Autor: Clément Amilien, Head of Global Product Management Automotive, LEM
De la carga de CA unidireccional hasta las aplicaciones bidireccionales y V2X.
La infraestructura de los vehículos eléctricos (VE) está cambiando y el mercado de cargadores de CA de tipo wallbox (instalados en la pared) crece con rapidez, especialmente dentro del VE, debido al auge de aplicaciones de carga bidireccional y V2X (Vehicle to Everything). Estas tendencias hacen que la monitorización de la corriente residual (RCM, por sus siglas en inglés) asuma un papel primordial en las aplicaciones de carga de CA.
Este artículo analiza el mercado actual, las tendencias emergentes y la importancia de monitorizar la corriente residual, en el cargador wallbox y en el VE, para garantizar la conformidad con los reglamentos y las normas se seguridad, logrando además un plazo de comercialización competitivo.
Madurez y tendencias emergentes en el mercado de carga de CA
Los mercados de los cargadores wallbox y de cable de CA han experimentado un notable crecimiento, impulsado por la adopción cada vez mayor de los VE en todo el mundo. Estos mercados han madurado rápidamente y se caracterizan por unas especificaciones bien definidas y unas normas exigentes que garantizan la seguridad y la eficiencia de la carga de CA en los VE. Sin embargo, surgen nuevos retos dentro del propio VE.
En primer lugar, el cargador de a bordo (OBC) sin transformador representa una tendencia destacable en la carga de CA, ya que los fabricantes de automóviles buscan reducir el peso y el volumen, al mismo tiempo que mejoran la eficiencia de cada sistema en el VE y controlan los costos en la producción a gran escala. Estos desafíos relacionados con el rendimiento y la seguridad, debido a las altas tensiones y corrientes, hacen que la monitorización de la corriente residual (RCM) sea una parte cada vez más crítica del sistema.
El segundo reto es la mayor complejidad introducida por la tecnología V2X (Vehicle to Everything). V2X permite suministrar la energía almacenada en las baterías de los VE a otros vehículos, hogares, electrodomésticos e incluso a la red eléctrica, ampliando así su funcionalidad más allá de la simple alimentación del vehículo. Este cambio de paradigma tiene importantes implicaciones para el diseño y funcionamiento de la infraestructura de carga del VE, así como para la circuitería y los sistemas del OBC. Los OBC bidireccionales son fundamentales para proporcionar capacidades V2X, y estos sistemas requieren soluciones avanzadas de seguridad para proteger a los usuarios finales de los VE frente a posibles descargas eléctricas. Por lo tanto, los OBC bidireccionales necesitan soluciones de RCM excepcionalmente fiables y precisas que puedan manejar tanto corrientes CA como CC, además de cumplir con las normativas más recientes, como la ISO 5474.
El problema económico
La principal preocupación para la carga de VE es garantizar la seguridad de los usuarios frente a descargas eléctricas. La infraestructura tradicional de carga de CA se caracteriza por unas normas sólidas y unas especificaciones claras. Pero dentro del VE, la transición hacia sistemas OBC sin transformador y bidireccionales, aumenta el grado de complejidad que exigen las nuevas normas de detección de corriente residual. En concreto, los sensores RCM deben ser inmunes frente a los campos magnéticos y eléctricos del entorno, gestionar sobrecargas eficientemente y evitar disparos en falso que interrumpen el proceso de carga.
Los sensores RCM desempeñan un papel vital para proteger a los usuarios frente a descargas eléctricas mediante la detección de corrientes de fuga y activando mecanismos de protección. Los requisitos son especialmente exigentes en las aplicaciones de carga de VE. Han de detectar corrientes de fuga CA y CC y deben ser muy robustos para evitar falsas alertas que pueden interrumpir el proceso de carga.
El auge de los sistemas de cargadores de a bordo (OBC) bidireccionales (Fig. 1) añade un nuevo nivel de complejidad. Estos sistemas deben cumplir con la nueva norma ISO 5474, que detalla los requisitos de seguridad funcional para la transferencia de corriente alterna (CA) en vehículos eléctricos (VE). Los sensores de monitorización de la corriente residual (RCM) utilizados en los sistemas OBC bidireccionales deben ajustarse a esta norma, que establece la obligación de detectar corrientes de fuga tanto en CA como en corriente continua (CC) con alta precisión, garantizando así la seguridad durante las operaciones V2X.
IEC 62752, UL2231, IEC62955 y la nueva ISO5474 exigen detectar fugas de CA y pequeñas variaciones de CC. Tal como muestra la Fig.2, no se puede utilizar cualquier solución RCM como componente para detectar corrientes de fuga de CA ya que las de tipo A y F no pueden garantizar el nivel adecuado de seguridad y sólo una de tipo B puede medir y detectar tales corrientes.
Soluciones de última generación para monitorizar la corriente residual
La tecnología de inducción magnética (fluxgate) ofrece un rendimiento superior en la detección de corrientes de fuga en corriente alterna (CA) y corriente continua (CC), convirtiéndola en la opción preferida para la monitorización de la corriente residual en aplicaciones de carga de vehículos eléctricos (VE). Los sensores de monitorización de la corriente residual (RCM) de LEM, pertenecientes a las series CDSR y CDT, aprovechan la exclusiva tecnología de inducción magnética de la empresa, proporcionando excelentes niveles de precisión y un amplio ancho de banda.
También es importante garantizar que los sensores RCM funcionen correctamente, por eso las familias CDSR y CDT incorporan autotest y diagnóstico (temperatura, detección de picos de corriente, protección frente a tensión excesivamente alta o baja, etc.). El compromiso de LEM con la calidad y la innovación, así como con el cumplimiento de las normas internacionales, establece las referencias en el mercado y consigue que sus soluciones resulten atractivas para los ingenieros de automoción para la carga de VE y otras aplicaciones.
Cargadores wallbox de CA y cables de carga
Los sensores de corriente ideales para diseños wallbox de CA deben cumplir las normas internacionales de disparo (IEC 62752/62955/UL 2231) y han de ser adecuados para un amplio rango de potencias de salida, además de admitir arquitecturas monofásicas y trifásicas con el fin de reutilizar diseños en sistemas de carga CA de 3,3 kW a 22 kW.
La tecnología de inducción magnética desarrollada por LEM es actualmente la tecnología de medición sin contacto más precisa disponible. Esta innovación permite a los sensores CDSR ofrecer una exactitud excepcional al monitorizar tanto corriente alterna (CA) como corriente continua (CC), además de la capacidad de detectar fugas de tan solo 5 mA. Estos sensores se presentan en versiones monofásicas y trifásicas, lo que los hace adecuados para una variedad de sistemas de carga. Su diseño compacto y su facilidad de integración, junto con su forma vertical, simplifican el proceso de diseño para los ingenieros de sistemas, convirtiéndolos en una opción ideal para fabricantes y proveedores que buscan mejorar la seguridad y el rendimiento de sus soluciones wallbox de CA.
El sensor CDT recientemente presentado también se basa en la tecnología de inducción magnética patentada por LEM y destaca como una solución para detectar fugas en cables de carga gracias a su exactitud sin precedentes de ±0,5 mA a 5 mA y sus prestaciones de primer nivel para el automóvil. El CDT ofrece funciones de disparo dinámico en caso de fallo y diagnóstico avanzado, además de cumplir todas las normas correspondientes, facilitando así el proceso de diseño a los ingenieros de sistemas.
El sensor CDT se suministra en versiones monofásicas y trifásicas, por lo que resulta adecuado para varias configuraciones del cable de carga. Sus funciones de diagnóstico avanzado y disparo dinámico en caso de fallo proporcionan a los ingenieros de sistemas unas herramientas valiosas para optimizar el rendimiento y la seguridad de sus soluciones de carga.
Cambio a sistemas OBC sin transformador y bidireccionales
El cambio hacia los sistemas OBC bidireccionales, que permiten utilizar las baterías de los VE como fuentes de alimentación para varias aplicaciones (V2X), subraya la necesidad de sensores RCM de tipo B para automoción que sean conformes a ISO 26262 ASIL B y a la nueva norma ISO5474. El sensor CDT-SF de LEM cumple todos estos requisitos y ofrece dos canales de medida independientes, capacidad de autodiagnóstico, el nivel extraordinario de exactitud antes descrito y la posibilidad de generar informes de errores detallados a través de SPI. Sus dos canales de medida independientes proporcionan redundancia y mejoran la fiabilidad, mientras que su capacidad de autodiagnóstico y la generación de errores detallados garantizan los niveles óptimos de rendimiento y seguridad. El sensor también permite comprobar el devanado de forma externa para realizar pruebas de seguridad y de otro tipo.
La función de disparo dinámico ofrece a los ingenieros de sistemas la posibilidad de fijar el umbral de disparo de acuerdo con unos determinados requisitos regionales y normativos. Esta flexibilidad asegura que el sensor pueda ser utilizado en varios mercados y aplicaciones, así como para adaptar el sistema y mejorar la eficiencia al conmutar la carga entre el vehículo y la carga (V2L) a la carga entre el vehículo y la red (V2G).
Conclusión
En un mundo que evoluciona a gran velocidad, especialmente en el ámbito de la carga de corriente alterna (CA) para vehículos eléctricos (VE), LEM se mantiene a la vanguardia con sus innovadoras soluciones de monitorización de la corriente residual (RCM) (Fig. 3). Al abordar los complejos desafíos de las aplicaciones bidireccionales y V2X, garantizando al mismo tiempo la conformidad con las normativas más recientes, LEM ofrece a los ingenieros de sistemas sensores fiables y de alta calidad que simplifican los procesos de diseño y mejoran la seguridad. A medida que el mercado continúa su evolución, LEM sigue desempeñando un papel central al impulsar avances y establecer estándares en la tecnología de medición eléctrica.
Ante la creciente adopción de vehículos eléctricos (VE) y la mayor complejidad de las aplicaciones de carga de corriente alterna (CA), la necesidad de soluciones avanzadas de monitorización de la corriente residual nunca ha sido tan apremiante. Los sensores CDSR y CDT de LEM proporcionan a los ingenieros de diseño las herramientas necesarias para garantizar la seguridad y el rendimiento de sus soluciones de carga, mientras que el sensor CDT-SF aborda las nuevas necesidades de los sistemas de cargadores de a bordo (OBC) bidireccionales y las aplicaciones V2X. El sector sigue evolucionando, y el compromiso de LEM con la innovación y la excelencia le permitirá mantenerse a la vanguardia de la tecnología de medición eléctrica, ofreciendo soluciones fiables y precisas para el futuro de la carga de vehículos eléctricos.
