¿Cuánta potencia necesita un depósito de camiones eléctricos? Dimensionamiento a partir de kWh por día y tiempo de permanencia

Los depósitos de flotas suelen dimensionarse al revés. Alguien cuenta las bahías, las multiplica por la capacidad de un surtidor y llega a una acometida que no se puede construir o que es tres veces mayor de lo que los camiones consumirán. Un depósito es primero un problema de energía: los camiones necesitan recuperar una cantidad fija de kilowatts-hora antes del despacho, y la pregunta es qué potencia mueve esa energía dentro de la ventana que permite el horario. Treinta tractocamiones Clase 8 que recorren 180 millas al día a 2.0 kWh/mi requieren 10,800 kWh en las baterías, 11,612.9 kWh en el medidor y 1,451.6 kW promedio en una ventana de 8 horas: un transformador de 2,000 kVA. La suma de las placas de sus surtidores dice 2,500 kVA, y NEC 625.42 convierte esa cifra mayor en la carga de código a menos que un controlador la limite. Estas son las reglas detrás de la calculadora de capacidad de servicio para recarga de VE.

¿Por qué un depósito se dimensiona por energía y no por la placa de los cargadores?

Una estación pública es un problema de potencia: las llegadas son aleatorias, así que cada surtidor debe entregar su capacidad nominal bajo demanda. En un depósito se conocen los vehículos, el kilometraje y las horas de estacionamiento. La energía manda y la potencia se deriva de ella.

La energía diaria proviene del ciclo de trabajo. La revisión del National Center for Sustainable Transportation sobre estudios de camiones eléctricos de baterías ubica el consumo de largo recorrido a corto plazo entre 1.3 y 3.8 kWh/mi, reduciéndose a 1.3–2.5 a largo plazo, con los escenarios de NREL en 2.46 y 2.51 kWh/mi para tractocamiones de 2018. Un valor de diseño de 2.0 kWh/mi queda dentro de esa banda.

Dos artículos complementarios comparten la relación P = N × E ÷ (η × t). Dimensionar un sitio sin ampliar la acometida toma E como dato (18 kWh en un estacionamiento de 200 espacios con carga de nivel 2); aquí E se deriva de millas y kWh/mi, que es lo que cambia cuando los vehículos son tractocamiones. Qué necesita un sitio de carga rápida en CC convierte los kW de salida de la carga rápida en CC en kVA de entrada en CA para una estación pública, donde no aplica ningún argumento de tiempo de permanencia.

¿Qué exigen NEC 625 y la Sección 86 del CEC?

NEC 625.42 hace continuo cada surtidor, así que la carga sin gestión es la suma de las placas sin diversidad. 625.42(A) es la única salida.

Ejemplo resuelto: 30 tractocamiones Clase 8 en una ventana nocturna de 8 horas

Un depósito de transporte regional en las afueras de Toronto. Treinta tractocamiones, 180 mi/día, 2.0 kWh/mi, en el patio a las 20:00 y despachados a las 04:00. Primario de la compañía eléctrica de 13.8 kV, secundario de 480Y/277 V, surtidores de CC de 160 kW con capacidad nominal en la salida de CC. Se supone una eficiencia de entrada en CA a salida en CC de 0.93 promedio por sesión (el cargador ultrarrápido en CC Rocket tiene una eficiencia nominal de hasta 95.5 % en su punto máximo, por lo que 0.93 es una reducción deliberada) y un factor de potencia de 0.99, ambos por confirmar en la hoja de datos junto con la tensión de entrada en CA del surtidor. El artículo sobre estaciones de CC usa η = 0.95, lo que da un piso de 1,421.1 kW y 1,701.2 kVA para diez surtidores: una diferencia de 2.1 % que cae en las mismas capacidades nominales.

1. Energía entregada a los camiones. 30 × 180 × 2.0 = 10,800 kWh de energía en CC por noche.
2. Energía en el medidor. 10,800 ÷ 0.93 = 11,612.9 kWh. Los 812.9 kWh de pérdidas no son opcionales.
3. Potencia promedio en CA durante la ventana. 11,612.9 ÷ 8 h = 1,451.6 kW: el piso de energía; ningún controlador ni tarifa baja de esa cifra mientras los camiones recorran 180 mi.
4. Potencia aparente al 80 % de carga. 1,451.6 ÷ (0.99 × 0.80) = 1,832.8 kVA.
5. Subir al siguiente valor de la escala ANSI/IEEE. La siguiente capacidad trifásica estándar es de 2,000 kVA.
6. Cantidad de surtidores. Cada tractocamión necesita 360 kWh, o 360 ÷ 160 = 2.25 h. Ocho horas admiten floor(8 ÷ 2.25) = 3 sesiones completas por surtidor, así que 30 ÷ 3 = 10 surtidores.
7. La carga de código sin gestión. Diez surtidores de 160 kW suman 1,600 kW en CC, o 1,600 ÷ 0.93 ÷ 0.99 = 1,737.8 kVA en la entrada de CA. Según 625.42, toda esa cifra es continua: 1,737.8 ÷ 0.80 = 2,172.3 kVA → un transformador de 2,500 kVA, un escalón por encima del piso de energía.

P = N × d × c ÷ (η × t)

S = P ÷ (PF × L)

h = d × c ÷ Pc

I = S × 1000 ÷ (√3 × V)

A 480 V son 1,737,800 ÷ (√3 × 480) = 2,090.2 A. NEC 625.41 y 210.20(A) fijan el interruptor principal en 1.25 × 2,090.2 = 2,612.8 A, lo que obliga a una capacidad de 3,000 A de la escala de NEC 240.6(A). Si se agregan dos bahías de reserva, la carga sin gestión pasa a 2,085.4 kVA, 2,606.7 kVA tras la reducción y un transformador de 3,000 kVA, y 2,508.3 A, que tras el multiplicador de 125 % son 3,135.4 A y un interruptor principal de 4,000 A. Las bahías de reserva son baratas; la base, el interruptor principal y el alimentador que arrastran, no.

Una unidad de 2,000 kVA al 80 % de carga y factor de potencia de 0.99 entrega 2,000 × 0.80 × 0.99 = 1,584 kW. Frente al piso de 1,451.6 kW, eso es 1.091, cerca de 9 % de holgura: una noche fría o un camión tardío, no una extensión de ruta. Fijar el límite del EVEMS en 1,584 kW es lo que hace válida la elección de 2,000 kVA según 625.42(A), y lo que la deja justa.

¿Qué efecto tiene la ventana de permanencia sobre el transformador?

La ventana es la variable con más influencia: la energía es fija, así que la potencia escala de forma inversa con las horas.

Mover el despacho de las 04:00 a las 06:00 baja este depósito de 2,000 kVA a 1,500 kVA. El informe del taller de NREL señala que las compañías eléctricas suelen, aunque no de manera uniforme en todos los territorios de servicio, imponer un límite de pico de 2.5 MW en un punto de interconexión, debido al tamaño máximo común de los transformadores tipo pedestal (pad-mounted) para servicio en el secundario. La ventana suele ser la diferencia entre una acometida estándar y un estudio de la compañía eléctrica; el mismo informe ofrece 50–500 kW como el rango que podría cubrir la carga en depósitos.

Tabla de referencia para depósitos

Con 2.0 kWh/mi, η = 0.93, FP = 0.99, una ventana de 8 horas y 80 % de carga, el divisor es 0.93 × 8 × 0.99 × 0.80 = 5.89248, por lo que kVA = camiones × millas × 2.0 ÷ 5.89248.

Cada fila hasta 3,000 kVA es una unidad tipo pedestal; la última es un arreglo de dos transformadores. Cabe señalar que 3,000 kVA es una capacidad común de fabricante, no un escalón de la serie preferida, donde 2,545.6 kVA se redondea a 3,750 kVA; vea cómo dimensionar un transformador.

¿Cómo se ve el mismo depósito en Canadá a 600 V?

Tensión y carga continua. A 600 V, 1,737,800 ÷ (√3 × 600) = 1,672.2 A en lugar de 2,090.2 A, y la división entre 0.80 de CEC 8-104(6) da 2,090.2 A y un interruptor principal de 2,500 A frente a 3,000 A a 480 V; vea cómo elegir la tensión de distribución de una instalación. 8-104(5) permite 100 % cuando el dispositivo está marcado; la NEC llega a lo mismo mediante las excepciones de ensambles con capacidad al 100 % de 210.20(A) y 215.3.

La gestión de carga es la verdadera divergencia. NEC 625.42(A) retira la carga controlada del dimensionamiento del alimentador y de la acometida. CEC 8-106(10), en cambio, iguala la carga de demanda al máximo del EVEMS, y 8-106(11) la retira por completo de la carga calculada cuando el EVEMS monitorea la acometida, los alimentadores y los circuitos derivados y además controla las cargas de EVSE según la Regla 8-500, pero solo para los cálculos enumerados en las Reglas 8-200 a 8-210, y IAEI aconseja apoyarse en ello únicamente con el consentimiento de la autoridad local hasta que se publique una norma de EVEMS. Declare el límite como entrada de CA: 1,584 ÷ 0.99 = 1,600.0 kVA, o 1,600,000 ÷ (√3 × 600) = 1,539.6 A, y 1,924.5 A tras la regla de 80 %: un interruptor principal de 2,000 A. Si se declarara como salida de CC, también habría que dividirlo entre η. El piso de 7,200 VA de NEC 220.57 no tiene equivalente en el CEC, por lo que las bahías de nivel 2 en Canadá se calculan con la placa.

¿Puede un buffer de baterías mantener baja la acometida?

Cuando la compañía eléctrica ofrece 1,000 kW y el depósito necesita 1,451.6 kW, el almacenamiento cubre la diferencia: es la función de recorte de picos de reducir los cargos por demanda con almacenamiento en baterías, dimensionada con el método de kW frente a kWh de cómo dimensionar un sistema de almacenamiento de energía con baterías. Si se limita el sitio a 1,451.6 kW planos y se toman 1,000 kW de la compañía eléctrica, el buffer suministra 451.6 kW a la barra durante 8 horas.

E = (P − Pu) × t ÷ (DoD × eff)

tr = E × DoD ÷ (eff × Pb)

El faltante es 451.6 × 8 = 3,612.8 kWh en la barra. Con una eficiencia de conversión en un sentido de 0.95, las celdas entregan 3,612.8 ÷ 0.95 = 3,803.0 kWh, y con profundidad de descarga de 0.90 son 4,225.5 kWh instalados con cerca de 500 kW de conversión. Reponer esos 3,803.0 kWh cuesta 3,803.0 ÷ 0.95 = 4,003.1 kWh en el medidor: 5.00 horas a 800 kW de reserva, dentro del periodo inactivo de 16 horas. El 0.95 se paga en ambos sentidos, así que la eficiencia de ida y vuelta es de cerca de 0.90, y se mide, no se supone.

Un buffer que pospone la ampliación de la acometida en un depósito de 30 camiones es, por tanto, un activo de varios megawatts-hora, no un gabinete de 500 kWh. El almacenamiento se especifica conforme a UL 9540 y se ubica según NFPA 855 (vea seguridad contra incendios en almacenamiento con baterías), y su elevación de tensión sigue lo indicado en dimensionamiento del transformador de interconexión de almacenamiento con baterías. Un sistema de almacenamiento y carga acoplado en CC mantiene el buffer y los surtidores en una misma barra de CC.

Qué especificar

• Energía diaria por vehículo, en kWh, y la ventana de carga en horas. La energía, a partir de una exportación de telemática o un estudio de rutas, no del alcance de un folleto; la ventana, a partir del programa de despacho como peor caso garantizado. Ocho horas frente a diez equivalen aquí a 500 kVA.
• Eficiencia del cargador, factor de potencia y tensión de entrada en CA. De la hoja de datos en condiciones promedio por sesión, no del pico de eficiencia. Suponer 0.95 en lugar de 0.93 desplaza este ejemplo en 31 kW.
• El límite del EVEMS en kW, como entrada de CA, y su estado de respaldo. NEC 750.30 impide que el controlador sobrecargue cualquier circuito derivado, alimentador o acometida, y CEC 8-500(2) que exceda la Regla 8-104(5) o (6); ese límite pasa a ser la carga de código según 625.42(A) o 8-106(10).
• kVA del transformador, tensión secundaria y %Z. De la calculadora de dimensionamiento de transformadores y de la placa de datos: la %Z fija la corriente de falla que deben librar los tableros y celdas.
• Valores nominales del interruptor principal, del alimentador y de capacidad interruptiva. NEC 240.6(A) después del 125 % de 625.41, o CEC 8-104(6), con el lado del transformador según 450.3(B) o 26-254 (protección contra sobrecorriente) y la SCCR según 110.9 a partir de la carta de corriente de falla disponible de la compañía eléctrica.
• kW, kWh y profundidad de descarga del buffer. Energía instalada y utilizable cotizadas por separado, conforme al Artículo 706 de la NEC.

Errores comunes

• Dimensionar con la suma de las placas y detenerse ahí. Diez surtidores de 160 kW equivalen a 1,737.8 kVA y a un transformador de 2,500 kVA, pero la flota mueve solo 11,612.9 kWh en 8 horas: 1,451.6 kW promedio, una unidad de 2,000 kVA. Esa suma es la carga de código correcta según NEC 625.42, así que la solución es un controlador, no una base más grande.
• Dividir la energía diaria entre 24 horas. 11,612.9 ÷ 24 = 483.9 kW subdimensiona por un factor de 3.0 frente a los 1,451.6 kW que exige la ventana de 8 horas. NEC 220.87 permite usar la demanda máxima medida en una acometida existente, nunca una carga futura promediada en un día.
• Comprar un buffer de 500 kWh para un problema de megawatts-hora. Mantener un depósito de 1,451.6 kW en una acometida de 1,000 kW requiere 4,225.5 kWh con profundidad de descarga de 0.90: 8.5 veces un gabinete de 500 kWh.
• Suponer diversidad en la carga de los cargadores. NEC 220.57 fija la carga de EVSE en la mayor entre 7,200 VA o la placa, así que la salida es un controlador según 625.42(A), no un factor de 0.80 en una hoja de cálculo. Canadá no es simétrico: la Tabla 38 del CE Code sí permite factores de demanda por encima de cuatro cargas de EVSE, aunque el subcomité de la ESA ha recomendado eliminarla; confirme primero con la autoridad.

Dónde encaja Entogo

Entogo fabrica el tren de potencia del depósito en su propia fábrica verticalmente integrada de aproximadamente 20,000 m²: transformadores trifásicos tipo pedestal de 75 a 2500 kVA y hasta 3000 kVA en clase de tensión de 15/25/35 kV, tableros de baja tensión para los interruptores principales de 1,600–4,000 A a los que llegan estos cálculos, y cargadores ultrarrápidos en CC de 160/240/300 kW. Los equipos se diseñan y fabrican conforme a ANSI/IEEE C57 y C37, al Artículo 625 de la NEC y a la Sección 86 del CEC según lo requiera la instalación; los equipos son certificables UL (cULus)/CSA a solicitud. La garantía parte de un mínimo de 36 meses; el plazo exacto se define por producto y se confirma en el contrato.

Como los transformadores, las celdas y los cargadores se fabrican en la misma fábrica verticalmente integrada, un paquete para el depósito puede liberarse con un solo paquete documental (submittal) coordinado en lugar de perseguirse entre tres proveedores, lo que importa cuando la ruta crítica debería ser la interconexión con la compañía eléctrica y no el equipo. Comience con la calculadora de capacidad de servicio para recarga de VE o el configurador de transformadores; vea también infraestructura de recarga de VE.

El dimensionamiento de un depósito se reduce a cuatro números en orden: la energía entregada a los camiones, la energía en el medidor, la ventana por la que debe moverse y el límite que hará cumplir un controlador. El transformador, el interruptor principal y el buffer se derivan después aritméticamente: 10,800 kWh, 11,612.9 kWh, 8 horas, 1,584 kW y una base de 2,000 kVA en lugar de una de 3,000 kVA. Si el primer número se toma de un folleto en vez de los camiones, todo lo demás sale mal de la misma manera.