Cargador de vehículo eléctrico.

   Introducción:

    En estos tiempos en los que parece que ya no sabemos diseñar nada sin un microcontrolador, he decidido prescindir de él y diseñar un cargador de coches eléctricos con electrónica analógica, que no requiere programación ni descargas de firmware, enchufar y listo.

    Plug & Play, llevo cargando mi coche con este dispositivo todos los días desde hace más de un mes, sin configuraciones, sin ajustes, sin tocarlo, y por eso lo publico, porque es sencillo y barato. Es además un homenaje a mi padre, capaz de desarrollar un circuito analógico sobre una placa de cualquier otro circuito como soporte, a base de prueba y error, dedicando horas sin descanso y sin apenas base teórica, autodidacta, con una perseverancia que me sirve de ejemplo y me guía cuando las pruebas fallan.

    Dicen que la necesidad agudiza el ingenio, y en este caso la necesidad se produjo por una avería intermitente en el cargador que tenía instalado en el garaje.

    A veces llegaba por la mañana y tenía un mensaje en el coche de "carga detenida", y el coche no había completado la carga; el cargador que tenía no me daba ninguna información y yo no podía saber qué le pasa, una electrónica súper compleja y nada que se pudiera ver a simple vista. Como no hay esquemas, no hay manera de averiguar porqué a veces se detiene la carga.

    Investigando un poco por internet, te puedes encontrar con la descripción del estándar de carga de los vehículos eléctricos que se describe en Wikipedia, y siguiendo la descripción del funcionamiento que aquí se hace, he construido un cargador que os describo a continuación.

    Como se puede ver en la foto, el cargador se compone del circuito controlador, una fuente de alimentación (descritos en este artículo), y un contactor de 40A. Adicionalmente hay un amperímetro para ver qué intensidad está entregando al coche cuando está cargando, aunque esto no es imprescindible.

    He realizado pruebas de carga hasta 24A, que son 5,5KW  porque es el máximo que tengo contratado por la noche, pero, en principio, no tendría más límite que el que imponga el cálculo de las secciones y protecciones eléctricas del circuito de potencia, cableado, contactor, enchufe del cargador y protecciones del cuadro eléctrico donde se conecta el cargador.

    Aquí se pueden ver pruebas de carga a 8A, a 16A y a 24A. Normalmente lo tengo regulado para 20A y así dejo algo de potencia para uso en casa.

    De todas maneras, la configuración de carga del coche prevalece sobre esta, de tal forma que, si lo cargo durante el día, lo pongo a 16A en el coche y no llega así a 3,5KW que es el límite que tengo contratado durante el día.

    

Esquema completo:

    Estoy trabajando en el diseño de una placa de circuito impreso que voy a encargar a un fabricante para hacer un montaje profesional. Cuando tenga la placa lista la publicaré también. Aquí os dejo una vista 3D de la placa que estoy diseñando:

    Descripción del circuito:

•     La primera parte del circuito es un generador de onda cuadrada 0-12V capaz de modular una señal PWM; en este caso, es un sencillo circuito configurado alrededor de un clásico timer NE555, del que hay infinidad de ejemplos en internet:

 

 

  La frecuencia es fija de 1KHz, el potenciómetro RV1 regula el ancho del impulso, y con este ancho se regula la potencia máxima de carga que puede entregar el cargador, como se describe en el estándar SAE J1772.

    Posiblemente este bloque del 555 será una de las partes a mejorar en el diseño de futuras versiones. Sustituí la resistencia R11 por una resistencia variable de 2K que me da un ajuste fino de la frecuencia porque al variar el PWM varía un poco la frecuencia. En este punto es donde un microcontrolador presentaría claras ventajas.

•     La siguiente etapa es el comparador que convierte la onda cuadrada anterior, de 0-12V a una onda simétrica de -12V-+12V, para eso ataca a un comparador en saturación contra un valor de 6V que sale del divisor de tensión R17-R18:

Así tenemos en la salida del operacional la onda cuadrada que varía entre -12V y +12V y genera la señal que a través de R19 se conecta al cable PILOT directamente al coche. Esta etapa se ha resuelto con un operacional LF353 porque el uA741 que había probado en un principio era demasiado lento y los flancos de subida y bajada no eran verticales. 

•  Esta señal de PILOT se conecta al coche y sufre recortes según las necesidades del vehículo. Estos recortes son los que ha de detectar el cargador para actuar en consecuencia, de esta manera y aprovechando que el LF353 tiene dos operacionales, uso el segundo para tratar la señal de PILOT:

Básicamente es un seguidor de emisor para no cargar la señal y un rectificador con un filtro para tener el valor de pico de la señal PILOT en la salida SENS; el diodo rectificador es un Schottky por tener una menor caída de tensión y así obtener valores más cercanos a los de pico.

• Cuando el vehículo reconoce el cargador conectado, produce un recorte en el semiciclo positivo de unos 3V. La onda generada antes de conectar el coche es la de la foto siguiente:

                                    

                Una vez que se conecta el coche, la onda se recorta y queda así:

    

        Entonces hay que detectar cuándo el voltaje de pico del semiciclo positivo está entre 9±1V; como hay que detectar dos márgenes de tensión, necesitamos cuatro amplificadores operacionales, configurados como comparadores de ventana, el LM339 ya incluye en un único encapsulado los cuatro operacionales.

    El primer comparador se configura como en el esquema siguiente:

    

• Cuando el vehículo decide que quiere recibir carga, recorta nuevamente el semiciclo positivo otros 3V o si quiere carga ventilada, 6V.  De este modo hay que configurar el otro comparador de ventana para detectar esta situación. En situación de carga la onda queda así:

    El comparador además de indicar la situación con un LED, comanda un relé que a su vez alimenta el contactor:

    Una vez que el detector se activa, se cierra el relé y este activa el contactor que conecta la alimentación eléctrica de potencia al coche directamente y arranca la carga. Esta carga estará limitada por el ancho del impulso PWM o por la configuración de potencia de carga máxima del coche, la menor de las dos. La carga se interrumpirá cuando la batería llegue a su máximo o el coche comunique que necesita desconectarse de la red por algún motivo; cambiará los valores de voltaje de la onda que serán detectados por el circuito anterior, lo que provocará que se abra el relé y a su vez el contactor, desconectando la red eléctrica del coche.

 

            Y finalmente, deciros que creo que en cuanto tenga algo de tiempo me podré a desarrollar otro cargador con un microcontrolador. Hay muchas razones para ello y una de ellas, derivada de la experiencia con este circuito, es la estabilidad en frecuencia del generador de onda cuadrada y del PWM; como decía más arriba, cambiar la modulación del ancho del impulso provoca variaciones en la frecuencia.

            Hay generadores de formas de onda con pantalla LCD en el mercado muy baratos, con uno de estos también se puede hacer el montaje y sustituir el primer bloque (el del NE555) por uno de estos que os dejo en el ejemplo.

    Con respecto al amperímetro, he utilizado este  Amperimetro.

    Hasta la próxima!

P.D: Para aquellos que me están preguntando: el cargador ha de conectarse a un cuadro eléctrico que disponga de las protecciones necesarias, magnetotérmico, diferencial, supresor de sobretensiones.

Este es el mio:

Incluye además un contador de carril DIN para ver la energía que va entregando al coche.