Cargadores para vehículos eléctricos (EVSE): arquitectura, comunicación y certificación

La expansión de los vehículos eléctricos está creando una nueva categoría de equipos electrónicos relativamente complejos: los cargadores para vehículos eléctricos, conocidos como EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment).

Aunque por fuera un cargador puede parecer solo una interfaz entre la red eléctrica y el vehículo, por dentro combina electrónica de potencia, sistemas embebidos, comunicación, conectividad, medición, seguridad eléctrica y software.

En los cargadores conectados, la arquitectura puede incluir además servidores de gestión, aplicaciones, sistemas de pago e integración con plataformas de operación. Por eso, el desarrollo de un EVSE debe tratarse como un sistema electrónico completo, y no simplemente como una fuente de alimentación de alta potencia.

¿Cómo funciona la arquitectura de los cargadores para vehículos eléctricos?

Podemos dividir un sistema de recarga conectado en tres grandes partes: el vehículo eléctrico, el cargador EVSE y la infraestructura de gestión.

El cargador controla la transferencia de energía y verifica en forma continua las condiciones necesarias para que la recarga sea segura. Los sistemas más sofisticados también tienen que intercambiar información tanto con el vehículo como con servidores externos. Ahí aparecen dos protocolos importantes: ISO 15118 y OCPP.

Comunicación entre el vehículo y el cargador: ISO 15118

La ISO 15118 trata de la comunicación digital entre el vehículo eléctrico y la infraestructura de carga. Esta comunicación permite que vehículo y cargador intercambien información sobre la sesión de carga. Según la implementación y la versión usada, puede haber funciones como identificación y autenticación, negociación de parámetros y funciones asociadas al Plug & Charge.

Esta comunicación ocurre esencialmente en el tramo Vehículo ↔ EVSE y no debe confundirse con la comunicación entre el cargador y el servidor de gestión.

Comunicación del cargador con el servidor: OCPP

El OCPP (Open Charge Point Protocol) actúa en otra capa de la arquitectura. Permite la comunicación entre el cargador y un sistema central de gestión, a menudo llamado CSMS (Charging Station Management System).

A través de esa conexión pueden implementarse funciones como el seguimiento de las sesiones de carga, el estado del cargador, el registro de eventos, la gestión remota, la actualización de parámetros y la integración con sistemas operativos y comerciales. En este caso tenemos EVSE ↔ OCPP ↔ servidor de gestión.

Pago, conectividad y plataforma de operación

En una estación pública, el proceso no termina en la comunicación con el vehículo. El sistema puede tener que identificar al usuario e integrar la sesión de recarga con mecanismos de cobro. Según el modelo de negocio, eso puede incluir tarjeta, RFID, aplicación, pagos instantáneos o integración con otros sistemas de pago.

El cargador también puede tener distintos medios de conectividad, como Ethernet, Wi-Fi o redes celulares 4G/5G. La plataforma de operación puede concentrar información de varios cargadores para hacer monitoreo, gestión de estaciones, control de usuarios, informes y facturación.

Esta separación es importante porque el OCPP no es el sistema de pago ni la plataforma comercial. Es un protocolo usado en la comunicación entre la estación de carga y el sistema central.

¿Qué hay dentro de un cargador rápido DC?

En los cargadores para vehículos eléctricos del tipo DC Fast Charger, la energía de la red eléctrica tiene que convertirse y controlarse antes de entregarse al vehículo. Una arquitectura típica puede incluir protección de entrada, filtrado EMI, etapas de conversión de potencia, bus DC, módulos AC/DC, contactores, sensores de tensión y corriente, sistemas de control y circuitos de comunicación.

Los cargadores de mayor potencia pueden usar varios módulos de potencia trabajando en paralelo, lo que permite aumentar la capacidad del equipo y crear una arquitectura modular. El sistema embebido coordina esos bloques y supervisa tensiones, corrientes, temperaturas, estados de los contactores y distintas condiciones de seguridad.

El sistema de control es una parte crítica del EVSE

En el centro de esta arquitectura suele haber uno o más controladores embebidos. Pueden encargarse del control de los módulos de potencia, la adquisición de sensores, la gestión de contactores, la comunicación con el vehículo, la interfaz con el usuario y la comunicación con sistemas externos.

Según la arquitectura del producto, pueden usarse microcontroladores, microprocesadores, interfaces CAN, Ethernet, comunicación serial y módulos celulares o Wi-Fi. También hay que prever mecanismos de diagnóstico y actualización de firmware, sobre todo cuando los cargadores están distribuidos geográficamente.

Seguridad eléctrica y compatibilidad electromagnética

Un cargador de vehículos eléctricos trabaja con niveles importantes de potencia, por lo que la seguridad tiene que formar parte de la arquitectura desde las primeras etapas del proyecto. Entre los aspectos a considerar están la protección contra sobrecorriente y sobretensión, el aislamiento, la puesta a tierra, el monitoreo eléctrico, la temperatura, los contactores y las condiciones anormales de operación.

Los convertidores de potencia conmutados pueden generar ruido conducido y radiado. Al mismo tiempo, la electrónica de control debe seguir funcionando correctamente frente a las perturbaciones electromagnéticas previstas para su entorno de uso. Por eso, los filtros EMI, el layout de las placas, la puesta a tierra, el blindaje, la elección de componentes y la arquitectura mecánica no deben dejarse para el final del desarrollo.

Normas técnicas y certificación de cargadores

Entre las principales referencias técnicas usadas en el desarrollo de sistemas de carga están la serie IEC 61851, sobre sistemas de carga conductiva, y la ISO 15118, sobre la comunicación entre el vehículo y la infraestructura de carga. Las normas internacionales pueden consultarse directamente en los sitios de IEC e ISO.

Sin embargo, es importante separar norma técnica de certificación obligatoria. Que exista una norma aplicable al producto no significa automáticamente que el equipo deba tener una certificación obligatoria, como la del INMETRO en Brasil o la del organismo equivalente en cada país.

Cuando el equipo incorpora interfaces de telecomunicaciones (por ejemplo Wi-Fi, Bluetooth o comunicación celular), también deben analizarse los requisitos regulatorios aplicables a los módulos e interfaces de radiofrecuencia usados. Antes de empezar el desarrollo, se recomienda hacer un relevamiento normativo específico para la configuración del producto y para el mercado donde se venderá.

Desarrollar pensando en la certificación reduce el retrabajo

Un error frecuente en productos electrónicos es desarrollar primero el equipo y analizar los requisitos normativos recién cuando el prototipo está listo. En equipos de potencia, esa estrategia puede generar cambios importantes en el hardware, la PCB, los filtros, el aislamiento, el gabinete e incluso en la arquitectura general del producto.

Lo ideal es que los requisitos de seguridad eléctrica, EMC, telecomunicaciones y comunicación se consideren desde la definición inicial de la arquitectura. Eso permite convertir los requisitos normativos en especificaciones de ingeniería y reducir el riesgo de descubrir problemas recién en los ensayos de laboratorio.

Desarrollo de electrónica para sistemas de carga

El desarrollo de cargadores para vehículos eléctricos involucra varias disciplinas de ingeniería que tienen que funcionar de forma integrada. Vea también otros proyectos de ingeniería electrónica de ECK.

ECK Ingeniería Electrónica trabaja en el desarrollo de hardware y firmware embebido, IoT y sistemas de comunicación, interfaces de sensores y control, compatibilidad electromagnética y soporte técnico para procesos de certificación. Esta experiencia puede aplicarse al desarrollo de módulos electrónicos, controladores y subsistemas para equipos de carga e infraestructura para vehículos eléctricos.

El objetivo es considerar desde el principio no solo el funcionamiento del prototipo, sino también la industrialización, la confiabilidad, la comunicación y el cumplimiento de los requisitos técnicos del producto.