Los cuatro modos de carga EV en el estándar IEC 61851

En este artículo, veremos diferentes modos de carga de vehículos eléctricos especificados por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC).

Se están desarrollando estándares internacionales para responder a las necesidades del mercado de vehículos eléctricos. La aceptación global de vehículos eléctricos depende de estándares internacionales bien establecidos que pueden abordar los problemas de seguridad, confiabilidad e interoperabilidad del mercado de vehículos eléctricos.

En este artículo, veremos diferentes modos de carga de vehículos eléctricos especificados por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Estos modos se especifican en la norma IEC 61851 que se ocupa de los sistemas de carga por conducción de vehículos eléctricos. El estándar describe cuatro modos de carga diferentes llamados modo 1, 2, 3 y 4.

La IEC ha desarrollado otros estándares que tratan con otros aspectos de las tecnologías de carga de vehículos eléctricos. Por ejemplo, la IEC 62196 trata sobre enchufes, enchufes, conectores de vehículos y entradas de vehículos, mientras que la IEC 61980 trata sobre sistemas de transferencia de energía inalámbrica (WPT) para vehículos eléctricos.

Diferentes tipos de conexiones de cables

La IEC 61851-1 describe tres tipos diferentes de conexiones como se muestra en la siguiente figura:

Los tres tipos principales de cables de carga para vehículos eléctricos. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Zagreb

Con el caso A, el cable está conectado permanentemente al EV, pero es desmontable en la estación de carga (también llamada EVSE, equipo de suministro de vehículos eléctricos) del lado EVSE. El caso B especifica un cable que es desmontable en ambos extremos y el caso C es un cable que está conectado permanentemente al EVSE.

Modo de carga EV 1

Con este modo, el EV se conecta directamente a una toma de corriente doméstica. La corriente máxima de este modo es de 16 A y su voltaje no debe superar los 250 V con un sistema monofásico y 480 V en el caso de una red trifásica.

La estructura básica de un EV que se conecta a una toma de corriente doméstica. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Zagreb

El modo 1 es el modo de carga más simple posible y no admite ninguna comunicación entre el EV y el punto de carga. Este modo de carga está prohibido o restringido en muchos países.

Modo de carga EV 2

Los enchufes domésticos no siempre proporcionan energía eléctrica de acuerdo con las normas vigentes. Además, es posible que las tomas de corriente y los enchufes diseñados para aplicaciones domésticas no toleren el consumo de corriente continua al valor nominal máximo.

Es por eso que conectar un vehículo eléctrico a la toma de corriente durante mucho tiempo sin funciones de control y seguridad puede aumentar el riesgo de descarga eléctrica. Para resolver este problema, los especialistas desarrollaron el modo de carga 2 que utiliza un tipo especial de cable de carga equipado con un dispositivo de protección y control en el cable (IC-CPD).

El IC-CPD realiza las funciones de control y seguridad necesarias. La corriente máxima de este modo es 32 A y su voltaje máximo no debe exceder los 250 V monofásicos o 480 V trifásicos. El Modo 2 se puede utilizar con enchufes domésticos e industriales.

Las funciones de seguridad de este modo pueden detectar y monitorear la conexión a tierra de protección. La protección contra sobrecorriente y sobrecalentamiento son otras dos funciones de seguridad que admite el modo 2. Además, el EVSE puede realizar una conmutación funcional ya que detecta la conexión con el EV y analiza su demanda de energía de carga.

El modo de carga 2 y el cable asociado se muestran en la siguiente figura.

Modo de carga 2 y cable asociado. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de la Universidad de Zagreb y Ali Bahrami

Si bien el modo 2 se puede utilizar para carga privada, su uso público está sujeto a restricciones en muchos países.

Modo de carga de vehículos eléctricos 3

Este modo utiliza un EVSE dedicado junto con el cargador a bordo de EV. La corriente alterna de la estación de carga se aplica a los circuitos integrados para cargar la batería. Se emplean varias funciones de control y protección para garantizar la seguridad pública. Estos incluyen la verificación de la conexión a tierra de protección y la conexión entre el EVSE y el EV.

Además, este modo puede ajustar la corriente de carga a la capacidad de corriente máxima del conjunto de cables. La corriente máxima de este modo de carga es 250 A con una red monofásica de 250 V o trifásica de 480 V. También admite un modo operativo compatible con el modo 2, donde la corriente máxima está limitada a menos de 32 A tanto para casos monofásicos como trifásicos.

Cualquiera de las tres conexiones posibles (Caso A, Caso B y Caso C) se puede utilizar en este modo. Los casos B y C se muestran a continuación.

Caso B y Caso C en modo de carga 3. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Zagreb

Veamos cómo este modo define las comunicaciones entre la estación de carga y el EV. El circuito piloto de control del modo 3 se muestra en la siguiente figura.

Circuito piloto de control del modo 3. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de Energies.

Dependiendo del estado de los interruptores S1, S2 y S3, aparecerán diferentes niveles de voltaje en el "contacto piloto". Esto se puede utilizar como representación de diferentes etapas de carga. El EV puede comenzar un ciclo de carga de la siguiente manera:

Antes de enchufar el cable de carga, los interruptores S2 y S3 están apagados y S1 está conectado a la fuente de 12 V CC. En este caso, el voltaje que mide el EVSE en el contacto piloto es de 12 V CC (el EVSE se da cuenta de que el EV aún no está conectado).

Después de que el cable de carga esté conectado tanto al EV como al EVSE, el controlador en el lado del EV puede encender S3 para reducir el voltaje del contacto piloto a aproximadamente 9 V. Esto informa al EVSE que el cable está conectado tanto al EV y el EVSE. Además, la señal DC 9 V en el contacto piloto le dice al EV que el EVSE aún no está listo.

Cuando el EVSE está listo para cargar el EV, conecta S1 al oscilador. La señal PWM en el contacto piloto le dice al EV que el EVSE está listo.

Luego, el EV enciende S2 para crear un voltaje de aproximadamente 6 V en el contacto piloto para indicar que también está listo. El voltaje que se crea en esta etapa depende del valor de la resistencia R3. El valor de esta resistencia especifica si se requiere ventilación en esta área de carga o no. Con R3 =1,3 kΩ, el voltaje de contacto del piloto es de aproximadamente 6 V. Esto corresponde a áreas de carga donde no se requiere ventilación. Para áreas que necesitan ventilación, se utiliza R3 =270 Ω, lo que da un voltaje de contacto piloto de aproximadamente 3 V.

Cuando el vehículo está cargado o quiere abortar el ciclo de carga por cualquier motivo, puede apagar S2. Esto cambia el nivel de voltaje positivo del PWM a 9 V e informa al EVSE que el EV ya no está listo para cargarse.

Modo de carga EV 4

Este es el único modo de carga que incorpora un cargador externo con salida de CC. La corriente CC se envía directamente a la batería y se deriva el cargador de a bordo. Este modo puede proporcionar 600 V CC con una corriente máxima de 400 A. El alto nivel de potencia involucrado en este modo exige un mayor nivel de comunicación y características de seguridad más estrictas.

El modo 4 solo permite una conexión de caso C, donde el cable de carga está conectado permanentemente a la estación de carga.

Modo cuatro en una conexión de clase C. Imagen utilizada por cortesía de Ali Bahrami

Conclusión

La norma IEC 61851 se ocupa de los sistemas de carga por conducción de vehículos eléctricos. El estándar describe cuatro modos de carga diferentes:modos 1 a 4.

Los primeros tres modos entregan corriente CA al cargador de a bordo de EV; sin embargo, el modo 4 entrega corriente CC directamente a la batería y evita el cargador de a bordo. El modo 3 emplea varias funciones de control y protección con el objetivo de la seguridad pública. Examinamos el circuito piloto de control de este modo con mayor detalle en este artículo.