Cómo una estación de autobuses reduce los costos de carga máxima en un 28 % con una pila de carga flexible de CC de 240 a 720 kW

Antecedentes del cliente

Un operador de transporte municipal de la región Rin-Ruhr gestiona una flota de 42 autobuses eléctricos de batería y recorre aproximadamente 120.000 kilómetros de servicio regular cada mes. La flota tiene su sede en un único depósito construido en 2019, donde se instalaron 30 cargadores fijos de CC de 120 kW para admitir la carga nocturna y de oportunidad.

El mandato principal del operador: mantener los autobuses en la carretera durante un mínimo de 16 horas al día, incluidos los períodos pico de la mañana y la tarde. Eso significaba que los intervalos de carga entre bloques de servicio eran tan cortos como 45 minutos. El diseño existente del cargador fijo estaba resultando demasiado rígido para estas limitaciones operativas.

El desafío: energía fija, tarifas fijas y cargadores inactivos

Cada cargador fijo de 120 kW se asignó a un único autobús. Cuando los autobuses regresaron en oleadas después del servicio matutino y vespertino, muchos cargadores permanecieron inactivos mientras se formaba una cola en los activos. Un autobús con un estado de carga del 40 % todavía necesitaba 1,5 horas con un cargador de 120 kW, demasiado tiempo para una escala de 45 minutos.

Debido a que la conexión a la red del depósito estaba limitada a 600 kW de carga simultánea, llevar más energía al patio habría requerido un nuevo transformador y un largo proceso de obtención de permisos, con un costo estimado de 180 000 dólares. Mientras tanto, el operador intentó dos soluciones:

• Programar manualmente los autobuses para evitar competir por la energía, lo que retrasó los horarios de salida y redujo la puntualidad.
• Programar los cargadores existentes para limitar la producción durante los picos de demanda, pero eso solo extendió los tiempos de carga y dejó a los autobuses con carga insuficiente para el siguiente bloque.

La consecuencia directa fue un creciente número de fricciones operativas: colas, salidas perdidas y cargos mensuales por demanda que constantemente alcanzaban los 24.000 dólares. El equipo necesitaba una arquitectura de carga que pudiera adaptar la asignación de energía en tiempo real a donde fuera necesaria, no un conjunto de salidas fijas.

Por qué la pila de carga flexible de CC de 240 a 720 kW

El operador evaluó dos alternativas antes de decidirse por la pila de carga flexible de CC de 240 a 720 kW de Soutya.

La primera alternativa fue agregar un segundo transformador e implementar más cargadores fijos de 120 kW. Ese enfoque eliminaría las colas, pero aún dejaría muchos cargadores inactivos durante el mediodía, y la sola actualización de la red consumiría todo el presupuesto anual de energía.

La segunda alternativa era un cargador central de alta potencia con una matriz de interruptores mecánicos que podía conectar un bus a la vez. Resolvió el problema del poder compartido, pero creó un nuevo cuello de botella: una sola interrupción en el sistema de conmutación paralizaría todo el depósito.

La pila de carga flexible de Soutya destacó por tres motivos:

• Asignación dinámica de energía:Una sola unidad de 600 kW puede dividir su potencia entre seis y ocho puntos de carga, proporcionando a cada autobús solo la energía que necesita en ese momento. La asignación se actualiza en tiempo real sin intervención manual.
• Escalabilidad modular:La pila está construida a partir de módulos de potencia intercambiables. Si la flota crece, el operador puede agregar módulos sin reemplazar toda la unidad.
• No se requiere actualización de la red:Debido a que la pila puede imponer una carga total máxima configurable, cabe dentro de la conexión de red existente de 600 kW, evitando el proyecto de transformador de $180,000.

Implementación: implementación por fases y gestión de carga dinámica

El proyecto se completó en seis semanas, desde la firma del contrato hasta su plena operación. La implementación tuvo cuatro pasos:

1. Estudio del sitio y mapeo de diseño.El equipo trazó un mapa de las posiciones de estacionamiento de autobuses, las rutas de los cables y la capacidad de los cuadros de distribución existentes para determinar el número óptimo de tomas de carga por pila.
2. Instalación de cuatro pilotes de 600 kW,cada uno configurado con ocho conectores para un total de 32 puntos de carga. Los pilotes se colocaron entre las filas de estacionamiento para minimizar la longitud y las pérdidas de los cables.
3. Integración con el sistema de gestión de depósitos.La asignación de energía de la pila se vinculó a la base de datos de programación de vehículos para que los autobuses con horarios de salida más tempranos recibieran energía prioritaria.
4. Formación del personal.Los operadores de carga recibieron capacitación sobre cómo leer los gráficos de asignación de energía y sobre qué hacer en el raro caso de un error de conexión.

Un desafío clave surgió durante la segunda semana. La sala eléctrica existente del depósito no podía acomodar el equipo de medición y protección contra sobretensiones adicional requerido para las nuevas pilas sin una pequeña reconfiguración. El problema se resolvió instalando un tablero de subdistribución compacto y moviendo las cargas eléctricas de respaldo a una fase diferente: una obra civil menor que agregó cuatro días al cronograma.

Resultados cuantificables: entregas más rápidas, menores tarifas de demanda, menos colas

Los datos operativos de los primeros tres meses de funcionamiento de las pilas de carga flexibles de Soutya mostraron mejoras mensurables en todos los ámbitos.

• El tiempo de carga por autobús se redujo un 38%.El promedio de una batería de 200 kWh cayó de 4,5 horas a 2,2 horas, porque la pila podía concentrar 240 kW en un solo autobús cuando el estacionamiento estaba medio vacío.
• Los cargos por demanda máxima disminuyeron un 28%,de $24.000 a $17.300 mensuales. El algoritmo de limitación de carga de la pila mantuvo el consumo total del depósito por debajo del umbral de 600 kW incluso cuando 20 autobuses cargaban simultáneamente.
• La utilización de la carga aumentó del 47% al 78%.Debido a que la energía se distribuye de manera flexible, un autobús que llega a las 2:00 p. m. puede cargarse a plena potencia mientras un autobús programado para salir a las 6:00 p. m. espera su turno.
• Se evitó la mejora de la red por valor de 180.000 dólares.El costo del proyecto, incluidos los cuatro pilotes y la instalación, ascendió a aproximadamente $96 000, lo que significa que el período de recuperación fue de más de un año basándose únicamente en los ahorros en los cargos por demanda.

El impacto más amplio fue visible en el cumplimiento del cronograma: el número de autobuses que salían de la estación con menos del 90% de estado de carga cayó de 12 a 2 por semana, y la tasa de salidas puntuales de la flota mejoró del 92% al 98%.

Testimonio del cliente

El director de operaciones del depósito lo expresó en términos sencillos:

"La pila flexible no ofrece una carga más rápida; nos devuelve el control sobre nuestro horario. Ya no tengo que decidir qué autobús carga primero. La energía llega a donde se necesita, y eso ha cambiado la forma en que planificamos todos nuestros turnos".

Otro supervisor de mantenimiento añadió: "El diseño modular significa que podemos mejorar la capacidad sin necesidad de desmontar la instalación existente. Eso no era posible con nuestras antiguas unidades fijas".

Lecciones para otras flotas y operadores de carga

De este proyecto surgieron tres lecciones replicables:

1. Haga coincidir la configuración de la pila con los horarios reales de los autobuses, no con la potencia máxima.La estación consideró un modelo de 720 kW, pero las unidades de 600 kW con 32 salidas se adaptan mejor a la rotación de autobuses y cuestan menos. Comprender la superposición máxima de los tiempos de devolución es más valioso que comprar la unidad más grande posible.
2. Utilice el algoritmo de asignación de energía desde el primer día.El valor predeterminado de fábrica está configurado para un escenario genérico. El rendimiento del depósito mejoró sólo después de que configuraron las prioridades de asignación para que coincidieran con los horarios de salida y el estado de carga de la batería.
3. Planifique el crecimiento de la flota eligiendo una unidad modular.Si el operador añade otros 10 autobuses, podrá insertar módulos de energía adicionales en las pilas existentes. Un cargador fijo requeriría una instalación completamente nueva y otra conexión a la red.

La mayor sorpresa para el equipo fue cómo el cambio en el comportamiento de carga afectó sus operaciones generales. El cambio de un modelo de energía fija a uno basado en la demanda ahorró dinero, mejoró el desempeño puntual y eliminó una fuente diaria de estrés del personal.

Referencias

Para los operadores que evalúan pilas de carga flexibles de CC, los siguientes estándares de la industria brindan un contexto útil sobre seguridad y rendimiento:

• EN 50620:2017 – Cables eléctricos para carga de vehículos eléctricos, que define la flexibilidad del cable, la resistencia a la intemperie y los requisitos de voltaje para sistemas de CC de 0,6/1 kV.
• Serie IEC 62196: enchufes, tomas de corriente y conectores de vehículos para carga conductiva de vehículos eléctricos, que cubren requisitos de interfaz de CA y CC (incluidos CCS y CHAdeMO).
• UL 1699B – Protección de circuitos fotovoltaicos (PV) contra fallas de arco de CC, una referencia para los métodos de detección de fallas de arco de CC utilizados en sistemas de carga de CC de alta potencia.