Sistema de carga combinado
Norma de carga de vehículos eléctricos
Un conector de carga de CC CCS1 (estándar de carga combinada 1), que se utiliza en América del Norte. Es una extensión del conector de carga de CA estándar J1772 .
Entrada del vehículo CCS Combo 1 que muestra el J1772 y los dos pines de carga rápida de CC
Conectores: Combo 2 (izquierda), comparado con IEC Tipo 2 (derecha). Se agregan dos pines grandes de corriente continua (CC) debajo y se eliminan los cuatro pines de corriente alterna (CA) para neutro y trifásico.
Entrada del vehículo del sistema de carga combinado típico (Combo 2)

El sistema de carga combinado ( CCS ) es un estándar para cargar vehículos eléctricos . Puede utilizar conectores Combo 1 ( CCS1 ) o Combo 2 ( CCS2 ) para proporcionar energía de hasta 500 kilovatios (kW) (máximo 1000 V y 500 A). [1] Estos dos conectores son extensiones de los conectores IEC 62196 Tipo 1 y Tipo 2 , con dos contactos de corriente continua (CC) adicionales para permitir una carga rápida de CC de alta potencia. En respuesta a la demanda de una carga más rápida, las redes de carga han implementado cargadores CCS de 400 kW y se han demostrado cargadores CCS de 700 kW.

El sistema de carga combinado permite la carga de corriente alterna mediante el conector tipo 1 y tipo 2, según la región geográfica. Este entorno de carga abarca los acopladores de carga, la comunicación de carga, las estaciones de carga, el vehículo eléctrico y varias funciones para el proceso de carga, como el equilibrio de carga y la autorización de carga.

Los vehículos eléctricos o los equipos de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) son compatibles con CCS si admiten la carga de CA o CC de acuerdo con los estándares enumerados por CCS. Los fabricantes de automóviles que admiten CCS incluyen BMW , Daimler, FCA , Jaguar, Groupe PSA , Honda , Hyundai , Kia , Mazda , MG , Nissan , Polestar , Renault , Rivian , Tesla , Mahindra , Tata Motors y Volkswagen Group , [2] [3] así como Ford y General Motors hasta el año modelo 2024 para sus vehículos eléctricos norteamericanos. [4]

Los sistemas de carga competitivos para la carga de CC de alta potencia incluyen CHAdeMO (ampliamente utilizado en Japón, anteriormente utilizado en América del Norte y Europa) [5] GB/T (China), [6] y el sistema de carga de América del Norte desarrollado por Tesla. [7]

Historia

El resurgimiento del interés por los coches eléctricos impulsó la implantación de estaciones de carga . En un principio, estas accedían a la abundante red eléctrica de CA mediante una variedad de enchufes en todo el mundo. La estandarización en la norma IEC 62196 para conectores de carga de mayor corriente dio lugar a varios sistemas: el tipo 1 se utilizó principalmente en América del Norte y Japón, y las variantes del tipo 2 en otros lugares. Para la carga de CC, la SAE y la Asociación Europea de Fabricantes de Automóviles (ACEA) elaboraron un plan para añadir cables de CC comunes a los tipos de conectores de CA existentes, de modo que hubiera un único "envoltorio global" que se adaptara a todas las estaciones de carga de CC. [8]

Conector combinado para carga de CC (utilizando solo los pines de señal del tipo 2) y la entrada combinada en el vehículo (que también permite la carga de CA)
Carga de vehículos eléctricos con CCS

La propuesta de un "Sistema de Carga Combinada" (CCS) fue publicada en el 15º Congreso Internacional VDI (Asociación de Ingenieros Alemanes) el 12 de octubre de 2011 en Baden-Baden . CCS define un patrón de conector único en el lado del vehículo que ofrece suficiente espacio para un conector Tipo 1 o Tipo 2, junto con espacio para un conector de CC de dos pines que permite la carga a hasta 200  amperios. Siete fabricantes de automóviles (Audi, BMW, Daimler, Ford, General Motors, Porsche y Volkswagen) acordaron a fines de 2011 introducir CCS a mediados de 2012. [9] [10] En mayo de 2012, ACEA aprobó la estandarización del conector Combo 2 en toda la Unión Europea . [11] A ACEA se unieron más tarde ese mes la Asociación Europea de Proveedores de Automoción (CLEPA) y la Unión de la Industria Eléctrica (EURELECTRIC). [12] También ese mes, se mostraron implementaciones de prototipos de hasta 100 kW en EVS26 en Los Ángeles . [13] Las especificaciones de carga de CC en el borrador IEC 62196-3 dan un rango de hasta 125 A a hasta 850 V. [14]

Los siete fabricantes de automóviles también acordaron utilizar HomePlug GreenPHY como protocolo de comunicación. [15] El prototipo para el enchufe correspondiente fue desarrollado por Phoenix Contact con el objetivo de soportar 10.000 ciclos de conexión. [16] La propuesta de estandarización se envió a la IEC en enero de 2011. [17] La ​​solicitud para utilizar un protocolo PLC para la comunicación Vehicle2Grid se realizó en septiembre de 2009 en una presentación conjunta de BMW, Daimler y VW en un Simposio de Tecnología ZEV de la Junta de Recursos del Aire de California . [18] Esto compitió con la propuesta de bus CAN de Japón (incluido CHAdeMO ) y China (GB/T 20234.3, un estándar de conector de CC independiente), y ninguno de sus fabricantes de automóviles se ha adherido a CCS. Sin embargo, China había estado involucrada en las primeras etapas del desarrollo de los pines de CC adicionales. [16]

En junio de 2013, Volkswagen construyó en Wolfsburg la primera estación de carga rápida CCS pública que proporcionaba 50 kW de CC para probar el VW E-Up que se entregaría con un conector de carga rápida CC para CCS. [19] Dos semanas después, BMW abrió su primera estación de carga rápida CCS para dar soporte al BMW i3 . [20] Desde al menos la segunda Cumbre Mundial de Vehículos Eléctricos en junio de 2013, la asociación CHAdeMO, Volkswagen y Nissan abogan por cargadores CC multiestándar, ya que el coste adicional de una estación de doble protocolo es solo del 5 %. [21]

Desde 2014, la Unión Europea exige la provisión de Tipo 2 o Combo 2 dentro de la red europea de recarga de vehículos eléctricos .

En Alemania, la Charging Interface Initiative e. V. ( CharIN ) fue fundada por fabricantes de automóviles y proveedores (Audi, BMW, Daimler, Mennekes, Opel, Phoenix Contact, Porsche, TÜV SÜD y Volkswagen) para promover la adopción de CCS. Señalaron en un comunicado de prensa que la mayoría de los automóviles no pueden cargarse más rápido que 50 kW, por lo que esa fue la primera potencia de salida común de las estaciones CCS que se construyeron durante 2015. El siguiente paso fue la estandarización de estaciones con una potencia de salida de 150 kW que mostraron en octubre de 2015, con miras a un sistema futuro con una potencia de salida de 350 kW. [22] Volvo se unió a CharIN en 2016; [23] Tesla en marzo de 2016; [24] Lucid Motors (anteriormente Atieva) en junio de 2016; [25] Faraday Future en junio de 2016; Toyota en marzo de 2017. [26]

En Estados Unidos, BMW y VW afirmaron en abril de 2016 que los corredores de la Costa Este y la Costa Oeste tenían redes CCS "completas". [27] Como parte del acuerdo de 2016 por el escándalo de emisiones de Volkswagen , VW se comprometió a gastar 2.000 millones de dólares en Estados Unidos durante los siguientes 10 años en CCS y otra infraestructura de carga a través de la empresa subsidiaria Electrify America . [28] En este esfuerzo, se construirían estaciones de carga de hasta 150 kW en ubicaciones comunitarias y de hasta 350 kW en ubicaciones de carreteras. Además de CCS, se construirían estaciones de carga CHAdeMO. [29]

En noviembre de 2016, Ford, Mercedes, Audi, Porsche y BMW anunciaron que construirían una red de carga de 350 kW (hasta 500 A y 920 V) ( IONITY ) con 400 estaciones en Europa, [30] a un coste de 200.000 € (220.000 dólares) cada una. [31] La mayoría de los coches eléctricos tienen un voltaje de la batería inferior a 400 voltios. Con una corriente de carga máxima de 500 A, es posible cargar hasta 220 kW.

Los fabricantes de EVSE ofrecen cargadores CCS capaces de ofrecer potencias superiores a 350 kW. El Terra 360 [32] de ABB admite una carga de hasta 360 kW.

Los cargadores CCS capaces de cargar 400 kW incluyen:

  • El Axon Easy 400 [33] de Ekoenergetyka
  • El HYC400 [34] [35] de Alpitronic
  • El Troniq High Power [36] de EVBox
  • El Raption 400 HPC [37] de Circontrol
  • El DP de 400 kW + el PC de 600 kW [38] de SK Signet
  • El satélite refrigerado por líquido [39] [40] de Kempower

En octubre de 2019, Repsol instaló cargadores CCS de 400 kW cerca de la autopista A-8 en Abanto-Zierbena , Vizcaya , España . [41]

En mayo de 2022, EUROLOOP anunció que el cargador de 720 kW WILLBERT Amber II S-HUB se implementará en 2023 en toda Bélgica. [42]

En diciembre de 2022, Fastned implementó cargadores EVBox Troniq High Power de 400 kW en De Watering, Países Bajos , a lo largo de la A8 cerca de Oostzaan como parte de su red de carga. [43]

En abril de 2023, Nxu demostró un cargador CCS de 700 kW respaldado por batería [44] en Mesa, Arizona .

En mayo de 2023, Shell abrió una nueva estación [45] con cargadores Kempower de 400 kW en Lonelier, en las afueras de Kristiansand , Noruega .

En junio de 2023, XC Power abrió una nueva estación de recarga con tecnología QiOn en Supercool Mobility Centers, un grupo de cargadores con potencia principal de hasta 990 kW con CCS1 sin refrigeración (hasta 240 kW), y una estación de carga con sistema de refrigeración líquida, hasta 990 kW en la ciudad de Puebla , México . [46]

En la primera mitad de 2023, tanto Ford como General Motors anunciaron que harían la transición de sus líneas de vehículos eléctricos de Norteamérica del CCS1 al conector de carga NACS a partir del modelo del año 2025. [4] Estos cambios de la empresa hacia un estándar de carga competidor provocaron una respuesta de la asociación Charging Interface Initiative (CharIN), que promueve el estándar CCS. Señalaron en junio de 2023 que "NACS no es un estándar publicado o reconocido por ningún organismo de normalización. Para que cualquier tecnología se convierta en un estándar, debe pasar por el debido proceso en una organización de desarrollo de estándares , como ISO, IEC y/o SAE". [47]

Diseño técnico

Terminología para componentes de carga [8]

Versiones de las especificaciones

El sistema de carga combinado está pensado para evolucionar según las necesidades del cliente. La versión 1.0 cubría las características comunes actuales de carga de CA y CC, y la versión 2.0 abordaba el futuro cercano y mediano. Las especificaciones y estándares subyacentes para CCS 1.0 y CCS 2.0 se describen para carga de CC en la Tabla 1 [ cita requerida ] y para carga de CA en la Tabla 2. [48]

Los fabricantes de automóviles que apoyan CCS se comprometieron a migrar a CCS 2.0 en 2018. [ cita requerida ] Por lo tanto, se recomienda que los fabricantes de estaciones de carga también apoyen CCS 2.0 a partir de 2018.

Las especificaciones de CCS 3.0 aún no estaban definidas con precisión [¿ a fecha? ] . Se conservarán todas las características de las versiones anteriores para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores. Entre las posibles características adicionales se incluyen: [ cita requerida ]

  • Transferencia de potencia inversa
  • Carga inductiva
  • Comunicación de carga inalámbrica
  • Carga de autobuses con colector de corriente "pantógrafo"

Comunicación de carga

A diferencia del conector y la entrada, que dependen de la ubicación geográfica, la comunicación de carga es la misma en todo el mundo. En general, se pueden diferenciar dos tipos de comunicación.

  • La señalización básica (BS) se realiza mediante una señal de modulación por ancho de pulso (PWM) que se transfiere a través del contacto del piloto de control (CP) de acuerdo con IEC 61851-1 . Esta comunicación se utiliza para funciones relacionadas con la seguridad, indicando, por ejemplo, si el conector está enchufado, antes de que los contactos se activen (o se energicen) y si tanto la estación de carga como el vehículo eléctrico están listos para la carga. La carga de CA es posible utilizando solo la señal PWM. En este caso, la estación de carga utiliza el ciclo de trabajo de la PWM para informar al cargador integrado de la corriente máxima disponible en la estación de carga (un ancho de pulso del 5 % indica que se debe utilizar HLC).
  • La comunicación de alto nivel (HLC) se realiza modulando una señal de alta frecuencia a través del contacto CP (también conocido como comunicación por línea eléctrica o PLC) para transferir información más compleja, que puede utilizarse, por ejemplo, para la carga de CC o para otros servicios como "enchufar y cargar" o equilibrar la carga . La comunicación de alto nivel se basa en la norma DIN SPEC 70121 y la serie ISO/IEC 15118 .

Equilibrio de carga

CCS diferencia entre dos métodos de equilibrio de carga. [ cita requerida ]

  • El equilibrio de carga reactivo permite cambiar el flujo de energía del equipo de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) al EV instantáneamente hasta un límite específico.
  • El equilibrio de carga programado permite equilibrar la carga reactiva y, además, planificar el flujo de energía desde el EVSE al EV con, por ejemplo, diferentes límites de potencia e indicadores de costes a lo largo del tiempo. Por ejemplo, se puede utilizar para optimizar la distribución de energía en una red inteligente.

Modos de autorización de cobro

Para la autorización de cobro generalmente se prevén dos enfoques. [ ¿por quién? ]

  • Con el sistema "plug and charge", el usuario enchufa su vehículo y se inicia un proceso de autenticación y autorización automatizado sin ninguna interacción adicional por parte del usuario. El pago se realiza automáticamente.
  • Con el “pago externo”, el usuario debe identificarse con una tarjeta RFID en el terminal, o bien realizar un pago con una tarjeta de pago, antes de poder proceder al cobro.

Acoplador de vehículo

Conectores combinados CCS
Se muestra aproximadamente a escala.

El acoplador del vehículo está compuesto por el conector del vehículo, que se monta en el extremo de un cable flexible, y la entrada del vehículo, la contraparte del conector, que se encuentra dentro del vehículo. Los acopladores CCS se basaron en el acoplador Tipo 1, el estándar norteamericano, y el acoplador Tipo 2, el estándar europeo, como se describe en IEC 62196-2. Uno de los desafíos del Sistema de Carga Combinada fue desarrollar una entrada del vehículo que fuera compatible tanto con los conectores de CA del vehículo existentes como con contactos de CC adicionales. Tanto para el Tipo 1 como para el Tipo 2, esto se ha logrado ampliando la entrada con dos contactos de CC adicionales debajo de los contactos de CA y comunicación existentes. Las nuevas configuraciones resultantes se conocen comúnmente como Combo 1 y Combo 2.

En el caso del conector de CC para vehículos, la implementación varía ligeramente entre Combo 1 y Combo 2. En el caso de Combo 1, el conector se extiende con dos contactos de CC, mientras que la parte Tipo 1 del conector permanece igual y los contactos de CA (L1 y N) no se utilizan. En el caso de Combo 2, los contactos de CA (L1, L2, L3 y N) se eliminan por completo del conector y, por lo tanto, la parte Tipo 2 del conector solo tiene tres contactos restantes: dos contactos de comunicación y una toma de tierra de protección. La entrada del vehículo puede conservar los contactos de CA para permitir la carga de CA sin CCS.

En ambos casos, las funciones de comunicación y de puesta a tierra de protección están cubiertas por la parte original de tipo 1 o 2 del conector. Los conectores de tipo 1 y tipo 2 se describen en la norma IEC 62196-2, mientras que los conectores Combo 1 y Combo 2 se describen en la norma IEC 62196-3 como configuraciones EE y FF. [ cita requerida ]

Tabla de acoplamiento para acopladores tipo 1 y combo 1
 Conector de cable
Tipo 1Combinación 1
Entrada del vehículoTipo 1Carga de CA,
monofásica		No se aparea
Combinación 1Carga de CC
Tabla de acoplamiento para acopladores tipo 2 y combo 2
 Conector de cable
Tipo 2Combinación 2
Entrada del vehículoTipo 2Carga de CA,
monofásica o trifásica		No se aparea
Combinación 2Carga de CC

Carga de alta potencia

Como los acopladores de vehículos para carga de CC según IEC 62196-3:2014 Ed.1 solo permiten la carga de CC con corrientes de hasta 200 A, no cubren suficientemente las necesidades de la futura infraestructura de carga. En consecuencia, una edición posterior de la norma admite corrientes de hasta 500 A. Sin embargo, estas corrientes elevadas requieren secciones transversales de cable grandes, lo que da lugar a cables pesados ​​y rígidos, o requieren refrigeración si se desean cables más delgados. Además, la resistencia de contacto conduce a una mayor disipación de calor. Para hacer frente a estos problemas técnicos, la norma IEC TS 62196-3-1 describe los requisitos para acopladores de CC de alta potencia, incluida la detección térmica, la refrigeración y el plateado de los contactos. [49] CharIN está investigando versiones de más de 2 MW para camiones eléctricos, y se están probando los equipos. [50] [51]

Competencia por la aceptación global

El sistema de carga combinada es impulsado principalmente por fabricantes de automóviles europeos y norteamericanos. Los cargadores de tipo 1 y Combo 1 se encuentran principalmente en América del Norte y Central, Corea y Taiwán, mientras que los de tipo 2 y Combo 2 se pueden encontrar en Europa, América del Sur, Sudáfrica, Arabia, India, Tailandia, Singapur, Taiwán, Hong Kong, Oceanía y Australia. Para la carga de CC, se utiliza el estándar competidor GB/T 20234-2015 en China, mientras que Japón utiliza CHAdeMO .

En la Unión Europea, según la Directiva 2014/94/UE [52], todos los puntos de carga de CC de alta potencia instalados después del 18 de noviembre de 2017 debían estar equipados para fines de interoperabilidad al menos con conectores Combo 2. [ cita requerida ] Sin embargo, esto no prohíbe la provisión de otros puntos de carga utilizando, por ejemplo, CHAdeMO o AC Rapid.

La mayoría [53] de los vehículos eléctricos vendidos en los Estados Unidos son fabricados por Tesla y, por lo tanto, no admiten de forma nativa la carga CCS, sino que utilizaron el conector propietario de Tesla desde principios de la década de 2010 hasta 2022, aunque los automóviles Tesla más nuevos también admiten CCS con un adaptador vendido por separado. [54] En noviembre de 2022, Tesla renombró su conector de carga anteriormente propietario a Estándar de carga de América del Norte (NACS), poniendo las especificaciones a disposición de otros fabricantes de vehículos eléctricos y permitiéndole admitir el mismo estándar de señalización que CCS. [55] [56] [57] [58]

En 2023, Ford Motor Company , General Motors y Rivian anunciaron que utilizarían conectores NACS en lugar de CCS en todos los futuros modelos de vehículos eléctricos de batería de Norteamérica. Los vehículos vendrán inicialmente con un adaptador en 2024, pero los nuevos modelos a partir de 2025 se construirán con puertos NACS nativos. [59] [60] [61]

Posteriormente, otras empresas de vehículos eléctricos firmaron acuerdos para la adopción nativa de NACS, entre ellas Aptera , BMW Group , Fisker , Honda , Hyundai Motor Group , Jaguar , Lucid , Mercedes-Benz , Nissan , Polestar , Subaru , Toyota y Volvo . Muchas de las principales redes de carga y proveedores de equipos de carga también anunciaron su apoyo a NACS, entre ellos EVgo, FLO, ABB E-Mobility y EverCharge. Posteriormente, NACS fue ratificado internacionalmente como estándar SAE J3400.

Esto ha llevado a predecir que el CCS1 pronto quedará obsoleto, ya que es más grande, más pesado y más caro que el NACS. [62] [63] [64] [65] [66]

Como resultado, Hilton Worldwide anunció un acuerdo con Tesla para instalar 20.000 EVSE en 2.000 de sus propiedades en América del Norte para 2025. [67]

En muchos otros países aún no se prefiere ningún estándar, aunque CharIN recomendó el Tipo 2 avanzado y el Combo 2 en 2018. [68]

Referencias

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  • Iniciativa de interfaz de carga (CharIN)
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