Estándares de carga de vehículos eléctricos

[summary]Los estándares de carga de vehículos eléctricos hacen referencia a los protocolos y especificaciones establecidos que rigen la comunicación y la transferencia de energía entre las estaciones de carga y los vehículos eléctricos, lo que garantiza la interoperabilidad entre las redes de carga y los distintos fabricantes de vehículos.[\summary]

En 2011, la Asociación de Constructores Europeos de Automóviles (ACEA) estableció las siguientes definiciones:

• Zócalo: Se refiere al puerto del equipo de suministro para vehículos eléctricos (EVSE) responsable de suministrar la energía de carga al vehículo.
• Enchufe: Denota el extremo del cable flexible que se conecta con el zócalo del EVSE. En Norteamérica, el zócalo y el enchufe no se utilizan debido a que el cable está conectado de forma permanente.
• Cable: Describe un conjunto flexible de conductores que une el EVSE con el vehículo eléctrico.
• Conector: Representa el extremo del cable flexible que se conecta con la entrada del vehículo.
• Entrada del vehículo: Se refiere al puerto del vehículo eléctrico diseñado para recibir energía de carga.

Los términos conector de vehículo eléctrico y entrada de vehículo eléctrico se definieron anteriormente de forma similar en el Artículo 625 del Código Eléctrico Nacional (NEC) de los Estados Unidos de 1999. El NEC-1999 también definió el equipo de suministro para vehículos eléctricos como la unidad completa instalada específicamente para suministrar energía desde el cableado de las instalaciones al vehículo eléctrico, incluyendo conductores, conectores de vehículos eléctricos, enchufes de conexión y todos los demás accesorios, dispositivos, tomas de corriente o aparatos.

Tesla, Inc. utiliza el término estación de carga para describir un lugar que alberga un grupo de cargadores, mientras que se refieren a un EVSE individual como conector.

El Consejo de Trabajo de Infraestructura de Transporte Eléctrico Nacional (IWC) fue establecido en 1991 por el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, y estaba compuesto por miembros tanto de fabricantes de automóviles como de empresas eléctricas, con el objetivo de establecer estándares en los Estados Unidos. Los primeros esfuerzos del IWC condujeron al desarrollo de tres niveles de carga, tal como se describe en el Manual del Código Eléctrico Nacional (NEC) de 1999.

De acuerdo con el NEC-1999, el equipo de carga de Nivel 1 (según se define en el manual del NEC, aunque no explícitamente en el código) se conectaba a la red mediante una toma de corriente eléctrica estándar NEMA 5-20R de 3 clavijas con conexión a tierra. Además, exigía la inclusión de un dispositivo de corriente residual a menos de 12 pulgadas (300 mm) del enchufe. El circuito de suministro debía tener una protección al 125 % de la corriente nominal máxima. Por ejemplo, el equipo de carga clasificado para 16 amperios de corriente continua requería un disyuntor de 20 A.

El equipo de carga de Nivel 2 (como se especifica en el manual) estaba cableado permanentemente y colocado de forma segura en una ubicación fija según el NEC-1999. También exigía conexión a tierra y protección contra fallos a tierra, además de un mecanismo de bloqueo para evitar el arranque del vehículo durante la carga y un sistema de seguridad de desconexión para el cable y el conector. Un disyuntor de 40 A (equivalente al 125 % de la corriente de suministro máxima continua) era obligatorio para proteger el circuito derivado. Para mayor comodidad y una carga más rápida, muchos de los primeros vehículos eléctricos (EV) favorecieron la instalación de equipos de carga de Nivel 2, que podían conectarse al vehículo a través de una paleta inductiva (Magne Charge) o un conector conductivo (Avcon).

El equipo de carga de Nivel 3 empleaba un rectificador externo al vehículo para convertir la energía de CA de entrada a CC, que posteriormente se suministraba al vehículo. En el momento de su redacción, el manual del NEC-1999 preveía que el equipo de carga de Nivel 3 obligaría a las empresas eléctricas a actualizar sus sistemas de distribución y transformadores.

La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE International) define los requisitos generales físicos, eléctricos, de comunicación y de rendimiento para los sistemas de carga de vehículos eléctricos (EV) utilizados en Norteamérica como parte del estándar SAE J1772, desarrollado inicialmente en 2001. El SAE J1772 delimita cuatro niveles de carga, con dos niveles para suministros de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC) respectivamente. Estas distinciones se basan en el tipo de distribución de energía, los estándares y la potencia máxima.

Las estaciones de carga de CA conectan directamente los circuitos de carga integrados del vehículo al suministro de CA.

• CA Nivel 1: Este nivel se conecta directamente a una toma estándar norteamericana de 120 V y es capaz de suministrar de 6 a 16 A (0.7–1.92 kW), dependiendo de la capacidad de un circuito dedicado.
• CA Nivel 2: Utiliza energía de 240 V (monofásica) o 208 V (trifásica) para suministrar entre 6 y 80 A (1.4–19.2 kW), proporcionando un aumento significativo en la velocidad de carga en comparación con la carga de CA de Nivel 1.

Aunque a menudo se le llama incorrectamente carga de "Nivel 3" basándose en la antigua definición del NEC-1999, la carga de CC se clasifica por separado en el estándar SAE. En la carga rápida de CC, la energía de CA de la red se convierte en CC a través de un convertidor de CA a CC en la estación antes de llegar a la batería del vehículo, evitando cualquier convertidor de CA a CC a bordo del vehículo.

• CC Nivel 1: Este nivel suministra un máximo de 80 kW a 50–1000 V.
• CC Nivel 2: Suministra un máximo de 400 kW a 50–1000 V.

Otros estándares publicados por SAE para la carga incluyen el SAE J3068, que se refiere a la carga de CA trifásica utilizando el conector Tipo 2 definido en IEC 62196-2, y el SAE J3105, que aborda la conexión automatizada de dispositivos de carga de CC.

En 2003, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) incorporó una parte significativa del estándar SAE J1772 en la norma IEC 62196-1.

La norma IEC 62196-1 fue posteriormente revisada y ampliada a la IEC 62196, convirtiéndose en un estándar internacional que abarca una variedad de tipos de enchufes y modos de carga para vehículos eléctricos. Este estándar es reconocido como la norma DIN EN 62196 en Alemania, ÖVE/ÖNORM EN 62196 en Austria y SN EN 62196 en Suiza. Consta de varios componentes que se han adoptado gradualmente. La tercera parte se publicó en junio de 2014, y la norma IEC TS 62196-4, que cubre los conectores para vehículos eléctricos ligeros, se publicó en octubre de 2022. La parte 1 ha alcanzado su cuarta edición en 2022.

El estándar sigue la definición de la norma IEC 61851 para una clavija de señal responsable de conmutar la corriente de carga. Cabe destacar que la estación de carga permanece sin voltaje hasta que se conecta un vehículo eléctrico, lo que garantiza que el vehículo no pueda ser operado durante el proceso de carga.

Las definiciones para la clavija de señal y los enchufes de carga IEC-62196-1 de la Parte 1 se han integrado en diversos reglamentos técnicos. Además de los conectores trifásicos IEC 60309 "CEEform", los modos de carga también se han adoptado para el conector SAE J1772 en Norteamérica (desarrollado por Yazaki), el conector CHAdeMO en Japón y el conector Mennekes (VDE-AR-E 2623-2-2) en Europa. Cada uno de estos conectores sirve como base para una red de estaciones de carga públicas proporcionadas por los proveedores de energía.

La IEC categoriza la carga en modos (IEC 61851-1) de la siguiente manera:

• Modo 1: Implica una carga lenta desde una toma de corriente eléctrica estándar, ya sea de CA monofásica o trifásica.
• Modo 2: Carga lenta desde una toma de CA regular, pero con arreglos de protección específicos para vehículos eléctricos, como los sistemas Park & Charge o PARVE.
• Modo 3: Abarca la carga lenta y rápida de CA, utilizando un zócalo especial multipin para vehículos eléctricos equipado con funciones de control y protección, como SAE J1772 e IEC 62196-2.
• Modo 4: Carga rápida de CC mediante una interfaz de carga dedicada, como la IEC 62196-3, por ejemplo CHAdeMO.

La conexión entre la red eléctrica y el "cargador" (equipo de suministro para vehículos eléctricos) se describe en tres escenarios (IEC 61851-1):

• Caso A: Se refiere a cualquier cargador conectado a la red eléctrica, generalmente con el cable de suministro de red conectado al propio cargador, asociado principalmente a los modos 1 o 2.
• Caso B: Describe un cargador de vehículo a bordo con un cable de suministro de red que puede desconectarse tanto del suministro como del vehículo, correspondiendo típicamente al modo 3.
• Caso C: Pertenece a estaciones de carga dedicadas de CC, donde el cable de suministro de red puede estar conectado permanentemente a la estación de carga, similar al modo 4.

El Estándar de Carga Norteamericano (NACS), también conocido como el estándar de carga de Tesla, es un sistema de conectores de carga para vehículos eléctricos (EV) desarrollado por Tesla, Inc. Se ha utilizado en todos los vehículos Tesla del mercado norteamericano desde 2012. En noviembre de 2022, Tesla lo abrió para su uso por parte de otros fabricantes.

El sistema de conectores NACS, actualmente en proceso de estandarización como SAE J3400, está diseñado para facilitar tanto la carga de CA como la de CC. La versión actual del conector NACS utilizada con los Supercargadores Tesla puede suministrar hasta 250 kW de potencia. Cuando se utiliza energía de CA, el sistema NACS puede suministrar hasta 80 amperios a 277 voltios. En la configuración más común, proporciona hasta 48 amperios de corriente a 240 voltios, equivalente a 11.5 kW, lo cual es típico para uso residencial en Norteamérica.

Los conectores comunes incluyen el Tipo 1 (Yazaki), Tipo 2 (Mennekes), Tipo 3 (Scame), CCS Combo 1 y 2, CHAdeMO y Tesla. Muchos tipos de enchufes estándar están definidos en IEC 62196-2 (para energía suministrada por CA) y 62196-3 (para energía suministrada por CC):

• Tipo 1: Acoplador de vehículo de CA monofásica – Cumple con las especificaciones de enchufes automotrices SAE J1772/2009.
• Tipo 2: Acoplador de vehículo de CA monofásica y trifásica – Cumple con las especificaciones de enchufes VDE-AR-E 2623-2-2, SAE J3068 y GB/T 20234.2.
• Tipo 3: Acoplador de vehículo de CA monofásica y trifásica equipado con obturadores de seguridad – Propuesto por la EV Plug Alliance.
• Tipo 4: Acopladores de carga rápida de CC
  • Configuración AA: CHAdeMO
  • Configuración BB: GB/T 20234.3
  • Configuraciones CC/DD: (reservado)
  • Configuración EE: CCS Combo 1
  • Configuración FF: CCS Combo 2

Diseños de conectores enumerados en IEC 62196-2 y -3
Suministro de energía	Estados Unidos	Unión Europea	Japón	China
CA monofásica	Tipo 1 (SAE J1772)	Tipo 2 (DE, UK) Tipo 3 (IT, FR; ahora obsoleto)	Tipo 1 (SAE J1772)	Tipo 2 (GB/T 20234.2)
CA trifásica	Tipo 2 (SAE J3068)		-
CC	EE (CCS Combo 1)	FF (CCS Combo 2)	AA (CHAdeMO)	BB (GB/T 20234.3)
			ChaoJi (planeado)

A finales de los años 90 y principios de los 2000, se introdujeron en los Estados Unidos varios vehículos eléctricos (EV), incluidos el GM EV1, el Ford Ranger EV y el Chevrolet S-10 EV. Estos vehículos favorecían el uso de equipo de suministro para vehículos eléctricos (EVSE) de Nivel 2 (CA monofásica), tal como se define en el NEC-1999, para mantener una velocidad de carga aceptable. Los EVSE estaban equipados con un conector inductivo (Magne Charge) o un conector conductivo (típicamente AVCON). GM, Nissan y Toyota apoyaron el sistema inductivo, mientras que DaimlerChrysler, Ford y Honda respaldaron el sistema conductivo.

Las paletas Magne Charge venían en dos tamaños: una paleta más antigua y grande (utilizada para el EV1 y el S-10 EV) y una paleta más nueva y pequeña (utilizada para la primera generación del Toyota RAV4 EV, pero compatible con versiones anteriores con vehículos de paleta grande a través de un adaptador). La paleta más grande, introducida en 1994, era necesaria para un puerto de carga de entrada de vehículo refrigerado por líquido, mientras que la paleta más pequeña, introducida en 2000, se conectaba a una entrada refrigerada por aire. La norma SAE J1773, que describe los requisitos técnicos para el acoplamiento de paletas inductivas, se publicó por primera vez en enero de 1995, con una revisión en noviembre de 1999.

El conector AVCON (izquierda) junto a su sucesor, el conector SAE J1772 (derecha).

El 28 de junio de 2001, la influyente Junta de Recursos del Aire de California adoptó el conector conductivo como su estándar, citando menores costos y mayor durabilidad. En consecuencia, la paleta Magne Charge fue descontinuada en marzo siguiente. Existían tres conectores conductivos en ese momento, cada uno llamado así por sus fabricantes: Avcon (también conocido como de tope y clavija, utilizado por Ford, Solectria y Honda), Yazaki (también conocido como de clavija y manguito, en el RAV4 EV) y ODU (utilizado por DaimlerChrysler). El conector de tope y clavija Avcon admitía tanto la carga de Nivel 2 como la de Nivel 3 (CC) y se describió inicialmente en el apéndice de la primera versión (1996) de la práctica recomendada SAE J1772. La versión de 2001 trasladó la descripción del conector al cuerpo de la práctica, estableciéndolo como el estándar de facto para los Estados Unidos. El IWC recomendó el conector de tope Avcon para Norteamérica basándose en pruebas ambientales y de durabilidad. En su implementación, el conector Avcon utilizaba cuatro contactos para el Nivel 2 (L1, L2, Piloto, Tierra) y añadía cinco más (tres para comunicaciones en serie y dos para alimentación de CC) para el Nivel 3 (L1, L2, Piloto, Com1, Com2, Tierra, tierra de datos limpios, CC+, CC−). Sin embargo, para 2009, el J1772 había adoptado el conector redondo de clavija y manguito (Yazaki) como su implementación estándar, dejando obsoleto el conector de tope rectangular Avcon.