Carga bidireccional de vehículos eléctricos

La carga bidireccional permite que un vehículo eléctrico exporte energía eléctrica además de recibirla. La capacidad útil depende del destino de esa energía: una carga portátil, otro vehículo, un edificio aislado o la red eléctrica pública.

Los nombres definen sistemas diferentes

«V2X» es un término general. Los casos de uso habituales no son intercambiables:

V2L — del vehículo a una carga: el vehículo alimenta aparatos o herramientas mediante una toma de corriente integrada o un adaptador.
V2V — de vehículo a vehículo: un vehículo suministra energía a otro, normalmente con una potencia limitada.
V2H — del vehículo a la vivienda: el vehículo alimenta una vivienda, por lo general mediante equipos de transferencia y aislamiento.
V2B — del vehículo al edificio: el vehículo presta apoyo a una instalación mayor o a circuitos seleccionados de un edificio.
V2G — del vehículo a la red: el vehículo exporta mientras está sincronizado con la red pública bajo el control de la compañía eléctrica y del mercado.
V1G o carga gestionada: la energía continúa fluyendo únicamente hacia el vehículo, pero se controlan el momento o la velocidad para prestar apoyo a la instalación o a la red.

V2L puede no necesitar ninguna instalación fija aparte de la toma homologada del vehículo. V2H y V2B requieren una integración segura con el edificio. V2G añade interconexión con la red, autorización, telemetría y un servicio o una tarifa viables.

Dos arquitecturas de conversión principales

La batería de tracción almacena energía de DC. La energía exportada puede convertirse en el vehículo o fuera de él.

Exportación de AC a bordo

Un inversor bidireccional integrado genera AC en el vehículo. Esa AC puede alimentar:

Una toma instalada de fábrica
Un adaptador para el conector con una o varias tomas
Un puerto de carga de AC compatible
Un sistema fijo de integración con la vivienda

Esto puede reducir la cantidad de electrónica de potencia necesaria en el equipo externo, pero el vehículo debe proporcionar una tensión y una frecuencia con calidad de red, protección, limitación de corriente y el modo de funcionamiento previsto.

Conversión externa de DC

Un cargador bidireccional de DC se conecta a la batería de tracción mediante la interfaz de DC del vehículo y contiene el inversor que genera AC. Puede prestar servicio a una vivienda, un edificio o la red mientras mantiene estacionaria una mayor parte del hardware de conversión.

El vehículo, el cargador, el protocolo de comunicación y la instalación deben admitir la misma implementación de exportación. Un coche anunciado con V2L no es compatible automáticamente con un wallbox bidireccional de DC, y una toma compatible con las normas no demuestra que el software del vehículo habilite V2G.

V2L: energía portátil

V2L es el caso de uso de exportación menos complejo porque alimenta cargas locales en lugar de funcionar en paralelo con la red. Las implementaciones habituales ofrecen una toma de tipo doméstico dentro del habitáculo, en una zona de carga o mediante un adaptador en la toma de carga.

La potencia de V2L está limitada por el inversor, la tensión de salida y la corriente del vehículo. La corriente de arranque de los motores, los compresores, las bombas, los calefactores y las herramientas eléctricas puede superar su consumo en funcionamiento. Importan tanto los límites continuos indicados como los de corta duración.

No alimente una vivienda en sentido inverso a través de una toma de pared común. Un sistema V2H homologado debe impedir que el vehículo energice las líneas de la compañía eléctrica durante una interrupción del suministro y debe gestionar el neutro, la puesta a tierra, la protección contra fallos y la transición entre el funcionamiento conectado a la red y el funcionamiento aislado.

V2H y V2B: una batería móvil de respaldo

Un sistema para edificios suele incluir:

Un vehículo bidireccional compatible
Un EVSE o una unidad de conversión de potencia compatible
Un conmutador de transferencia o una pasarela de aislamiento de la red
Circuitos protegidos para cargas críticas o una conexión para todo el edificio
Medición y controles de energía
Un ajuste del estado de carga de reserva
Puesta en servicio conforme a las normas eléctricas y de interconexión locales

Cuando falla la red, el sistema debe desconectar el edificio de la compañía eléctrica antes de formar una isla eléctrica local. Este límite antiisla protege al personal que trabaja en las líneas e impide una reconexión descontrolada. Cuando vuelve la alimentación de la red, deben gestionarse la tensión, la frecuencia y la transferencia antes de reanudar el funcionamiento normal.

La potencia de respaldo y la energía de respaldo responden a preguntas diferentes. La potencia determina qué cargas pueden funcionar simultáneamente; la energía determina durante cuánto tiempo pueden hacerlo.

Considere, a modo de ejemplo, una batería de 75 kWh en la que el conductor reserva un 30% para la movilidad y deja otro 10% para las pérdidas de conversión y el margen operativo. Quedan unos 45 kWh para las cargas. Con una media de 1 kW, esto representa aproximadamente 45 horas; con 5 kW, unas 9 horas. Los resultados reales varían según la eficiencia del inversor, el consumo en espera, la temperatura, los límites del vehículo y los cambios en la demanda doméstica.

Las cargas grandes pueden superar la potencia de exportación incluso cuando queda mucha energía. Una vivienda puede necesitar desconectar cargas como la calefacción por resistencia, el calentamiento eléctrico de agua, la cocina, el aire acondicionado o varios motores.

V2G: exportación mientras se está conectado a la red

V2G no es simplemente V2H con el conmutador de transferencia cerrado. La exportación en paralelo con la red debe sincronizarse con el sistema eléctrico y cumplir los requisitos locales sobre tensión, frecuencia, factor de potencia, protección antiisla, respuesta ante fallos y control remoto.

El conjunto completo puede incluir:

La certificación del vehículo y del cargador bidireccional
La revisión de la interconexión por parte de la compañía eléctrica y la autorización para operar
Una tarifa o un programa de mercado que permita la exportación
Un agregador que coordine muchos vehículos
Los horarios del conductor, la reserva mínima y las necesidades de salida
Comunicaciones y medición seguras
Compensación por energía, capacidad, respuesta a la demanda o servicios de red

La lista de equipos de la California Energy Commission ilustra la diferencia entre capacidad técnica y autorización: los equipos incluidos pueden admitir el funcionamiento bidireccional, pero el cliente sigue necesitando completar el proceso de interconexión de la compañía eléctrica y obtener su autorización antes de exportar.

V2G puede responder más rápido que un conductor humano y agregar muchos vehículos estacionados. Sin embargo, su disponibilidad es incierta porque los coches se desplazan. Un servicio de red debe respetar la misión principal de transporte y no puede suponer que todas las baterías inscritas estén conectadas.

El conjunto de normas

Ninguna norma por sí sola crea un sistema bidireccional completo.

ISO 15118-20 define los mensajes y las secuencias de comunicación entre el vehículo y el EVSE para la transferencia bidireccional de energía.
OCPP 2.1 incorpora funciones entre el cargador y el sistema de gestión para la carga bidireccional y el control de recursos energéticos distribuidos.
UL 9741/CSA 348 abarca los equipos bidireccionales de exportación de energía para vehículos eléctricos en Norteamérica.
UL 1741 y los códigos de red locales abordan el comportamiento del inversor y de la interconexión en las aplicaciones norteamericanas correspondientes.
Las normas nacionales sobre instalaciones eléctricas, los procedimientos de las compañías eléctricas, las tarifas, los requisitos de ciberseguridad y las homologaciones de productos completan los límites de la instalación.

La compatibilidad con las normas reduce el riesgo de integración, pero no demuestra la interoperabilidad de extremo a extremo. El software del vehículo, el firmware del cargador, los ecosistemas de certificados, la implementación del sistema central y las normas de la compañía eléctrica también deben estar alineados.

Eficiencia, coste y uso de la batería

Cada ciclo completo pierde energía. La AC de la red puede convertirse en DC para la batería durante la carga y de nuevo en AC durante la exportación, con consumos adicionales del vehículo, el cable, los sistemas térmicos y el modo de espera. Un cálculo de arbitraje de precios debe incluir:

El precio de importación y la compensación por exportación
La eficiencia del ciclo completo
Los cargos de red y por demanda
El hardware y la instalación necesarios
Los pagos por disponibilidad del programa
El valor de la energía de respaldo
El flujo de energía a través de la batería

La degradación de la batería no puede reducirse a «V2G es perjudicial» o «V2G es gratis». El flujo adicional de energía consume parte de la vida útil en ciclos de una batería, mientras que la temperatura, el intervalo del estado de carga, la corriente, el tiempo a un estado de carga elevado y la química de las celdas influyen en el resultado. La exportación gestionada puede evitar a veces un almacenamiento prolongado con un SOC alto, pero el resultado depende de la estrategia de control.

Los conductores deben establecer una reserva para la movilidad y revisar la garantía del vehículo y las condiciones de V2X. El envejecimiento de la batería, la reparación, la segunda vida y el reciclaje se explican en EV Battery Lifecycle; los límites de la garantía se tratan en EV Battery Warranty.

Qué deben comprobar los compradores

Que un producto esté «preparado para carga bidireccional» no es suficiente. Pregunte por el caso de uso y el mercado exactos que admite:

¿V2L, V2H, V2B, V2G o únicamente carga unidireccional gestionada?
¿Exportación de AC o de DC?
¿Potencia continua y de pico a la tensión local?
¿Combinación homologada de vehículo, EVSE, pasarela y software?
¿Funcionamiento para toda la vivienda o para cargas críticas seleccionadas?
¿Respaldo manual, transferencia automática o servicio en paralelo con la red?
¿Controles de reserva mínima y hora de salida?
¿Capacidad de arranque en negro después de un fallo de la red?
¿Funcionamiento cuando no hay internet o no está disponible la nube del proveedor?
¿Instalador local, certificación del producto, autorización de la compañía eléctrica y tarifa?
¿Qué tratamiento da la garantía a la energía exportada?

El conector es solo una parte de la respuesta; consulte EV Charging Connectors and Inlets. Los límites completos del sistema de carga se explican en EV Charging: The Complete System.