Revolucionando los vehículos eléctricos comerciales: carga de megavatios y sus implicaciones
A medida que el mundo avanza con mayor rapidez hacia un futuro sostenible, la electrificación de los vehículos comerciales se vuelve cada vez más indispensable. Esta presentación técnica analiza la creciente demanda de soluciones de carga de megavatios en la industria de los vehículos comerciales eléctricos, las dificultades técnicas, la eficiencia en costos y las ventajas de rendimiento.
Analizamos los costos asociados a la posibilidad de cargar vehículos comerciales con capacidad de megavatios. Es necesario comprender estos elementos técnicos al evaluar el rendimiento deseado del vehículo y su velocidad de carga. Nuestra presentación revisará estos requisitos tecnológicos clave, como baterías de alta capacidad, sistemas de protección contra corrientes de fallo elevadas y sistemas avanzados de gestión térmica. Cada uno de estos factores puede limitar la velocidad de carga disponible del vehículo, pero abordarlos conlleva costos adicionales. A través del análisis del tiempo disponible en el uso de vehículos comerciales en diversos modelos empresariales, identificaremos las velocidades de carga necesarias para electrificar dichos modelos. La flexibilidad en cuanto a cuándo y dónde cargar el vehículo se convierte en la principal ventaja de las cargas más rápidas. Presentamos 3 modelos empresariales potenciales que requerirán soluciones de carga diferentes:
Entrega local: su bajo consumo de energía y el tiempo considerable de inactividad disponible permiten su electrificación mediante una carga relativamente lenta de 150 kW.
Transporte de mediana distancia: su consumo moderado de energía y el tiempo medio de inactividad disponible se pueden abordar con las velocidades de carga actuales de 350 kW.
Transporte de larga distancia: su alto consumo de energía y el escaso tiempo de inactividad disponible exigirán una carga de 1 MW para que sea ampliamente disponible antes de su electrificación.
Aunque todas las aplicaciones de vehículos eléctricos podrían beneficiarse de la flexibilidad de las cargas más rápidas, y de hecho la mayoría de ellas podrían electrificarse con sistemas de carga de 1 MW ampliamente disponibles, es importante entender que no todas requerirán cargas de megavatios. Muchos modelos comerciales pueden volverse completamente eléctricos y controlar los costos de los vehículos utilizando velocidades de carga más lentas.
Gracias a una investigación y desarrollo innovadores, Eaton se encuentra en
Se encuentra a la vanguardia en el desarrollo de soluciones de carga a bordo escalables y eficientes, y puede ayudar a los fabricantes originales y a las flotas a comprender los equilibrios entre costo y beneficio específicos para cada aplicación de vehículo.
Costo de una carga más rápida
El concepto de velocidad de carga es fundamental en este debate, ya que constituye un factor clave que influye en el despliegue y uso práctico de los vehículos eléctricos. La velocidad de carga determina las dinámicas operativas y la viabilidad de diversos modelos comerciales para adoptar la electrificación. Mientras que algunas aplicaciones pueden integrar sin problemas los vehículos eléctricos en sus estructuras comerciales existentes, otras pueden requerir la aparición de tecnologías innovadoras o la creación de nuevos modelos comerciales para aprovechar las ventajas de la electrificación.
La afirmación de que la carga acelerada equivale a un rendimiento superior tiene fundamento; no obstante, es imperativo realizar un análisis exhaustivo de las limitaciones a las que se enfrentan los fabricantes de vehículos y los operadores de flotas. Esto implica evaluar las implicaciones técnicas y económicas de la electrificación de los vehículos, para garantizar que la transición no solo sea técnicamente viable, sino también sostenible en el panorama del mercado a largo plazo.
Células de batería
Las células de batería, al igual que la preferencia humana por entornos con control climático, presentan un rendimiento óptimo dentro de parámetros de temperatura específicos. Idealmente, estas células funcionan eficientemente dentro de un rango térmico de 15 a 35 grados Celsius. Cabe señalar que el rango de temperatura operativa preferido puede variar en función de si las células se encuentran
El proceso de carga o descarga. La Figura 1 muestra la relación entre la temperatura de una celda de batería y su rendimiento relativo. El rango de rendimiento es mayor durante la descarga de la batería que durante su carga.
Esta analogía resalta la necesidad de sistemas sofisticados de gestión térmica en los vehículos eléctricos (VE). Dichos sistemas están diseñados para mantener las celdas de batería dentro de su “zona de confort”, garantizando así un rendimiento constante. Además, la integración de funciones inteligentes como la planificación de rutas permite al vehículo anticipar las sesiones de carga futuras, lo que facilita el precondicionamiento de la batería. Este enfoque proactivo contribuye a una eficiencia óptima en la carga.
El segundo factor que puede afectar la capacidad de una celda para absorber energía es su estado actual de carga. Si hacemos un paralelismo con el proceso por el cual las personas entran a un cine y buscan un asiento, se puede conceptualizar de manera similar el proceso de carga de una batería. Cuando el “cine” —o sea, la batería— está vacío, el proceso es sencillo. Sin embargo, a medida que aumenta la ocupación, encontrar “asientos” disponibles —o puntos de carga dentro de las celdas— se vuelve cada vez más difícil. La Figura 2 muestra gráficamente esta relación. A medida que el estado de carga se acerca a la capacidad total, la tasa de carga puede disminuir hasta el punto en que cargar deja de ser económico. Será mejor para el conductor dirigirse a un segundo lugar de carga con menos energía y conectarla en ese estado, en lugar de quedarse esperando a una velocidad reducida.
Esta relación entre el nivel de carga también puede afectar la capacidad del vehículo para utilizar el motor de tracción como freno secundario. Por lo tanto, el vehículo debe mantener un margen considerable en la batería para garantizar una tasa de carga y almacenamiento suficientes para realizar el frenado regenerativo. Una herramienta sofisticada de planificación de rutas debería poder predecir el consumo energético, así como la recuperación energética prevista, con el fin de optimizar la eficiencia.
Tamaño de la batería y tasa C
Un aspecto crítico de la química de las baterías es la relación entre la velocidad teórica máxima de carga del conjunto y su capacidad.
La búsqueda de químicas celulares más rápidas es factible; sin embargo, a menudo conlleva costos más elevados y un compromiso en cuanto a la longevidad. El mercado comercial de vehículos eléctricos (VE) ha mostrado una preferencia por la química de fosfato de hierro y litio (LFP), que logra
un equilibrio entre la relación costo-eficacia y la durabilidad.
Los avances recientes en la química LFP han elevado la tasa C del paquete de aproximadamente 2 a un rango de 3 a 4. No obstante, incluso con una tasa C de 3, para alcanzar una potencia de carga de 3.75 MW —el límite superior del Estándar de Carga Mega (MCS)— un vehículo necesitaría una capacidad de batería a bordo cercana a los 1000 kWh. Por otro lado, se podría lograr una potencia de carga de 1 MW con una batería de 400 kWh. Aunque es considerablemente más grande que las baterías encontradas en vehículos ligeros, este tamaño sigue estando dentro de un rango más manejable.
El ejemplo destacado muestra que una batería de tipo 3C conectada a un cargador con capacidad de 1 megavatio tendrá una velocidad de carga limitada si su capacidad es inferior a 350 kWh. Por encima de esa capacidad, se puede alcanzar la potencia máxima del cargador.
Es importante señalar que una batería más grande no solo aumenta el rango del vehículo y permite una mayor recuperación de energía mediante la frenada regenerativa, sino que también afecta su capacidad de carga. Este equilibrio delicado pone de manifiesto la complejidad de mejorar el rendimiento de los vehículos eléctricos sin sacrificar su utilidad práctica.
Posibles cuellos de botella térmicos
En el contexto de la carga, las limitaciones térmicas son un factor importante a considerar. Cada elemento dentro de la batería y de la infraestructura de carga puede convertirse en un punto de restricción. Las pérdidas en el sistema eléctrico siguen la regla I2r, lo que indica que las pérdidas por resistencia son proporcionales al cuadrado de la corriente. Cuando las corrientes oscilan entre 800 y 3000 amperios, incluso incrementos marginales en la resistencia, especialmente alrededor de los contactores, pueden generar una cantidad considerable de calor.
La Figura 4 muestra el análisis térmico de la tecnología de protección de circuitos Breaktor® de Eaton. Ofrece información sobre estas dinámicas, evidenciando la capacidad de soportar 350 A de forma continua, pero corrientes mucho mayores durante períodos limitados. La incorporación de mecanismos de enfriamiento activo puede prolongar el tiempo durante el cual los componentes pueden funcionar dentro de parámetros térmicos seguros. Es crucial reconocer las limitaciones individuales de cada componente y gestionar los umbrales térmicos a nivel del sistema para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente. La mejor forma de gestionar esto a bordo de un vehículo es utilizando sensores de temperatura y funciones de transferencia para monitorear la temperatura interna de los componentes. El uso de un sistema de monitoreo activo permitirá que un vehículo demande la máxima potencia durante el mayor tiempo posible, manteniéndose dentro de los límites térmicos.
Distribución de energía
El diseño de sistemas de alta tensión abarca no solo los parámetros operativos, sino también las estrategias de protección necesarias para garantizar un funcionamiento seguro y minimizar los efectos de cualquier evento de fallo. En escenarios en los que se utilizan múltiples baterías, cada una puede requerir el manejo de solo una parte de la corriente de carga y estar expuesta a una proporción correspondiente de posibles condiciones de fallo. Por esta razón, la Unidad de Desconexión de Baterías (BDU) de cada batería podría ajustarse a los requisitos de una aplicación en vehículos ligeros.
Tal como se muestra en la Figura 5, Breaktor 900 resulta ser una solución de protección óptima para baterías individuales. Capaz por sí solo de manejar una carga de 500 kW durante un tiempo limitado y de proteger contra fallas de hasta 20 kA, cumple con los requisitos de cada batería una vez que la energía del MCS se distribuye de manera equitativa. Sin embargo, sus capacidades no abarcan las altas corrientes que se presentan en el puerto del MCS.
En el puerto MCS, el sistema debe estar protegido contra fallos totales provenientes ya sea del cargador o de múltiples baterías al mismo tiempo. Esto podría generar una corriente de fallo de hasta 70 kA. El mecanismo de protección debe limitar la corriente para proteger eficazmente los sistemas del vehículo. Es aquí donde los fusibles para vehículos eléctricos de la serie de camiones de Eaton resultan particularmente relevantes. Estos fusibles pueden colocarse en paralelo para crear una estrategia de protección escalable que abarque todo el rango de corrientes del MCS. No obstante, estos fusibles deben coordinarse meticulosamente con un par de contactores del tamaño adecuado para facilitar las operaciones normales de conmutación, garantizando un diseño de sistema de alta tensión robusto y fiable.
Sesión de carga
Al sintetizar estos elementos, visualicemos una sesión real de carga de vehículos eléctricos. El cálculo del tiempo de carga se basa en el área bajo la curva. La mayoría de los sistemas de carga tienen una limitación de corriente, lo que significa que existe un valor máximo de corriente que puede emitir el cargador. Al multiplicar este valor por la tensión del sistema, se obtiene la potencia máxima de carga. Aumentar el límite de corriente, ya sea en el cargador o en el vehículo —a través de estrategias de mitigación térmica o del uso de contactores más potentes, por ejemplo— puede elevar la velocidad máxima de carga, reduciendo así el tiempo necesario para una carga completa.
En los escenarios que involucran sesiones de carga de 1 MW y 500 kW, el sistema mantiene la tasa máxima de carga solo de forma transitoria antes de enfrentarse a cuellos de botella térmicos o limitaciones intrínsecas del paquete que obligan a reducir la velocidad de carga. Por el contrario, una aplicación de carga de baja potencia, que opera por debajo de estos umbrales, puede mantener la velocidad máxima durante la mayor parte del tiempo de carga. Las tres sesiones de carga suministran los mismos 600 kWh, pero se necesita una cantidad de tiempo sustancialmente diferente
para lograrlo.
Estos perfiles de carga son fundamentales para que los fabricantes de equipos originales (OEM) y los operadores de flotas los comprendan. Deben ajustar las capacidades de carga del vehículo a su función operativa designada. Este ajuste es crucial para garantizar que el rendimiento del vehículo cumpla con las expectativas de su caso de uso previsto. A continuación, analizaremos cómo estas consideraciones se traducen en aplicaciones prácticas para los OEM y los operadores de flotas.
Velocidad de carga requerida
Para entender qué tan rápida debe ser la velocidad de carga, primero debemos examinar una selección de aplicaciones en vehículos comerciales. Utilizando una combinación de datos reales del programa NACFE Run on Less y un escenario teórico para camiones de larga distancia, analizaremos la cantidad de energía consumida en un día en comparación con el tiempo disponible para que el vehículo se cargue.
Aplicación de entrega local
La primera aplicación es un vehículo de entrega local según los datos de NACFE proporcionados por Penske. En esta aplicación, el vehículo recorre una ruta de entrega local corta que abarca aproximadamente 200 kilómetros al día en un solo turno. Esto significa que el vehículo consume solo unos 250 kWh y dispone de más de 15 horas sin actividad en el depósito para recargar energía. En teoría, esto podría gestionarse con sistemas de carga por corriente alterna de nivel II disponibles comercialmente, pero los vehículos tendrían que estar conectados todo el tiempo en que no se mueven. En la práctica, Penske utiliza carga rápida por corriente continua de 150 kW que permite recargar el camión en 2 horas al final del turno, antes de que pueda trasladarse a un lugar de estacionamiento habitual en el depósito; esto concentra la infraestructura necesaria para manejar varios vehículos y mantiene su flexibilidad operativa. La Tabla 2 y la Figura 7 ilustran esta aplicación.
Aplicación de entrega regional
El segundo ejemplo a analizar también proviene del Run on Less Electric Depot. Aquí, Pepsi utiliza una flota de camiones semirremolque Tesla en rutas de entrega regional. El vehículo puede recorrer hasta 965 kilómetros en un período de 24 horas, distribuidos en dos turnos de conducción. Esto deja un margen limitado de 3 horas al final de cada turno para recargar la batería. Utilizando un método similar que considera todo el tiempo disponible, en teoría esto podría gestionarse con una carga de 250 kW, pero eso requeriría cargar al máximo en cada momento en que el vehículo no está en movimiento.
En la práctica, Pepsi utiliza una carga de 600 kW para reabastecer los camiones
Mediante dos sesiones de 2 horas cada una, se logra mayor flexibilidad y tiempo operativo. La Tabla 3 y la Figura 8 muestran esta aplicación.
Aplicación para largas distancias
El último escenario a analizar es un ejemplo teórico de una cabina para camiones de larga distancia con sistema de sueño. A menudo se considera una de las aplicaciones más difíciles de electrificar, ya que actualmente depende de una red dispersa de estaciones de repostaje en lugar de un depósito controlado propiedad de la flota o del operador.
Legalmente, en la mayoría de los países los conductores de larga distancia están obligados a descansar a intervalos regulares. En un escenario ideal, el período de descanso de 10 horas, así como todas las paradas habituales durante el día, podrían utilizarse para cargar el vehículo; de este modo, un operador podría recorrer 965 kilómetros al día y solo necesitaría una carga de 150 kW. Pero debido a la distribución dispersa de los lugares donde se necesita cargar, será probablemente imposible encontrar siempre una toma de corriente cada vez que el camión está parado.
Por esta razón, debemos suponer que el camión solo puede encontrar una toma de corriente un número limitado de veces al día y no se conecta durante su período de descanso nocturno, lo que reduce el tiempo disponible para cargar a unas 3 horas al día. Esto refleja más fielmente el modelo comercial actual con paradas de descanso y estaciones de servicio para diésel. Utilizando este tiempo disponible, sumando la autonomía necesaria, teóricamente se requiere una carga de 666 kW en promedio. Teniendo en cuenta todo lo que hemos aprendido sobre las limitaciones de carga, los picos de consumo y la flexibilidad, será necesario un cargador de 1 MW o superior. La Tabla 4 y la Figura 9 representan este escenario teórico.
Esto no significa que la carga de megavatios resuelva todos los problemas relacionados con la electrificación del transporte por carretera de larga distancia; la disponibilidad de cargadores y la conexión a la red seguirán siendo desafíos. Pero este análisis muestra que si la carga de 1 MW estuviera ampliamente disponible, incluso los casos empresariales más difíciles podrían hacerse realidad mediante la electrificación.
¿Qué tan rápido es lo suficientemente rápido?
Finalmente, veamos el panorama completo. Cada aplicación presentará una cantidad diferente de energía consumida durante el día en comparación con el tiempo disponible para cargar. La Figura 10 lo representa gráficamente mediante áreas sombreadas que indican las tres aplicaciones analizadas. Al graficar las curvas de las diferentes tasas máximas de carga, podemos identificar un umbral por debajo del cual una aplicación podría ser sostenible con un cargador determinado.
Incluir los tres ejemplos que analizamos en este gráfico muestra cómo cada uno podría ser atendido por una red de carga distinta. También indica que la mayoría de las aplicaciones podrían ser servidas adecuadamente por la infraestructura de carga de 1 MW ampliamente disponible.
Aunque la norma MCS permite capacidades de carga
de hasta 3,75 MW, es importante señalar que los costos asociados con la implementación de una carga de alta potencia tienden a aumentar exponencialmente. Por lo tanto, la justificación financiera para utilizar esta clase de carga probablemente se limitará a aplicaciones especializadas. Este enfoque garantiza un equilibrio entre la eficiencia operativa y la rentabilidad.
Conclusión
Cada aplicación de vehículo comercial será única y requerirá una evaluación específica de sus necesidades energéticas y del caso de negocio para la electrificación. Comprender las limitaciones y los costos asociados a mejorar el rendimiento de carga permite a las flotas y a los fabricantes originales
analizar el costo frente a las ventajas de flexibilidad que brinda una carga más rápida. No existe una solución única que sirva para todos. Muchas aplicaciones pueden ser atendidas adecuadamente con la tecnología de carga actual, y la llegada de sistemas de carga de megavatios ampliamente disponibles debería abrir las puertas a la electrificación para la mayoría de las aplicaciones actuales de vehículos comerciales.
Acerca de Eaton: Eaton ha sido durante mucho tiempo un proveedor líder en el sector de los vehículos comerciales. A medida que nuestro portafolio de productos crece en el ámbito de la electrificación, Eaton es el socio ideal para que los clientes OEM comprendan esa relación entre costo y beneficio. Nuestra experiencia en distribución y protección de energía puede ayudar a los OEM a diseñar arquitecturas de alta tensión rentables que satisfagan las necesidades de sus clientes.
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