Factores Determinantes en la Velocidad de Carga de los Vehículos Eléctricos

A lo largo de mi experiencia trabajando en el mantenimiento de infraestructura de carga, he tenido contacto con un gran numero de personas, desde usuarios particulares que hacen uso de puntos de carga publicos, como otros usuarios que hacen uso de hub de carga privada en diferentes industrias, y una caracteristica comun entre todos los usuarios es el desconocimiento y no es para menos, son muchas las variables que entran en escena al momento de realizar una recarga, que incluyen desde aspectos de la infraestructura, como los tipos de conectores y cargadores (AC o DC), y las potencias de carga, hasta detalles del vehículo como la potencia máxima de recepción de carga, el estado y tamaño de la batería, y el comportamiento del software de gestión de batería en determinadas condiciones, por mencionar solo algunos.

Una de las principales inquietudes que he identificado se relaciona con la potencia de carga, es decir, la "velocidad de carga", existe un amplio abanico de variables que pueden influir en la velocidad a la que se recarga la batería y aqui explico algunos que considero los mas importantes:

1. Capacidad del Cargador y Tipo de Conector: La velocidad de carga se ve afectada significativamente por la potencia máxima que el cargador puede ofrecer, así como, si la carga se realiza mediante corriente alterna (AC) o corriente continua (DC). Por ejemplo, considera un conector AC Tipo 2 de 43 kW y un conector DC CCS2 de 30 kW. A primera vista, podría parecer que el conector AC cargaría el vehículo más rápido debido a su mayor potencia nominal. Sin embargo, la velocidad de carga real al usar un conector AC depende del cargador a bordo del vehículo, que es el encargado de convertir la corriente AC en DC antes de que esta llegue a la batería del vehículo. La capacidad de conversión de este cargador suele oscilar entre 7,4 kW y 22 kW, lo que significa que, en el mejor de los casos, la carga efectiva mediante este conector sería de 22 kW, dependiendo del modelo del vehículo, versus los 30 kW proporcionados directamente a la batería del vehículo por el conector DC CCS2 , ofreciendo así una tasa de carga potencialmente mayor.

Nota: El Renault ZOE y el BYD E6 son de los pocos vehiculos en ofrecer un cargador a bordo de hasta 43kW.

2. Capacidad de la Batería del Vehículo: El tamaño de la batería y su capacidad para aceptar altas tasas de carga son dos factores cruciales que determinan la potencia de carga que un vehículo eléctrico (VE) puede manejar. Estos factores impactan de la siguiente manera:

• Tamaño de la Batería: La capacidad total de la batería de un VE, medida en kilovatios-hora (kWh), influye en la cantidad de energía que necesita para cargarse completamente, un vehículo con una batería de mayor capacidad requerirá más energía para una carga completa, lo que puede significar tiempos de carga más largos si la potencia de carga disponible es limitada. Sin embargo, vehículos con baterías más grandes pueden beneficiarse más de cargadores de alta potencia, ya que estos pueden suministrar una mayor cantidad de energía en menos tiempo.
• Capacidad para Aceptar Altas Tasas de Carga: No todos los vehículos eléctricos están diseñados para aceptar las mismas tasas de carga, esta capacidad está determinada por la tecnología de la batería y el sistema de gestión de la batería (BMS por sus siglas en inglés) del vehículo, algunos vehículos están equipados con sistemas capaces de manejar altas tasas de carga, lo que les permite aprovechar al máximo cargadores rápidos (DC). Por ejemplo, si un VE puede aceptar una potencia de carga de hasta 100 kW, puede recargar su batería mucho más rápido en una estación de carga rápida que otro VE cuyo límite de carga sea de solo 50 kW.

3. Estado y condiciones de la Batería: La temperatura de la batería, su estado de carga (SoC, por sus siglas en inglés) y su salud general (SoH) son factores críticos que influyen en la velocidad a la que se puede cargar de forma segura un vehículo eléctrico (VE). Aquí te explico cómo cada uno de estos factores afecta la carga:

• Temperatura de la Batería: Las baterías tienen rangos de temperatura óptimos para cargar, si una batería está demasiado fría o demasiado caliente, su capacidad para aceptar carga rápidamente disminuye para evitar daños; por ejemplo, bajas temperaturas pueden aumentar la resistencia interna, reduciendo la eficiencia de la carga, mientras que temperaturas altas pueden causar estrés térmico y degradación acelerada de la batería.
• Estado de Carga (SoC): El SoC indica qué porcentaje de la capacidad total de la batería está cargado, a medida que el SoC se aproxima al 100%, la tasa de carga tiende a disminuir para proteger la batería de sobrecarga y prolongar su vida útil; esto es parte de un proceso llamado "carga de balanceo", donde la velocidad de carga se reduce deliberadamente para asegurar que todas las celdas de la batería se carguen de manera uniforme y segura.
• Salud General de la Batería (SoH): El SoH refleja el estado general y la capacidad restante de la batería en comparación con una nueva; una batería con un SoH reducido puede no ser capaz de aceptar cargas rápidas o alcanzar su capacidad total debido a la degradación de sus celdas. Las baterías con un SoH significativamente disminuido pueden requerir cargas más lentas para evitar estrés adicional que podría acelerar la degradación.

La gestión de estos factores es crucial para maximizar la eficiencia de la carga, la seguridad y la longevidad de la batería; el BMS en los vehículos eléctricos monitorizan activamente estos parámetros para ajustar la tasa de carga de forma dinámica, asegurando que la carga se realice dentro de límites seguros y óptimos.

4. Sistema de gestión de la batería: Como mencione anteriormente, el BMS juega un papel crucial en optimizar tanto la salud de la batería como la seguridad durante la carga de un VE. Esto lo hace a través de varios mecanismos:

• Monitoreo de la Temperatura: El BMS supervisa constantemente la temperatura de las celdas de la batería. Si detecta temperaturas fuera del rango óptimo, puede ajustar la tasa de carga para prevenir el sobrecalentamiento o para calentar la batería si está demasiado fría, garantizando así una carga segura y eficiente.
• Balanceo de Celdas: Durante la carga, el BMS se asegura de que todas las celdas de la batería se carguen de manera uniforme. Si alguna celda se carga más rápidamente que otras, el BMS puede reducir la corriente de carga o redistribuir la carga entre las celdas para evitar la sobrecarga y prolongar la vida útil de la batería.
• Gestión del Estado de Carga (SoC): El BMS ajusta la velocidad de carga en función del SoC actual de la batería. Por ejemplo, puede permitir una carga rápida cuando la batería está baja pero reducir la velocidad a medida que se acerca a su capacidad total para prevenir la sobrecarga.
• Optimización del Estado de Salud (SoH): Basándose en el historial de uso de la batería y su capacidad actual, el BMS puede optimizar los ciclos de carga para minimizar la degradación. Esto incluye limitar la carga máxima en ciertas condiciones para extender la vida útil de la batería.
• Protección contra Condiciones Anormales: El BMS detecta condiciones anormales, como sobre voltaje, bajo voltaje, o cortocircuitos. En caso de detectar alguna de estas condiciones, puede detener la carga inmediatamente para prevenir daños a la batería y asegurar la seguridad del vehículo y sus ocupantes.
• Comunicación con Cargadores Externos: El BMS puede comunicarse con cargadores externos para informar sobre la tasa de carga óptima basada en el estado actual de la batería, permitiendo así una carga más inteligente y adaptada a las necesidades específicas del vehículo.

5. Condiciones Ambientales: Las temperaturas extremas, tanto altas como bajas, pueden tener un impacto significativo en la eficiencia de carga de las baterías de los VEs debido a cómo afectan la química interna y la resistencia eléctrica de las baterías.

• Bajas Temperaturas: A temperaturas frías, la resistencia interna de la batería aumenta, esto se debe a que el electrolito dentro de la batería se vuelve más viscoso, dificultando el movimiento de iones entre el ánodo y el cátodo; como resultado, la batería no puede aceptar carga tan rápidamente como lo haría a temperaturas óptimas. Esto significa que la carga se vuelve menos eficiente y más lenta, además, parte de la energía suministrada durante la carga se pierde en forma de calor debido a la mayor resistencia interna, en lugar de almacenarse como energía eléctrica. El efecto de calentamiento debido a la resistencia interna puede ayudar a calentar la batería, pero este proceso es lento y puede no ser suficiente para optimizar la eficiencia de carga si la temperatura exterior es muy baja.
• Altas Temperaturas: A temperaturas altas, las reacciones químicas dentro de la batería pueden acelerarse, lo que puede parecer beneficioso para la carga inicialmente, sin embargo, esto también puede llevar a una mayor degradación de los materiales de la batería. El sobrecalentamiento de la batería durante la carga puede causar daños irreversibles, como el hinchamiento de la batería, la reducción de la capacidad y, en casos extremos, puede aumentar el riesgo de fallos térmicos o incendios. Por tanto, aunque las baterías puedan cargar más rápidamente en climas cálidos, el riesgo de daño y degradación a largo plazo también aumenta.

Hay otros factores importantes que tambien pueden afectar la velocidad de carga, sin embargo como mencione al inicio solo hice incapie en los que considero los mas importantes.

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