece mayor protección y posee la capacidad adicional de poder suprimir las emisiones conducidas de las etapas de potencia del cargador. Y, para beneficiarse de una solución óptima, el filtro se puede diseñar a medida para que el producto cumpla los límites de emisiones con un margen adecuado, ayudando así a minimizar el tamaño y el coste.
Un filtro de entrada EMI de cargador de VE trifásico típico con varistores y GDT en serie.
En el cuerpo del cargador se puede esperar la presencia de algún nivel de humedad, vibración, ingreso de polvo y variación de temperatura, por lo que las interconexiones estarán formadas por componentes de alta calidad, especificados para hacer frente a los rigores ambientales y las tarjetas normalmente se encontrarán cubiertas. También es muy posible que se produzca un aumento considerable de la temperatura interna, debido al sobrecalentamiento y la luz solar, por lo que al menos las piezas de grado industrial suelen tener que soportar una temperatura de 105 °C o más para mantener la fiabilidad y asegurar una larga vida útil. Estos son parámetros críticos ya que, por su naturaleza, las estaciones de carga están muy extendidas y el mantenimiento es costoso, desde el punto de vista financiero y de reputación si hay un tiempo de inactividad significativo.
Identificación de componentes con vida útil limitada
Los componentes que tradicionalmente tienen una vida útil finita son los condensadores grandes y todo lo electromecánico. En un cargador de VE (CC), siempre se necesitará un ‘DC link’, un bus de alta tensión con condensadores emparejados, que suelen ser de tipo electrolítico por su elevada eficiencia volumétrica. Estos modelos pueden tener una vida útil limitada al rendir con los valores ‘extremos’ de sus especificaciones y, por ende, debe reducirse sustancialmente la tensión y la corriente de rizado. Los tipos press-fit o de tornillo todavía se ven a menudo, ya que son más fáciles de cambiar de forma rutinaria.
Cualquier sistema con partes móviles es candidato a sufrir fallos tempranos. Los ventiladores pueden descartarse por este motivo, pero existe necesidad de un aislamiento mecánico en los cargadores de VE de CA y CC, que se logra con relés o, a veces, con contactores. Los niveles de corriente pueden ser muy altos, medidos en cientos de amperios en los cargadores de CC de mayor potencia y la formación de arcos fotovoltaicos es otro problema generalizado. Sin embargo, los aislantes se han desarrollado para la aplicación que cumple el estándar apropiado (IEC 61810-1), siendo alcanzable un mínimo de 50.000 ciclos. Así, los componentes tendrán un método activo para extinguir el arco, quizás por un sesgo de campo magnético y, al mismo tiempo, el aislante debe lograr distancias de fuga y de separación de seguridad y mantener una baja resistencia de contacto durante toda su vida útil.
La precisión en el sensado de corriente es clave
Otro requisito particular de los cargadores es poder medir con precisión la energía suministrada, a partir de mediciones de corriente y tensión. Cualquier tipo de error y tolerancia debe ser identificado y el beneficio de la duda otorgado al usuario del EV, por lo que la precisión resulta vital para minimizar el coste para el operador del cargador. Los transformadores de corriente se pueden usar para CA con una precisión buena y repetible, pero la medición de la corriente CC a niveles altos es más difícil. El sensado resistivo tiene pérdidas a menos que el valor sea extremadamente bajo, pero hay circuitos dedicados que se encuentran disponibles para detectar y convertir el nivel de las bajas tensiones producidas. En su defecto, los sensores de efecto Hall o Fluxgate se pueden emplear con pérdidas en línea casi cero, pero con un coste superior y con ‘preocupaciones’ acerca de la deriva y el desplazamiento, que requieren una calibración regular. En los cargadores de CA, se requiere una interrupción de la corriente de fallo a tierra, lo que se logra fácilmente mediante el sensado de corriente del transformador. Además, están disponibles circuitos dedicados que pueden monitorizar el valor medido y comprobar periódicamente la funcionalidad del circuito.
La medición de la corriente de funcionamiento y de fallo a tierra en cargadores de CA es relativamente fácil con transformadores.
¿Donde encontrar más información?
En Avnet Abacus han publicado una guía de cuatro volúmenes que llaman: EV Charging Infrastructure Designbook. Compuesto por cuatro volúmenes, esta guía ‘recorre’ la funcionalidad crítica y los requisitos de las estaciones de carga de VE, incluyendo alimentación, control, comunicaciones y software e integración.
El volumen ‘uno’ se centra en la etapa de potencia, revisando las arquitecturas de los cargadores de pared de CA y las estaciones de carga de CC, cómo se emplean las diferentes tecnologías y topologías de conversión y las consideraciones clave en lo que se refiere a seguridad y aislamiento.
EV Charging Infrastructure Designbook.