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Los cargadores para coches eléctricos. ¿Pueden empeorar la calidad del suministro de energía eléctrica?

Los cargadores para coches eléctricos. ¿Pueden empeorar la calidad del suministro de energía eléctrica?

Introducción

 

Actualmente es difícil imaginarse un buen funcionamiento de sociedades sin el transporte por carretera. El número de coches en cada país asciende a millones y la gran mayoría son vehículos propulsados por combustibles derivados del petróleo (gasolina, diésel). Debido al límite de este recurso natural, al aumento de costes de producción y las tendencias ecológicas en el mundo, es necesario reducir su consumo. Además, la sensibilización de los ciudadanos respecto a las emisiones también es mucho más alta que hace más de diez años. Todo esto impulsa la búsqueda de soluciones alternativas respecto a los combustibles utilizados en la actualidad, sobre todo en el campo del transporte por carretera.


El número de vehículos eléctricos (no sólo turismos), que se desplazan por la carretera, aumentará. Esto implica la necesidad de desarrollar la infraestructura para recargar estos vehículos. Este artículo presenta las amenazas más importantes respecto a la calidad de la electricidad, lo que lleva consigo un rápido aumento en el número de estaciones de recarga para coches eléctricos.


Selección de potencia de cargadores

 

El número de puntos de recarga para vehículos eléctricos está creciendo año a año. Sin embargo, si los dispositivos deben funcionar de forma fiable, es necesario planificar cuidadosamente la inversión basada en datos precisos. La instalación del punto de recarga para vehículos eléctricos es más complicada, por ejemplo, que conectar el calentador eléctrico. Además del cumplimiento de los requisitos básicos para la protección contra descargas eléctricas e incendios, también se deben cumplir los requisitos de compatibilidad electromagnética que proporcionan un funcionamiento fiable de los cargadores en la red eléctrica. Los requisitos de compatibilidad dependerán principalmente del tipo y diseño de la estación de recarga para vehículos eléctricos.

Los cargadores fabricados actualmente para coches eléctricos se pueden dividir en varios tipos básicos, que se definen de acuerdo con la norma IEC 61851-1 [1]. Debido a la potencia suministrada al coche, los cargadores se pueden dividir en:

      • estándar (lentos) de potencia de hasta aprox. 3,7 kW para la alimentación monofásica y la potencia de aprox. 11 kW para la alimentación trifásica,

      • semi-rápidos con la potencia de aprox. 7,4 kW monofásica o 22 kW para las tres fases,
      • rápidos (a veces llamados súper cargadores) con potencia de hasta 150 kW (en el futuro hasta 300 kW).
     
     

    La velocidad de recarga del coche está relacionada con la potencia del cargador. Antes de instalar el cargador, la pregunta básica es, qué potencia está disponible en el punto de instalación planificada, por un lado, para instalar el cargador tan rápido como sea posible, y por otro lado para que su funcionamiento no afecte negativamente a otros dispositivos alimentados desde el mismo punto de conexión. Para responder a esta pregunta, la solución ideal es utilizar uno de los analizadores de calidad de la energía eléctrica de la serie PQM. Con él se puede registrar el consumo de energía en un tiempo determinado (preferentemente durante una semana) y determinar el perfil de carga. Esto es muy importante porque la carga máxima puede ser en un momento diferente de lo esperado. Gracias a la amplia gama de accesorios, los analizadores se pueden instalar fácilmente en el cuadro de distribución sin necesidad de desconectar la energía.



    La adición de un cargador de 3,7 kW (tiempo de recarga del coche de 8 a 12 horas) a la instalación existente probablemente no causará muchos problemas relacionados con el rendimiento de alimentación, incluso en un hogar típico. Suponiendo que el coche se carga durante la noche, la potencia debe ser suficiente. En el gráfico en la Fig. 1 puede verse que la potencia consumida por la noche es insignificante. En este caso, incluso se puede hablar del aspecto positivo del sistema de energía, es decir, consumir la energía durante su sobreproducción.


    Fig. 1. Gráfico del consumo de energía en un hogar típico

    Sin embargo, la adición de varios puntos de recarga, puede tener un impacto negativo en la estabilidad de la red. La adición del cargador de 150 kW (tiempo de recarga de unos 40 minutos) sólo es posible cuando se proporciona una gran reserva de energía. En las empresas que están planeando instalar varios puntos, probablemente una mejor opción es montar varios cargadores de 11 kW que un cargador de 72 kW. Esto permitirá entre 1 a 2 horas recargar varios vehículos en vez de uno en 30 minutos. En la Fig. 2 se puede ver que en una empresa, el consumo máximo es entre las 19:00-20:00 horas. Por lo tanto, durante un día no debería ser un problema recargar varios coches, si la potencia total no excede 30…40 kW.


    Fig. 2. Gráfico de la potencia trifásica para una fábrica

    Por lo tanto, antes de instalar el punto de recarga es importante realizar un análisis exhaustivo de la carga para la red existente. De lo contrario, luego puede resultar que los cargadores instalados no serán capaces de trabajar en el momento en que sean más necesarios. Por otra parte, se puede exceder el consumo máximo de la energía contratada con el proveedor. Esto puede llevar a sanciones económicas.


    Interrupciones potenciales de la red


    Los parámetros de calidad de la red de alimentación se especifican en la norma EN 50160 [2]. Además, los fabricantes de estaciones de recarga deben cumplir con los requisitos de la norma IEC 61000 [3] con respecto a la emisión de armónicos más altos a la red y reducir las fluctuaciones de tensión y flicker. Teóricamente, los cargadores deben estar diseñados de tal forma que no interfiera significativamente la red. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los coches eléctricos son alimentados por la corriente continua de las baterías incorporadas. Por lo tanto también son cargados con la corriente continua, ya sea desde la misma estación de recarga o la rectificación tiene lugar en el vehículo. En ambos casos, hay elementos de la electrónica cuyo carácter no lineal causará más o menos interferencias.


    Sin embargo, hay que recordar que puede haber dispositivos de carga, que por alguna razón no cumplen con los requisitos y generan grandes interferencias en la red.



    En este caso también pueden ayudar los analizadores de calidad de la energía eléctrica Sonel. En particular, el modelo PQM-707 con la pantalla táctil. Gracias a su autonomía no necesita un ordenador externo, todo se puede hacer en el aparato al estar conectado a la estación de recarga. De forma rápida y fácil se puede verificar el impacto del cargador (o cargadores) a la red de suministro de energía a través de la medición de:


        • los armónicos de tensión y corriente (con los coeficientes THD): los rectificadores suelen generar armónicos a través del consumo de la electricidad distorsionada, que se puede ver en la forma de onda de corriente en la figura 3. Si los armónicos en el sistema de alimentación exceden los límites establecidos en la normativa, puede ser necesario desconectar el cargador problemático, lo que sin duda frustrará a los usuarios del automóvil. Vale la pena recordar que la presencia de armónicos de tensión y corriente es una consecuencia natural de los dispositivos electrónicos de uso común, por lo que se debe comprobar su nivel antes de instalar la estación de recarga. En el caso del alto contenido de armónicos en la tensión, puede resultar que al conectar el cargador se excederán los límites. E incluso si no es así, el alto nivel de contenido de armónicos puede causar varios efectos negativos en la red, por ejemplo, la sobrecarga del conductor neutro, peor rendimiento de dispositivos, vibraciones o más difícil arranque del motor.

      Fig. 3. Ejemplo de un gráfico de forma de onda de corriente y tensión del cargador monofásico con la potencia de 2,2 kW

          • la asimetría: en el caso de usar los cargadores trifásicos, este problema no debería existir. Sin embargo, en el caso de usar los cargadores monofásicos de más potencia, esto puede causar la aparición de la asimetría de corrientes y tensiones. Incluso si los cargadores están instalados en diferentes fases, puede ser imposible forzar a que todos sean cargados al mismo tiempo en la misma medida. Esto provocará un cierto grado de asimetría que afecta negativamente a los receptores trifásicos y causa, por ejemplo, mayor consumo de energía y mayor disipación de calor en los bobinados del motor, lo que acorta su vida útil.

          • caídas de tensión: los cargadores de mucha potencia causarán caídas de tensión en la red de suministro, lo que puede llevar a una serie de problemas con el funcionamiento de dispositivos en condiciones de tensión más baja o causar una disminución en su eficiencia. Por otra parte, en casos extremos puede llevar a exceder los niveles permitidos de tensiones definidas por las normas.

          • la potencia reactiva: los cargadores como convertidores en la mayoría de los casos generan la potencia reactiva de carácter capacitivo. Debido a que el exceso de potencia reactiva no es deseable, y exceder los valores contractuales puede causar un aumento de las tasas, se debe controlar su nivel.

          • la potencia activa: suponiendo que se realizaron las mediciones de la demanda de potencia de pico antes de instalar la estación de recarga, vale la pena volver a examinarla después de realizar la instalación. Con el tiempo, se pueden conectar otros receptores a la red, lo que puede causar problemas de rendimiento del suministro de energía, como se ha mencionado anteriormente.

        Conclusiones

        La electromovilidad puede revolucionar el transporte por carretera. Los cargadores son mejorados constantemente, para que sus parámetros eléctricos sean mejores. Sin embargo, se debe tener en cuenta que el crecimiento incontrolado de la red de puntos de recarga para coches eléctricos puede interferir e incluso desestabilizar la red de energía. Por este motivo es tan importante una buena planificación de la inversión y el seguimiento de los parámetros de calidad para que los cargadores no interfieran el trabajo de otros dispositivos eléctricos. Entre otras cosas, para este tipo de tareas se han creado analizadores de calidad de la energía eléctrica de la serie PQM, que por supuesto pueden ayudar a sus usuarios a resolver muchos otros problemas en la red eléctrica.


        Bibliografía

        [1] IEC 61851-1 Electric vehicle conductive charging system – Part 1: General requirements
        [2] EN 50160 Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks
        [3] IEC 61000-3-2 Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-2 – Limits – Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16 A per phase), IEC 61000-3-3 Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-3 – Limits – Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current ≤ 16 A per phase and not subject to conditional connection, IEC 61000-3-11 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-11: Limits – Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems – Equipment with rated current ≤ 75 A and subject to conditional connection, IEC 61000-3-12 Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-12: Limits – Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current > 16 A and ≤ 75 A per phase

         
         
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