Tipos de carga de vehículos eléctricos y topologías comunes

La demanda de carga de vehículos eléctricos en aumento - A medida que las tendencias hacia la electrificación y la descarbonización continúan evolucionando a nivel global, también se proyecta que la demanda de vehículos eléctricos (VE) crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 10%. Para finales de 2025, se espera que haya cerca de 50 millones de vehículos eléctricos en las carreteras, lo que genera una necesidad urgente de más estaciones de carga y velocidades de carga más rápidas para estos vehículos. Este artículo le presentará los tipos de carga de vehículos eléctricos y las topologías comunes, junto con las soluciones relevantes ofrecidas por Wolfspeed. Para obtener un conocimiento más profundo y detallado, visite la nota de aplicación de Wolfspeed: PRD-08367: Guía de diseño de topologías de carga de energía de VE | Wolfspeed.

Con el aumento de los vehículos eléctricos (EV) en las carreteras, la demanda de electricidad necesaria para cargarlos también está creciendo a un ritmo exponencial. Se estima que se necesitarán alrededor de 230 TWh de energía en 2030 para cargar estos vehículos, en comparación con la demanda actual de 11 TWh. Para atender a tantos coches y la demanda de electricidad asociada, se requerirán cerca de 30 millones de cargadores. Aunque la mayoría de los cargadores se instalarán en hogares particulares, será necesario instalar más de 1,2 millones de cargadores públicos para atender a los vehículos eléctricos en movimiento.

Los cargadores domésticos suelen utilizar el suministro de energía de CA común y fácilmente disponible. Por otro lado, los cargadores públicos están diseñados para ofrecer una experiencia de carga rápida y confiable, similar a cuando se abastece de combustible un vehículo tradicional con motor de combustión interna (ICE). Esto significa que los cargadores rápidos públicos deben tener una capacidad de entrega de energía suficiente (hasta 600kW) para proporcionar una carga completa a los vehículos eléctricos (EV) en menos de 15 minutos. Esto solo es posible con carga de CC.

Tipos de carga

La carga con corriente alterna (AC) se refiere a la carga utilizando la energía normal disponible en un hogar típico, que está disponible en forma de corriente alterna (AC), de ahí el nombre. Este tipo de carga requiere un cargador a bordo (OBC) en el vehículo eléctrico (EV) que convierte la energía de AC a DC, que es necesaria para cargar la batería utilizando AC.

AC Nivel 1

Este es el cargador más básico, que recibe de la red eléctrica 120-240Vac (13-16A) y luego lo suministra al vehículo eléctrico (EV) mediante un cable de carga. Es el tipo de cargador más lento, pero también el más portátil y se puede conectar casi en cualquier lugar. La mayoría de los modelos suelen estar clasificados hasta 1kW.

Nivel 2 CA

Un cargador de CA de nivel 2 aún utiliza la fuente de alimentación disponible de 120-240Vac. La principal diferencia es que está diseñado para soportar una corriente más alta (32-40A). Estos cargadores de CA suelen estar instalados de manera permanente en hogares y en postes en espacios públicos. Generalmente tienen una potencia nominal de hasta 11-22 kW.

Carga DC

Para reducir los tiempos de carga de los vehículos eléctricos (EV), la única opción es la carga de corriente continua (DC). Los cargadores DC entregan energía directamente a la batería del EV, omitiendo el cargador integrado en el vehículo.

Carga DC de nivel 2 / Nivel 2+ / Caja mural DC

Para niveles de potencia cercanos a 20-25kW, una solución común sería conocida como un cargador DC de “nivel 2”, aunque no existe una convención oficial de nomenclatura. Estos pueden encontrarse tanto en ubicaciones residenciales como comerciales.   La mayor diferencia en comparación con la carga AC es que existe un bloque convertidor de potencia adicional incorporado que realiza la rectificación de AC a DC (por ejemplo, “AFE” - entrada frontal activa). Luego, esta corriente DC se alimenta al automóvil a través de un cable de carga para cargar la batería. Dependiendo de la selección de los dispositivos de potencia, también puede proporcionar funcionalidad bidireccional.

Carga rápida DC de nivel 3 (DCFC)/ rápida / supercargadores

Los cargadores de CC de nivel 3 suelen llamarse cargadores rápidos de CC (DCFC) o súper cargadores. Los niveles de potencia de este tipo de cargador pueden variar fácilmente desde 50kW hasta 1MW. Estos cargadores están compuestos por múltiples bloques de potencia de 20, 30, 50, 60kW o incluso más altos para alcanzar el nivel de potencia deseado. Dependiendo de la capacidad, estos cargadores rápidos pueden cargar una batería típica de un vehículo eléctrico en menos de 20 minutos.

Estándares de carga

Así como tenemos diferentes niveles de cargadores para diferenciar los niveles de potencia, también existen diferentes estándares para los conectores utilizados.

Topologías comunes AC-DC

Para la conversión de energía CA/CD, se pueden utilizar topologías monofásicas y trifásicas. Las topologías monofásicas son más comunes para la carga doméstica o cuando los niveles de potencia son inferiores a 6.6kW, mientras que las topologías trifásicas son más adecuadas para bloques de carga de mayor potencia (>11kW):

Para obtener información sobre cada circuito de topología, las piezas recomendadas y los diseños de referencia, por favor visite la nota de aplicación de Wolfspeed:  PRD-08367: Guía de Diseño de Topologías de Potencia para Carga de Vehículos Eléctricos | Wolfspeed.

Topologías comunes de potencia DC/DC

Después de convertir la energía de CA en un voltaje típico de bus de CC de 400V-800V, ahora podemos convertirlo al voltaje necesario para cargar las baterías de los vehículos eléctricos. A continuación, se abordan diversas topologías de CC/CC que pueden ayudar a lograrlo:

Para obtener conocimiento sobre cada circuito de topología, las partes recomendadas y los diseños de referencia, por favor visite la nota de aplicación de Wolfspeed: PRD-08367: Guía de Diseño de Topologías de Potencia para Carga de Vehículos Eléctricos | Wolfspeed.

Resumen

En el campo en constante evolución de la carga de vehículos eléctricos, existe una fuerte presión hacia soluciones de mayor potencia y densidad para reducir el tiempo de carga en comparación con los vehículos típicos de motor de combustión interna, lo que sigue siendo un obstáculo generalizado. Esto ha llevado a una mayor adopción de topologías innovadoras de múltiples niveles para satisfacer estas demandas de energía, que requieren que las baterías apoyen la red durante los períodos de máxima demanda cuando no están en operación, además de requerir topologías que permitan el flujo de energía bidireccional.   Ambos requisitos refuerzan aún más la necesidad de contar con interruptores semiconductores de potencia más eficientes. Los dispositivos de carburo de silicio de Wolfspeed están perfectamente diseñados para cumplir con estos requisitos de última generación. Visite el sitio web de Wolfspeed para encontrar la oferta de productos, diseños de referencia y herramientas de soporte de diseño que necesita para iniciar su propio proyecto de diseño de cargador para vehículos eléctricos.