¿Cómo funciona el equipo de suministro para vehículos eléctricos (EVSE)?

La infraestructura EVSE abarca desde cargadores domésticos para vehículos eléctricos hasta estaciones de carga públicas y para flotas de vehículos eléctricos de gran potencia. Veamos algunos de los componentes y aspectos clave de la EVSE.

Métodos de cobro

Existen dos tipos de potencia de carga predominantes:

• Corriente alterna (CA): El EVSE suministra corriente alterna al conector. A continuación, la CA se convierte en CC dentro del vehículo para cargar las baterías.
• Corriente continua (CC): El EVSE suministra energía de CC directamente a las baterías de un vehículo eléctrico, sin pasar por el cargador integrado.

Complementario a eso es la naturaleza del conducto utilizado para la transferencia de energía:

• Carga conductiva/con cable: Es la opción de carga más habitual, en la que un cable de carga conecta el EVSE al vehículo eléctrico.
• Carga inductiva/inalámbrica: en lugar de un cable enchufable, utiliza tecnología inductiva o resonante para suministrar energía electromagnéticamente a las baterías.
• Carga mediante pantógrafo: los pantógrafos conectan un vehículo a una línea de carga aérea. Se utilizan para vehículos eléctricos pesados en flotas y entornos urbanos donde se requiere una carga rápida y automatizada sin necesidad de enchufes manuales.

Normas de cobro

Las normas de recarga son marcos integrales que abarcan varios aspectos de la recarga entre un EVSE y un VE. No existe una norma única aceptada a nivel mundial. En su lugar, existen diversas normas globales y regionales:

• Sistema de carga combinado (CCS): El estándar CCS especifica aspectos como la negociación de los parámetros de carga, la autenticación, el pago y funciones avanzadas como Plug and Charge (PnC). Los conectores CCS admiten tanto la carga de CA como la de CC. El conector CCS tipo 1 es popular en Norteamérica y el tipo 2 en Europa y el resto del mundo.
• Estándar de carga norteamericano (NACS): El NACS utiliza un único conector compacto tanto para la carga de CA como de CC.
• CHArge de MOve (CHAdeMO): El estándar CHAdeMO es muy popular en Japón y utiliza dos puertos separados para la carga de CA y CC.
• Guobiao Tuijian (GB/T): Estas normas son muy comunes en China. Anteriormente, se utilizaban puertos separados para CA y CC; sin embargo, la nueva versión ChaoJi utilizará un puerto común.
• Sistema de carga Megawatt (MCS): El estándar MCS permite cargar rápidamente vehículos eléctricos pesados, como camiones y autobuses, utilizando corriente continua de alta potencia.

Estas normas abarcan los siguientes aspectos:

• Parámetros eléctricos, incluidos los niveles de carga, voltajes compatibles, corrientes y límites de potencia para diferentes velocidades de carga.
• Conectores, incluyendo la forma, la disposición de los pines y los mecanismos de bloqueo mecánico de las interfaces físicas.
• Protocolos de comunicación, incluidas las señales de control entre los EVSE y los VE, y entre los EVSE y las redes eléctricas.
• Mecanismos de seguridad, como una conexión a tierra y un aislamiento adecuados.

Niveles de carga

La velocidad de carga viene determinada por los niveles de carga, tal y como se explica a continuación.

Carga CA

Los niveles de carga de CA de la norma J1772 de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) están integrados en CCS:

• Carga de nivel 1: se basa en una toma de corriente doméstica estándar de 120 voltios (V) CA que puede suministrar entre 1 y 2 kilovatios (kW) de potencia a 10-16 amperios (A). Es adecuada para bicicletas eléctricas pequeñas, no para coches eléctricos.
• Carga de nivel 2: La mayoría de los cargadores domésticos y las soluciones públicas de carga para vehículos eléctricos utilizan cargadores de nivel 2. Funcionan a 208-240 V CA. La potencia oscila entre 7 y 19 kW y la corriente entre 32 y 80 A.

Carga de CC

CCS especifica estas cinco clases de alimentación de CC:

• Carga de baja potencia: la potencia de carga se mantiene por debajo de 8 kW.
• Carga de CC: Estos EVSE pueden suministrar entre 8 kW y 50 kW.
• Carga rápida (FC): El FC EVSE puede suministrar entre 50 y 100 kW durante al menos 30 minutos.
• Carga ultrarrápida (UFC): pueden suministrar entre 100 y 150 kW durante al menos 20 minutos.
• Carga de alta potencia (HPC): El EVSE HPC puede suministrar más de 150 kW durante al menos 10 minutos.

Estas clases y niveles de potencia también se utilizan para la carga bidireccional.

Sistema de carga megavatio (MCS)

La carga de megavatios está destinada a autobuses eléctricos pesados, semirremolques, maquinaria de movimiento de tierras, equipos de aviación e incluso embarcaciones marítimas. Implica voltajes de CC de más de 1000 V y corrientes de varios cientos a 4000 A. Los sistemas MCS existentes pueden suministrar entre 0,4 y 6 megavatios (MW), y los sistemas futuros se están diseñando para 12-24 MW.

Actualmente, MCS especifica cinco niveles de potencia:

• Nivel 1 de MCS: El EVSE de nivel 1 utiliza cables de carga no refrigerados para suministrar hasta 350 A a 1250 V.
• Nivel 2 de MCS: pueden suministrar hasta 1500 A a 1250 V utilizando cables de carga refrigerados por líquido.
• Nivel 3 de MCS: El EVSE de nivel 3 utiliza refrigeración líquida tanto para los cables de carga como para las entradas de los vehículos eléctricos, y suministra hasta 3000 A a 1250 V.
• MCS reforzado (R-MCS): El MCS reforzado puede suministrar hasta seis MW con corrientes que alcanzan los 4000 A a 1500 V. Está diseñado para entornos hostiles como la minería, la aviación y el sector marítimo.
• X-MCS: Este próximo estándar mejorará el R-MCS para ofrecer entre 12 y 24 MW.

Comunicación entre EVSE y EV

El EVSE y el EV se comunican entre sí utilizando protocolos como las especificaciones de la Organización Internacional de Normalización (ISO) 15118, que definen cómo:

• negociar los niveles de cobro
• Controlar la secuencia de carga que implica el establecimiento de la comunicación y la autenticación.
• facilitar la recarga inteligente (en la que los tiempos y tarifas de recarga se basan en la carga de la red en tiempo real, los precios de la energía y la disponibilidad de energía renovable)
• Implementar PnC con autenticación y facturación automatizadas.
• Garantizar la seguridad mediante informes sobre el estado de carga y la gestión de errores.
• comunicarse de forma segura

Mecanismos de seguridad

Las normas de carga especifican mecanismos de seguridad como:

• conexión a tierra y aislamiento para evitar descargas eléctricas
• asegurarse de que la energía solo se suministre cuando se establezca una conexión segura
• mecanismos para detectar sobrecorriente, sobretensión, cortocircuitos, fallos de conexión a tierra y temperaturas anormales, y para apagar la alimentación de forma segura.
• Monitorización de la temperatura, especialmente para la carga de CC de alta potencia.

Integración en la red

Los EVSE se integran cada vez más en las redes inteligentes para implementar:

• V2G (vehículo a red) para flujo de energía bidireccional
• equilibrio de carga
• respuesta a la demanda
• carga inteligente basada en la carga de la red y la disponibilidad de energía renovable

Algunos EVSE pueden alimentarse con energía solar y otros recursos energéticos distribuidos.

Para una recarga segura y fiable de vehículos eléctricos, es esencial realizar pruebas exhaustivas de los sistemas de recarga (EVSE). Las pruebas de los EVSE deben abordar los aspectos que se describen a continuación:

• Interoperabilidad: los EVSE deben poder cargar correctamente cualquier vehículo eléctrico, independientemente del fabricante o modelo, para mantener la confianza de los consumidores en la movilidad eléctrica.
• Conformidad con los protocolos: muchos problemas de interoperabilidad se deben a errores de comunicación. Dada la gran cantidad de estándares y funciones avanzadas de los EVSE, es fundamental realizar pruebas exhaustivas de conformidad con los protocolos para garantizar la interoperabilidad.
• Seguridad: Las pruebas EVSE validan eventos críticos para la seguridad, como apagados de emergencia y descargas de fuentes internas de alto voltaje. Las pruebas de resistencia de aislamiento también son un control de seguridad clave.
• Rendimiento: Las pruebas EVSE deben validar el rendimiento en condiciones de fallo, temperaturas extremas y eventos dinámicos de la red.
• Simulación: Las simulaciones realistas de diferentes vehículos eléctricos, baterías, escenarios positivos y condiciones de error permiten llevar los sistemas al límite desde las primeras etapas a bajo coste, sin poner en riesgo las instalaciones EVSE ni los vehículos eléctricos.
• Automatización: La automatización de pruebas permite realizar evaluaciones repetibles a través de cientos de pruebas, verificando continuamente la interoperabilidad y la conformidad.
• Compatibilidad electromagnética (EMC): Las emisiones de los EVSE pueden interferir con otros dispositivos electrónicos y comunicaciones inalámbricas. Las pruebas de EMC garantizan que los EVSE siempre funcionen en el entorno electromagnético previsto.
• Seguridad del protocolo: La autenticación segura y el intercambio de datos se verifican mediante pruebas de seguridad de la capa de transporte, infraestructura de clave pública para PnC y seguridad XML para la integridad y el no repudio de la capa de aplicación.
• Depuración: Para la depuración y el análisis de las causas fundamentales, los visores de trazas de protocolos y los analizadores man-in-the-middle permiten observar, capturar y decodificar las señales de comunicación y alimentación entre un vehículo eléctrico y un EVSE.

Las pruebas de interoperabilidad utilizan sistemas y métodos de prueba especializados para garantizar una comunicación y una transferencia de energía fluidas entre diferentes redes, EVSE y vehículos eléctricos. Veamos estas técnicas a continuación.

• Pruebas de conformidad: La rigurosa verificación de la conformidad con los protocolos mediante especificaciones oficiales de casos de prueba de diversos estándares de carga garantiza el estricto cumplimiento de las normas que rigen las negociaciones de carga. Las pruebas de negociación y comportamientos de reserva garantizan la compatibilidad tanto con los modelos de vehículos eléctricos nuevos como con los antiguos. Los EVSE pueden diseñarse para admitir estándares en evolución.
• Emulación EVSE: El sistema de prueba emula un EVSE configurable de CA o CC para probar cualquier vehículo eléctrico.
• Emulación de vehículos eléctricos: El sistema de prueba actúa como un vehículo eléctrico universal configurable que permite realizar pruebas funcionales, de seguridad y de rendimiento de EVSE. Utiliza una carga electrónica y una fuente de alimentación regenerativa para simular el comportamiento de los vehículos eléctricos.
• Emulación de baterías: El sistema de prueba puede emular cualquier capacidad, tecnología, estado de carga o resistencia interna de las baterías de los vehículos eléctricos.
• Prueba «man-in-the-middle»: se coloca un sistema de prueba entre un vehículo eléctrico real y un EVSE real para supervisar, capturar y descodificar de forma pasiva las señales de comunicación y alimentación. Esto permite analizar en tiempo real los errores y sus causas durante una sesión de carga real.
• Pruebas automatizadas: Se pueden ejecutar de forma sistemática y continua amplias bibliotecas de casos de prueba automatizados basados en especificaciones del sector para validar comportamientos, introducir parámetros modificados y establecer condiciones de aprobado/suspenso.
• Pruebas a nivel de componentes: El controlador de comunicación del vehículo eléctrico (EVCC) del vehículo y el controlador de comunicación del equipo de suministro (SECC) del cargador se prueban individualmente utilizando un comprobador de interfaz de comunicación que emula el controlador homólogo y ejecuta casos de prueba preprogramados. 

¿Cuál es la diferencia entre las pruebas de conformidad EVSE y las pruebas funcionales?

Las pruebas de conformidad EVSE comprueban rigurosamente el cumplimiento de las normas oficiales de carga y los protocolos de comunicación, incluyendo su comportamiento en condiciones normales, extremas y de error. Es un requisito previo para la homologación y certificación.

Las pruebas funcionales van más allá de las pruebas de conformidad, ya que verifican que un EVSE se comporta y funciona según lo previsto y esperado por los usuarios.