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Sistema de carga combinado

El conector CCS1 (Combined Charging System Combo 1) se utiliza en Norteamérica. Es una extensión del conector de carga de CA estándar J1772 . Entrada del vehículo CCS Combo 1 qu...

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El conector CCS1 (Combined Charging System Combo 1) se utiliza en Norteamérica. Es una extensión del conector de carga de CA estándar J1772 .
Entrada del vehículo CCS Combo 1 que muestra el conector J1772 y los dos pines de carga rápida de CC.
Conectores: Combinación incompleta 2 (izquierda) que muestra los dos pines grandes de corriente continua (CC) en la parte inferior, mientras que los cuatro pines de corriente alterna (CA) para neutro y trifásico se han eliminado, mientras que los pines de señal del Tipo 2 permanecen, en comparación con el Tipo 2 de la IEC (derecha).
Entrada de vehículo del sistema de carga combinado típico (Combo 2)
CCS Combo 2 en la entrada de vehículos Tesla Model 3 europeos

El sistema de carga combinado ( CCS ) es un estándar de estación de carga para vehículos eléctricos enchufables que utiliza los conectores Combo 1 ( CCS1 ) o Combo 2 ( CCS2 ), que son extensiones de los conectores de corriente alterna (CA) IEC 62196 Tipo 1 y Tipo 2 , respectivamente, cada uno con dos contactos adicionales de corriente continua (CC) para permitir una carga rápida de alta potencia. Los cargadores CCS pueden suministrar energía a las baterías de los vehículos eléctricos a hasta 500 kW (máx. 1000 V y 500 A ) [ 1 ] y en respuesta a la demanda de una carga aún más rápida, las redes de carga han desplegado cargadores CCS de 400 kW y se han presentado cargadores CCS de 990 kW.    

Los vehículos eléctricos y los equipos de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) se consideran compatibles con CCS si admiten carga de CA o CC según los estándares CCS. Los fabricantes que admiten CCS incluyen BMW , Daimler , FCA , Jaguar , Groupe PSA , Honda , Hyundai , Kia , Lucid , Mazda , MG , Nissan , Polestar , Renault , Rivian , Tesla , Mahindra , Tata Motors y Volkswagen Group , [ 2 ] [ 3 ] así como Ford y General Motors para sus modelos EV norteamericanos de 2024. [ 4 ] Los fabricantes de automóviles chinos como BYD , Chery y Zeekr también exportan vehículos CCS2 para sus mercados extranjeros.

El estándar CCS permite la carga de CA utilizando los conectores Tipo 1 y Tipo 2, según la región geográfica y la infraestructura de carga disponible. Este entorno de carga abarca acopladores de carga, comunicación de carga, estaciones de carga, el vehículo eléctrico y diversas funciones para el proceso de carga, como el equilibrio de carga y la autorización de carga. Entre los sistemas de carga de CC de alta potencia que compiten se encuentran CHAdeMO (ampliamente utilizado en Japón, utilizado anteriormente en Norteamérica y Europa), [ 5 ] GB/T (China), [ 6 ] y el Sistema de Carga Norteamericano desarrollado por Tesla. [ 7 ]

Historia

El resurgimiento del interés por los coches eléctricos en la década de 1990 impulsó la instalación de estaciones de carga . Inicialmente, estas accedían a la abundante electricidad de la red de CA mediante diversos enchufes en todo el mundo. A partir de 2003, la estandarización en la norma IEC 62196 de conectores de carga de mayor corriente dio lugar a varios sistemas: el Tipo 1 se utilizó principalmente en Norteamérica 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 en 2011 para añadir cables de CC comunes a los tipos de conectores de CA existentes, de modo que existiera un único conector universal compatible con todas las estaciones de carga de CC. [ 8 ]

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

La propuesta para un "Sistema de Carga Combinada" (CCS) se publicó en el XV Congreso Internacional VDI (Asociación de Ingenieros Alemanes) el 12 de octubre de 2011 en Baden-Baden . El CCS define un único patrón de conector 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 finales de 2011 introducir el CCS a mediados de 2012. [ 9 ] [ 10 ] En mayo de 2012, ACEA respaldó 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 prototipo para hasta 100 kW en EVS26 en Los Ángeles . [ 13 ] Las especificaciones de carga de CC en IEC  62196-3 (2014) dan un rango de hasta 125  A a hasta 850  V. [ 14 ]

Los siete fabricantes de automóviles también acordaron en 2011 utilizar HomePlug GreenPHY como protocolo de comunicación. [ 15 ] El prototipo del conector 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 de 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 separado), y ninguno de sus fabricantes de automóviles se había adherido a CCS. Sin embargo, China había participado en las primeras etapas del desarrollo de los pines de CC adicionales. [ 16 ]

Volkswagen construyó la primera estación pública de carga rápida CCS, que proporcionaba 50  kW  CC, en Wolfsburg en junio de 2013 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 los 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 instalación de puntos de recarga de tipo 2 o combinados (tipo 2) en la red europea de recarga de vehículos eléctricos .

En Alemania, la Charging Interface Initiative e. V. ( CharIN ) fue fundada por fabricantes y proveedores de automóviles (Audi, BMW, Daimler, Mennekes, Opel, Phoenix Contact, Porsche, TÜV SÜD y Volkswagen) para promover la adopción de CCS. En un comunicado de prensa, señalaron que la mayoría de los automóviles no podían cargarse más rápido que 50  kW, por lo que esa fue la primera potencia de salida común de las estaciones CCS que se construirán durante 2015. El siguiente paso fue la estandarización de estaciones con una  salida de 150 kW que mostraron en octubre de 2015, mirando hacia un futuro sistema con  una 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; y Toyota en marzo de 2017. [ 26 ]

En Estados Unidos, BMW y VW declararon en abril de 2016 que los corredores de la Costa Este y la Costa Oeste contaban con redes CCS "completas". [ 27 ] Como parte del acuerdo de 2016 por el escándalo de emisiones de Volkswagen , VW se comprometió a invertir US$2  mil millones en Estados Unidos durante los siguientes 10 años en infraestructura CCS y otras infraestructuras de carga a través de su filial Electrify America . [ 28 ] En este esfuerzo, se construirían estaciones de carga con hasta 150  kW en ubicaciones comunitarias y con hasta 350  kW en ubicaciones de autopistas. 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 costo de 200.000 € (220.000 $) cada una. [ 31 ] La mayoría de los coches eléctricos tienen un voltaje de batería inferior a 400 voltios. Con una corriente de carga máxima de 500 A, es posible una carga de hasta 220 kW.

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

Los cargadores CCS con capacidad de carga de 400  kW incluyen:

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  el despliegue del cargador WILLBERT Amber II S-HUB de 720 kW en toda Bélgica en 2023. [ 42 ]

En diciembre de 2022, Fastned instaló 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 con respaldo de 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 estación 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 norteamericanos del conector de carga CCS1 al conector de carga NACS a partir del año modelo 2025. [ 4 ] Estas decisiones de las empresas de adoptar un estándar de carga competitivo provocaron una respuesta de la asociación Charging Interface Initiative (CharIN), que promueve el estándar CCS. En junio de 2023, señalaron que "NACS no es un estándar publicado ni 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 ] Una semana después, SAE anunció que había estandarizado el conector NACS. [ 48 ]

Diseño técnico

Terminología para componentes de carga [ 8 ]

Versiones de las especificaciones

El Sistema de Carga Combinada (CCS) está diseñado para evolucionar según las necesidades del cliente. La versión 1.0 abarcaba las características comunes de la carga de CA y CC, mientras que la versión 2.0 se centraba en el futuro cercano y a medio plazo. Las especificaciones y los estándares subyacentes para CCS 1.0 y CCS 2.0 se describen en la Tabla 1 para la carga de CC y en la Tabla 2 para la carga de CA. [ 49 ]

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

Las especificaciones de CCS 3.0 aún no estaban definidas con precisión . Se conservarán todas las características de las versiones anteriores para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores. Las posibles características adicionales incluyen:

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

Comunicación de carga

A diferencia del conector y la entrada, que varían según la ubicación geográfica, la comunicación de carga es la misma en todo el mundo y generalmente es de dos tipos:

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

Balanceo de carga

CCS diferencia entre dos métodos de equilibrio de carga.

  • El balanceo de carga reactiva permite cambiar el flujo de energía desde el equipo de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) al vehículo eléctrico de forma instantánea hasta un límite específico.
  • El balanceo de carga programado admite el balanceo de carga reactiva y, además, permite planificar el flujo de energía desde el punto de recarga al vehículo eléctrico, por ejemplo, con diferentes límites de potencia e indicadores de coste a lo largo del tiempo. Puede utilizarse, por ejemplo, para optimizar la distribución de energía en una red inteligente.

Modos de autorización de carga

Para la autorización de cargos, generalmente se contemplan dos enfoques.

  • Con el sistema "conectar y cargar", el usuario enchufa su vehículo y se inicia un proceso automatizado de autenticación y autorización sin necesidad de ninguna otra interacción. El pago se realiza automáticamente.
  • Con el "pago externo", el usuario debe identificarse antes de poder realizar el cobro. Este paso no forma parte del protocolo CCS; podría implicar una tarjeta RFID, una tarjeta de pago o una aplicación móvil.

Acoplador de vehículos

Conectores combinados CCS
Combo 1
Combo 2
Representado aproximadamente a escala.

El acoplador del vehículo se compone del 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, tal como se describe en la norma IEC 62196-2. Uno de los desafíos del Sistema de Carga Combinada fue desarrollar una entrada del vehículo compatible tanto con los conectores de CA existentes como con los contactos de CC adicionales. Para ambos tipos, esto se logró extendiendo la entrada con dos contactos de CC adicionales debajo de los contactos de CA y de comunicación existentes. Las nuevas configuraciones resultantes se conocen comúnmente como Combo 1 y Combo 2.

En el conector de CC para vehículos, la implementación varía ligeramente entre la combinación 1 y la combinación 2. En la combinación 1, el conector se amplía con dos contactos de CC, mientras que la parte de tipo 1 permanece igual, sin utilizar los contactos de CA (L1 y N). En la combinación 2, los contactos de CA (L1, L2, L3 y N) se eliminan por completo del conector, por lo que la parte de tipo 2 solo conserva tres contactos: dos 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 del conector de tipo 1 o 2. Los conectores de tipo 1 y tipo 2 se describen en la norma IEC 62196-2, mientras que los conectores combinados 1 y 2 se describen en la norma IEC 62196-3 como configuraciones EE y FF. [ 50 ] [ 51 ]

Carga de alta potencia

Como los acopladores de vehículos para carga de CC según IEC 62196-3:2014 Ed.1 permiten la carga de CC solo 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 altas corrientes requieren secciones transversales de cable grandes, lo que da lugar a cables pesados ​​y rígidos, o bien requieren refrigeración si se desean cables más delgados. Además, la resistencia de contacto genera una mayor disipación de calor. Para abordar estos problemas técnicos, la norma IEC TS 62196-3-1 describe los requisitos para acopladores de CC de alta potencia, incluyendo detección térmica, refrigeración y plateado de los contactos. [ 52 ] CharIN está investigando versiones de más de 2 MW para camiones eléctricos y se están probando los equipos. [ 53 ] [ 54 ]

Competencia por la aceptación global

El sistema de carga combinada (CCS) es impulsado principalmente por fabricantes de automóviles europeos y norteamericanos. Los cargadores de tipo 1 y combinados (CCS) se encuentran principalmente en Norteamérica, Centroamérica, Corea y Taiwán, mientras que los de tipo 2 y combinados (CCS) se pueden encontrar en Europa, Sudamérica, Sudáfrica, Arabia Saudita, India, Tailandia, Singapur, Taiwán, Hong Kong, Oceanía y Australia. Para la carga de CC, en China se utiliza el estándar GB/T 20234-2015 , mientras que en Japón se utiliza CHAdeMO .

En la Unión Europea, según la Directiva 2014/94/UE [ 55 ], 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. Sin embargo, esto no prohíbe la provisión de otros puntos de carga que utilicen, por ejemplo, CHAdeMO o AC Rapid .

Hasta 2024, [ 56 ] la mayoría [ 57 ] de los vehículos eléctricos vendidos en Estados Unidos fueron fabricados por Tesla y no admitían de forma nativa la carga CCS. Tesla utilizó un conector propietario desde principios de la década de 2010 hasta 2022, aunque los coches Tesla más nuevos también admiten CCS con un adaptador que se vende por separado. [ 58 ] En noviembre de 2022, Tesla cambió el nombre de su conector de carga, anteriormente propietario, al Estándar de Carga Norteamericano (NACS), poniendo las especificaciones a disposición de otros fabricantes de vehículos eléctricos y permitiéndole admitir el mismo estándar de señalización que CCS. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] Los datos de ECO Movement muestran que los conectores de Tesla representan aproximadamente el 58 % de los cargadores de CC. De los cuales, CCS1 tenía una participación del 38 %, mientras que CHAdeMO representa el 20 %. [ 62 ]

En 2023, Ford Motor Company , General Motors y Rivian anunciaron que usarían conectores NACS en lugar de CCS en todos los futuros modelos BEV norteamericanos. Los vehículos inicialmente vendrán con un adaptador en 2024, pero los nuevos modelos a partir de 2025 se construirían con puertos NACS nativos. [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] Posteriormente, otras compañías de EV firmaron acuerdos para la adopción nativa de NACS, incluyendo Aptera , BMW Group , Fisker , Honda , Hyundai Motor Group , Jaguar , Lucid , Mercedes-Benz , Nissan , Polestar , Subaru , Toyota y Volvo . Muchos de los principales proveedores de redes de carga y equipos de carga también anunciaron soporte para NACS, incluyendo EVgo, FLO, ABB E-Mobility y EverCharge. NACS fue posteriormente ratificado internacionalmente como estándar SAE J3400.

Esto ha llevado a predicciones de que CCS1 pronto quedará obsoleto, ya que es más grande, más pesado y más caro que NACS. [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]

Hilton Worldwide anunció un acuerdo con Tesla para instalar 20.000 puntos de recarga para vehículos eléctricos en 2.000 de sus propiedades en Norteamérica para 2025. [ 71 ]

En muchos otros países aún no se prefiere ningún estándar, aunque CharIN recomendó el Tipo 2 avanzado y el Combo 2 en 2018. [ 72 ]

Referencias

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  • Iniciativa de Interfaz de Cobro (CharIN)