Cargadores de coches eléctricos: Estrategias de control

cargadores de coches eléctricos

El futuro de la movilidad

La creciente preocupación por el impacto medioambiental de los coches tradicionales, así como nuestra excesiva dependencia de los combustibles fósiles hacen necesaria la búsqueda de vehículos alternativos. En los últimos años, el coche eléctrico se ha postulado como la opción más interesante. De hecho, la proporción de vehículos eléctricos (VE) lleva aumentando aproximadamente un 60% interanual desde 2014, principalmente debido a la ingente cantidad de ventas de VE en China, más de 1 millón de unidades en 2018[1].

De hecho, numerosos gobiernos han estado manifestando su interés en facilitar el acceso del público a esta tecnología. No hay más que fijarse en las leyes aprobadas por Jerry Brown, gobernador de California, en enero de 2018, cuyo objetivo es llegar a un 100% de vehículos libres de emisiones en 2030[2]. Más cerca tenemos el ejemplo de Noruega, líder mundial en uso de vehículos eléctricos enchufables (constituyen casi el 50% de las ventas de vehículos nuevos desde 2018[3]), o incluso España, donde la venta de los VE lleva aumentando de forma estable en los últimos 5 años, gracias en parte al plan VEA[4]

 No obstante, los VE todavía tienen que hacer frente a una serie de desafíos para poder posicionarse como una alternativa sólida al coche de gasolina, notablemente: el precio de la carga, la autonomía y la longevidad de la batería. En lo que a la autonomía de la batería respecta, ya hay una cantidad significativa de investigaciones y prototipos en fase de desarrollo centrados en mejorarla, que utilizan tecnologías muy diversas como el uso de baterías de Li-S con sándwich de grafeno[5], la incorporación de electrodos de Ni-Sn a las baterías de ion litio ya existentes[6] o incluso la utilización de material orgánico en baterías de Li-O2[7]. Aunque sobre el papel todas estas tecnologías resultan muy interesantes, su dependencia de nanomateriales seguramente retrase su entrada en el mercado debido a la dificultad de su producción en masa.

La necesidad de los cargadores de coches eléctricos inteligentes

Aunque la batería es uno de los elementos con mayor margen de mejora dentro del VE, existe otro elemento cuyo potencial sigue principalmente inexplorado y que podría tener un impacto más inmediato: el cargador. Hoy en día, los cargadores de coches eléctricos funcionan conectándose a la red y aportando la mayor cantidad de energía posible a la batería en el momento. Esta estrategia puede resultar ineficiente por varios motivos. 

Por un lado, la eficiencia de los convertidores CA/CC (Corriente Alterna a Corriente Continua, AC/DC en inglés) es variable según el nivel de potencia que esté convirtiendo. Por otro lado, la longevidad de una batería está íntimamente relacionada con el perfil de corriente con el que es cargada, fenómeno que no se considera al emplear esta estrategia de carga. Finalmente, en el caso del propietario que carga su vehículo en casa, no se está teniendo en cuenta la variabilidad del precio de la electricidad a lo largo del día, lo cual puede repercutir en su bolsillo en función del momento en el que ponga el coche a cargar y cuándo desee que esté cargado. 

Con la creciente presencia de las tecnologías de IoT en el mercado (estamos hablando de una industria que generó 190 mil millones de dólares en 2018 y que se espera que crezca aproximadamente un 13% interanual[8]), la posibilidad de crear cargadores de coches eléctricos inteligentes que sean capaces de ser controlados remota o localmente a fin de optimizar los precios de carga, la eficiencia y la longevidad de la batería es cada vez más real.

Qué se ha hecho hasta ahora

En el ámbito académico se han formulado ya numerosas posibilidades de control de carga del vehículo eléctrico, generalmente en el contexto de operadores de red o propietarios de grandes flotas de vehículos. Las técnicas empleadas aquí son muy diversas, desde la programación cuadrática[9], pasando por el control directo de carga (Direct Load Control, DLC)[10] e incluso la programación lineal [11]

Pese a lo prometedor de estas estrategias de control, la mayoría sugieren controles centralizados pensados para optimizar parámetros de interés para el operador de red (como por ejemplo la estabilidad de red o la reducción de las pérdidas), que no suelen ser la mayor preocupación de los usuarios. Esto requiere tanto un operador central que asigne los perfiles de carga como que los consumidores se sometan a que otro agente decida la carga de su coche por ellos, lo cual de acuerdo con investigaciones acerca de propietarios de VE[12], no será siempre posible.

En respuesta a esto, se han desarrollado algunas estrategias de control locales centradas en minimizar costes para el usuario[13][14], pero el interés que despiertan es menor que sus contrapartes centralizadas. Además, muy pocas estrategias locales propuestas tienen en cuenta parámetros más allá del precio de la carga, como podrían ser la eficiencia del cargador o el impacto del perfil de carga en la vida de la batería.

Por otro lado, en el ámbito comercial ya existen algunas empresas que apuestan por esta nueva forma de cargar vehículos. Tenemos, por ejemplo, empresas como la británica Intellicharge o la chilena Voltio. Ambas empresas ofrecen soluciones para puntos de recarga que van más allá de la mera instalación del aparato. A grandes rasgos, ofrecen puntos de carga inteligentes capaces de implementar estrategias de control de carga dirigidas a minimizar los costes de carga. En el caso de Intellicharge, también ofertan la posibilidad de incorporarse al programa de respuesta del lado de la demanda (Demand Side Management, DSM) del Reino Unido, lo cual daría derecho al consumidor a una remuneración adicional. Estas dos empresas proveen, en principio, estrategias de control más locales.

Perspectivas de futuro

Con la transición de redes convencionales a redes inteligentes (Smart Grids) cada vez más cerca, resulta cada vez más evidente que los vehículos eléctricos jugarán un papel fundamental en lo que a estabilidad de red se refiere. Al mismo tiempo, los usuarios de coches eléctricos querrán emplear estrategias de control que les permitan cargar al menor coste posible al tiempo que mantienen su VE en condiciones óptimas. La inclusión de tecnología Vehicle-to-Grid (V2G) en los VE permitiría que no sólo absorban energía de la red, sino que también puedan inyectar energía, lo cual a su vez lograría aplanar las curvas de demanda del sistema, resultando en enormes mejoras en su operación. Para que todas estas tecnologías puedan trabajar de forma armoniosa, no podemos seguir empleando cargadores como los actuales, sin ningún tipo de control. Por lo tanto, la necesidad de estrategias de control para cargadores de coches eléctricos resulta innegable.

Cuéntanos las últimas novedades de cargadores de coches eléctricos y descubre qué mas puede hacer ennomotive por ti.

 

Referencias

[1] N. M. Patrick Hertzke, Patrick Schaufuss, Stephanie Schenk, Ting Wu, «Expanding electric-vehicle adoption despite early growing pains,» McKinsey & Company, 2019.

[2] T. W. Post, «California Gov. Jerry Brown unveils $2.5 billion plan to boost electric vehicles,» ed, 2018.

[3] N. M. Patrick Hertzke, Stephanie Schenk, Ting Wu, «The global electric-vehicle market is amped up and on the rise,» 2018.

[4] J. J. Castells, «Plan VEA: las ayudas llegarían a inicios de 2019 a través de las comunidades autónomas,» ed: Híbridos y Eléctricos, 2018.

[5] G. Zhou, S. Pei, L. Li, D.-W. Wang, S. Wang, K. Huang, et al., «A Graphene–Pure-Sulfur Sandwich Structure for Ultrafast, Long-Life Lithium-Sulfur Batteries,» Advanced Materials, vol. 26, pp. 625-631, 2014.

[6] J. Hassoun, S. Panero, P. Simon, P. L. Taberna, and B. Scrosati, «High-Rate, Long-Life Ni–Sn Nanostructured Electrodes for Lithium-Ion Batteries,» Advanced Materials, vol. 19, pp. 1632-1635, 2007.

[7] D. Oh, J. Qi, Y.-C. Lu, Y. Zhang, Y. Shao-Horn, and A. M. Belcher, «Biologically enhanced cathode design for improved capacity and cycle life for lithium-oxygen batteries,» Nature Communications, vol. 4, p. 2756, 11/13/online 2013.

[8] M. P. Fredrik Dahlqvist, Alexander Rajko, Jonathan Shulman, «Growing opportunities in the Internet of Things,» McKinsey & Company, 2019.

[9] K. Clement-Nyns, E. Haesen, and J. Driesen, «The Impact of Charging Plug-In Hybrid Electric Vehicles on a Residential Distribution Grid,» IEEE Transactions on Power Systems, vol. 25, pp. 371-380, 2010.

[10] P. Sanchez-Martin, G. Sanchez, and G. Morales-Espana, «Direct Load Control Decision Model for Aggregated EV Charging Points,» IEEE Transactions on Power Systems, vol. 27, pp. 1577-1584, 2012.

[11] M. A. López, S. de la Torre, S. Martín, and J. A. Aguado, «Demand-side management in smart grid operation considering electric vehicle load shifting and vehicle-to-grid support,» International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 64, pp. 689-698, 2015/01/01/ 2015.

[12] P. Grahn and L. Söder, «The customer perspective of the electric vehicle’s role on the electricity market,» in 2011 8th International Conference on the European Energy Market (EEM), 2011, pp. 141-148.

[13] C. Jin, J. Tang, and P. Ghosh, «Optimizing Electric Vehicle Charging: A Customer’s Perspective,» IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 62, pp. 2919-2927, 2013.

[14] Maigha and M. L. Crow, «Cost-Constrained Dynamic Optimal Electric Vehicle Charging,» IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 8, pp. 716-724, 2017.

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