Un vehículo eléctrico tiene una batería de tracción que almacena la energía, un motor que mueve las ruedas, una electrónica de potencia que controla el motor, un convertidor que alimenta los equipos de bajo voltaje, un puerto de carga y, en carga de corriente alterna, un cargador a bordo que convierte la corriente alterna en continua. Entender estas partes explica por qué la carga en corriente alterna y en corriente continua son tan distintas para la instalación eléctrica.
Respuesta corta
Un vehículo eléctrico es un pequeño sistema de potencia sobre ruedas. Una batería de tracción almacena la energía y una electrónica de potencia la entrega al motor. Un convertidor DC/DC alimenta los equipos de bajo voltaje y un puerto de carga recibe la energía de la red. Cuando la carga es en corriente alterna, un cargador a bordo convierte esa corriente en continua. Estas partes explican qué debe ofrecer la instalación eléctrica en cada tipo de carga.
Las partes principales
El Departamento de Energía de Estados Unidos, en su Centro de Datos de Combustibles Alternativos, describe los componentes de un vehículo totalmente eléctrico así:
| Parte | Qué hace |
|---|---|
| Batería de tracción | Almacena la electricidad que usa el motor de tracción |
| Cargador a bordo | Convierte la corriente alterna del puerto de carga en continua para cargar la batería; se comunica con el equipo de carga y vigila tensión, corriente, temperatura y estado de carga |
| Controlador de electrónica de potencia | Gobierna el flujo de energía desde la batería y con ello la velocidad del motor y el par que produce |
| Convertidor DC/DC | Convierte la continua de alta tensión de la batería en continua de baja tensión para accesorios y para recargar la batería auxiliar |
| Motor eléctrico de tracción | Usa la energía de la batería para mover las ruedas |
| Sistema térmico | Mantiene dentro de su rango de temperatura el motor, la electrónica de potencia y otros componentes |
| Puerto de carga | Conecta el vehículo a una fuente externa para cargar la batería de tracción |
Ninguna de estas partes funciona sola: el vehículo es un conjunto en el que la batería manda la energía y la electrónica decide cuánto y cuándo.
La batería de tracción
Es el componente más caro y el que más condiciona el vehículo. La mayoría de los vehículos eléctricos e híbridos enchufables usan baterías de ion-litio. El mismo Departamento de Energía señala como ventajas de esta tecnología su alta energía por unidad de masa y de volumen, su buena eficiencia, su vida larga y su baja autodescarga. La química exacta de cada vehículo (por ejemplo, con distintos materiales de cátodo) la declara el fabricante.
La batería no se carga ni se descarga libremente: un sistema de gestión (BMS) mide celdas y limita corrientes y temperaturas. Por eso la potencia que un vehículo acepta en una carga no depende solo del cargador: depende también de la temperatura y del estado de carga de la batería en ese momento. Como punto de comparación con las baterías estacionarias clásicas, vea baterías de plomo-ácido y níquel-cadmio.
Del puerto al motor, paso a paso
- Red o estación de carga. Entrega corriente alterna
- Puerto de carga. Recibe la energía y las señales de control
- Cargador a bordo. Convierte la alterna en continua
- Batería de tracción. Almacena la energía
- Electrónica de potencia. Controla velocidad y par
- Motor de tracción. Mueve las ruedas
La secuencia deja ver la diferencia que importa a quien instala un cargador. En alterna, la estación casi no convierte nada: entrega energía protegida y comunicada, y es el vehículo el que rectifica. En continua, la conversión ocurre fuera del vehículo, en un equipo de potencia mucho mayor que se conecta a la batería. La guía carga AC y DC: diferencias desarrolla esa diferencia.
Lo que ve la instalación eléctrica
Desde el punto de vista de la red, un vehículo cargando es una carga continua de potencia relativamente alta que dura horas. Eso condiciona tres cosas:
- Los conductores y las protecciones se calculan para una carga que puede mantenerse largo tiempo, no para picos cortos.
- La conversión de energía (en el cargador a bordo o en el cargador externo) usa electrónica de potencia, que puede inyectar armónicos a la red. El efecto depende del equipo y de cuántos funcionen a la vez; para entender el concepto vea THD: distorsión armónica total.
- El diálogo entre vehículo y estación es parte de la seguridad: la estación solo energiza el conector cuando el vehículo, mediante señales de control, indica que está conectado y listo.
La batería auxiliar y los servicios del vehículo
Además de la batería de alta tensión, el vehículo conserva una batería auxiliar de bajo voltaje. Alimenta luces, controles y electrónica, y se mantiene cargada desde la de tracción mediante el convertidor DC/DC. En algunos vehículos la batería auxiliar es de plomo-ácido; el Departamento de Energía anota que, en vehículos eléctricos, la batería de plomo-ácido se usa solo para cargas auxiliares.
Frenado regenerativo
Algunos vehículos usan motores-generadores que cumplen las dos funciones: mover el vehículo y, al frenar, devolver energía a la batería. La capacidad de recibir esa energía depende de la temperatura y del estado de carga de la batería, igual que en la carga desde la red. Para quien diseña la instalación de carga este fenómeno no cambia nada, pero explica por qué el consumo real de un vehículo no es proporcional solo a la distancia.
Qué conviene tener claro al planear una estación
- Quién convierte la energía (el vehículo o la estación) define la potencia, el costo y la complejidad del cargador.
- La potencia útil la fija el menor valor entre lo que entrega el cargador, lo que acepta el cargador a bordo en alterna o la batería en continua, y lo que permite el cable y el conector.
- Los vehículos son distintos entre sí: el mismo cargador entrega potencias diferentes a vehículos diferentes. El manual de cada fabricante indica sus límites.
Dos tensiones en el mismo vehículo
Un vehículo eléctrico convive con dos niveles de tensión. La batería de tracción y la electrónica de potencia trabajan en alta tensión de corriente continua; los accesorios, las luces y los controles trabajan en bajo voltaje, alimentados por el convertidor DC/DC y la batería auxiliar. Para quien revisa o prueba un vehículo o un cargador esto importa: la alta tensión del vehículo exige personal calificado y procedimientos propios. En la carga, el puerto transporta la potencia y también las señales de control que permiten al cargador saber si el vehículo está conectado y listo.
Qué pasa cuando el vehículo está cargado
Al llegar a plena carga, el sistema de gestión de la batería pide al cargador que reduzca y termine la entrega. El cargador a bordo en alterna, o el cargador externo en continua, obedecen: no son ellos los que deciden cuándo parar. Por eso es normal que los últimos porcentajes de carga se tomen más lentamente que los primeros.
Para ampliar, vea los modos de carga 1, 2, 3 y 4, los conectores Tipo 1, Tipo 2, CCS y CHAdeMO, las protecciones de una estación de carga, cómo dimensionar una estación de carga, la instalación eléctrica de un cargador residencial, la puesta a tierra y la seguridad en estaciones de carga, el impacto de los vehículos eléctricos en la red y la normativa colombiana de carga de vehículos eléctricos.
Cuando necesite una estación de carga
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Referencias
- U.S. Department of Energy, Alternative Fuels Data Center, How Do All-Electric Cars Work?: https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-all-electric-cars-work
- U.S. Department of Energy, Alternative Fuels Data Center, Batteries for Electric Vehicles: https://afdc.energy.gov/vehicles/electric_batteries.html
Preguntas frecuentes
¿Qué hace el cargador a bordo de un vehículo eléctrico?
Convierte la corriente alterna que llega por el puerto de carga en corriente continua para la batería de tracción. Según el Departamento de Energía de Estados Unidos, también se comunica con el equipo de carga y vigila tensión, corriente, temperatura y estado de carga de la batería.
¿Por qué un vehículo eléctrico tiene dos baterías?
La batería de tracción, de alta tensión, mueve el vehículo. Una batería auxiliar de bajo voltaje alimenta los accesorios y la electrónica de control, y se recarga desde la de tracción mediante el convertidor DC/DC.
¿El motor eléctrico funciona con la corriente que entrega la batería?
La batería entrega corriente continua. La electrónica de potencia controla el flujo de energía hacia el motor y con ello su velocidad y su par. El tipo de motor y de electrónica depende del fabricante y del modelo.