Los sistemas de 800 Volts en los vehículos eléctricos

Los sistemas de 800 V en los vehículos eléctricos permiten mayor autonomía  y una carga mucho más rápida

Desde que tomó impulso la movilidad eléctrica el punto conflictivo fue la autonomía y/o el tiempo de recarga. Para intentar resolver el problema se estableció, dentro de parámetros técnicos/económicos aceptables, tres niveles de carga. Como resumen podríamos decir una carga estándar (hogareña) una carga semi- rápida (por ejemplo para un estacionamiento de trabajo o de carsharing) y una carga rápida para ruta.

La carga estándar o carga lenta se efectúa en una conexión monofásica convencional

como la que llega a los hogares para alimentar el consumo de los  aparatos eléctricos. El tiempo necesario para cargar una batería sería de: 3 horas, para una batería de 10 kWh; 5,5 horas para una batería de 20 kWh, 11 horas para una batería de 40 kWh.  

La carga semi-rápida está concebida para reducir el tiempo de carga a un intervalo desde 15-30 minutos (para una batería de capacidad 10 kWh) hasta 2 horas (para una batería de capacidad de 40 kWh).La carga rápida permite reducir los tiempos de carga a  30 minutos.

La necesidad de aumentar la autonomía de los vehículos ha hecho que los mismos incorporen baterías de mayor capacidad de almacenaje de energía (Kw-h). Por lo tanto, a los mismos niveles de potencia anteriormente citados los tiempos de carga son mayores.

Nota: En la mayoría de los vehículos eléctricos se utilizan configuraciones de batería que dan como resultado el niveles de voltaje del bus de corriente continua  de 150-450 Vcc, a esta configuración de alimentación de alto voltaje a menudo se denomina sistema de 400 V. Por el contrario, en camiones y vehículos pesados, el voltaje máximo en corriente continua puede alcanzar los 870 V, y esta configuración a menudo se denomina sistema de 800 V.

Siguiendo con el tema de la recarga, la cuestión es que cuando de viajar se trata, después de más de cien años de repostar sus vehículos en menos de quince minutos para una autonomía de 400 km, los conductores se resisten a la idea de tener que esperar de 30 a 40 minutos para obtener la misma autonomía en un vehículo eléctrico. Varios estudios  citan este punto como uno de los principales inhibidores del crecimiento de la movilidad eléctrica.

Es por ello que toda  infraestructura de carga debería adaptarse al comportamiento típico del usuario durante viajes largos y ofrecer una proporción adecuada de tiempo de conducción y paradas de descanso. Durante un tiempo de descanso típico de 15 a 20 minutos, es razonable que los conductores esperen poder cargar la batería de un vehículo eléctrico para una autonomía de aproximadamente 400 kilómetros.

La nueva generación de coches eléctricos, alimentados por baterías de más de 60 kWh de capacidad, permiten autonomías que, en circunstancias normales, están por encima de los 400 kilómetros con cada carga. Para viajar con ellos a distancias superiores son necesarios los nuevos cargadores ultrarrápidos, que funcionarán con potencias de hasta 350 kW. Estos son capaces de recuperar la capacidad completa de la batería en 15 o 20 minutos, lo que supone, en la práctica, igualar los tiempos de parada que actualmente se realizan para repostar combustible líquido a los vehículos de combustión.

Las estaciones de carga de corriente continua (carga rápida) de hoy en día para automóviles eléctricos suelen funcionar con unos 400 V. Con una potencia de carga típica de unos 50 kW, esto equivaldría a un tiempo de carga para una autonomía de 400 km de unos 80 minutos.

Existen numerosos desafíos para reducir significativamente el tiempo de carga, entre los que se destaca el voltaje al que se cargan en la actualidad los vehículos eléctricos.

Aumentar el voltaje de salida del cargador para reducir el tiempo de carga.

El fundamento de este concepto se explica por la fórmula de la energía eléctrica:

 E = U x I x t, donde U es el voltaje, I la corriente y  t  el tiempo.

El tiempo de carga t = E / (U x I) se puede lograr con una corriente constante I aumentando la tensión U.

Al cambiar a una tensión dos veces más alta de aproximadamente 800 V, el tiempo de carga teóricamente se puede reducir a unos 15 minutos con la misma corriente de carga eléctrica en los conectores.

Entre las empresas que están  experimentado esta tecnología se encuentra la marca de automóviles deportivos del Grupo Volkswagen, Porsche, que ha instalado un sistema de 800 voltios en su automóvil deportivo Taycan totalmente eléctrico, que se lanzó el año pasado.

 Para Otmar Bitsche, director de movilidad eléctrica en la unidad de investigación y desarrollo, las razones para optar por la unidad de mayor potencia son claras: "menor peso, mayor eficiencia y carga más rápida" son los principales beneficios para los sistemas de 800 voltios", comenta.

El tiempo de carga se puede reducir considerablemente cuando se utilizan cargadores rápidos capaces de trabajar hasta 270 kilovatios. "Si el cargador proporciona 800 voltios y un mínimo de 300 A, el Taycan puede cargar del 5% al 80% en 22,5 minutos. Los cargadores de 400 V suelen proporcionar solo 50 kW. La misma capacidad de carga necesitaría 90 minutos", explica Bitsche.

Obviamente, a medida que  más fabricantes adoptan el estándar de 800 V, la red deberá expandirse para satisfacer las necesidades del consumidor. Esto es exactamente lo que el proveedor de tecnología ABB (entre otras empresas) pretende hacer con su sistema Terra HP High Power Charge.

Muy apropiado para su uso en paradas de descanso en autopistas y estaciones de servicio, la alta capacidad de Terra HP tiene la capacidad de cargar automóviles de 400 V y 800 V a plena potencia, con un tiempo de carga de tan solo 8 minutos para un alcance de 200 km.

También hay que tener en cuenta que los puntos de carga, de alta potencia de carga o carga super rapìda, deben ser provistos de la potencia necesaria por parte de las distribuidoras de energía, tema muy importante para desarrollar en otro artículo.

El profesor Peter Wells, del Centro de Investigación de la Industria Automotriz de la Universidad de Cardiff (Gales, Reino Unido), dice: "Como suele ser el caso con las opciones de tecnología 'premium' en la industria automotriz, podemos esperar una rápida transferencia al mercado masivo como resultado de las presiones competitivas. En algunos casos, los fabricantes han diseñado la capacidad de migrar de 400 voltios a 800 voltios a medida que bajan los costos y la competitividad requiere tales sistemas".

Muy interesante las palabras del profesor Wells, estoy seguro que son premonitorias ya que la evolución de la tecnología de los vehículos eléctricos  avanza a pasos agigantados. Dentro de veinte años, es posible que la industria mire hacia atrás en este primer lanzamiento de la electrificación de 800 V como uno de los momentos definitorios de la movilidad eléctrica.

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                                         2021.-