Cargadores de vehículos eléctricos y calidad de la energía residencial: un estudio de campo de dos semanas
| Sitio | Condominio residencial — Bangkok, Tailandia |
| Duración de la medición | Dos semanas de medición continua en campo |
| Tipo de cargador de vehículos eléctricos | Nivel monofásico 2 Cargadores de CA (patrón de uso dominante) |
| Desequilibrio de voltaje | Promedio 0.535% · Cima 2.18% durante la carga activa |
| THD actual durante la carga | 15–20%: aumento significativo con respecto al valor inicial |
| Corriente neutra | Significativo: impulsado por el dominio de la carga monofásica |
| Estado de la infraestructura | Actualizado: no diseñado originalmente para cargas de carga de vehículos eléctricos |
| Hallazgo clave | La carga monofásica de vehículos eléctricos crea un desequilibrio de fases y una inyección de armónicos que el cableado residencial existente no fue diseñado para soportar. |
01 Contexto y antecedentes
La adopción de vehículos eléctricos se está acelerando a nivel mundial, y con ello viene una serie de desafíos de calidad de energía para los cuales la mayoría de las infraestructuras de distribución residencial nunca fueron diseñadas para manejar.. Este estudio de campo realizado por Ngaopitakkul (2025) en la Universidad de Chulalongkorn examina el impacto en la calidad de vida de la implementación de cargadores para vehículos eléctricos en un condominio residencial real en Bangkok, Tailandia: una ciudad donde la rápida adopción de vehículos eléctricos está superando las mejoras en la infraestructura eléctrica.[1]
El estudio es particularmente relevante porque aborda el escenario más común del mundo real.: infraestructura residencial modernizada con nivel monofásico 2 Cargadores de CA instalados en plazas de aparcamiento o garajes individuales., sin gestión coordinada de la carga. Esta no es una instalación para vehículos eléctricos especialmente diseñada con carga trifásica equilibrada y control de carga inteligente: es el sistema eléctrico existente de un edificio residencial de unidades múltiples enfrentado a una nueva generación de cargas no lineales de alta potencia que no se anticiparon en el diseño original..
El desafío que presentan los cargadores de vehículos eléctricos a las redes de distribución tiene un carácter diferente a los problemas de armónicos industriales que dominan la mayor parte de la literatura sobre PQ.. Las fuentes armónicas industriales están concentradas, previsible, y a menudo sujeto a estudios de conexión de servicios públicos.. Se distribuyen cargadores residenciales para vehículos eléctricos, estocástico, y conectados a la red de baja tensión en puntos que nunca fueron diseñados para absorber cargas armónicas o desequilibradas significativas. Un ingeniero de servicios públicos que planifica actualizaciones de distribución necesita datos de campo exactamente de este tipo de entorno..
02 Metodología de medición
Se realizó una campaña continua de medición de campo durante dos semanas en el panel de distribución eléctrica del condominio. La duración de la medición es importante.: El comportamiento de carga de los vehículos eléctricos varía según la hora del día, día de la semana, y patrones de residentes individuales. Un conjunto de datos de dos semanas captura la variabilidad que una medición de un solo día o de un solo evento pasaría por alto, y proporciona una caracterización estadísticamente significativa del impacto de PQ en condiciones de uso realistas..[1]
Se midieron y analizaron los siguientes parámetros.:
- Cargar perfiles — demanda actual versus tiempo, patrones de carga reveladores
- Formas de onda de corriente y voltaje. — valores RMS trifásicos y captura de formas de onda durante eventos de carga
- Simetría de fase — distribución de la carga de carga en las tres fases
- La distorsión armónica — análisis de THD actual durante la carga activa y en la línea base
- Desequilibrio de voltaje — cuantificado utilizando el método de máxima desviación (SIN definición): desviación máxima de cualquier voltaje de fase de la media trifásica, dividido por la media
- Corriente neutra — magnitud y forma de onda durante eventos de carga
Este estudio utilizó el método de desviación máxima NEMA para el desequilibrio de voltaje., que requiere sólo magnitudes de tensión de fase. El método de componentes simétricos IEC (relación entre el voltaje de secuencia negativa y el de secuencia positiva) es más riguroso pero requiere mediciones fasoriales. Para pequeños desequilibrios por debajo de aproximadamente 3%, ambos métodos dan resultados numéricos similares. El máximo desequilibrio de 2.18% reportado en este estudio estaría cerca del EN 50160 límite de 2% bajo cualquiera de las definiciones, lo que hace que el hallazgo sea relevante tanto para la práctica de América del Norte como para la IEC.[2]
03 Hallazgos clave
Parámetros PQ medidos
| Parámetro | Base (sin carga) | Durante la carga activa del vehículo eléctrico | Límite estándar | Estado |
|---|---|---|---|---|
| THD actual | Bajo: línea base residencial normal | 15–20% | IEEE 519: 5–8% TDD y PCC VI | ELEVADO |
| Desequilibrio de voltaje (promedio) | Abajo 0.5% | 0.535% promedio | EN 50160: ≤ 2% (95% de semana) | Dentro del límite |
| Desequilibrio de voltaje (pico) | Abajo 0.5% | 2.18% pico | EN 50160: ≤ 2% (95% de semana) | AL LÍMITE |
| Corriente neutra | Bajo | Significativamente elevado | No limitado directamente: dimensionamiento del riesgo | MONITOR |
| Simetría de carga de fase | Aproximadamente equilibrado | Monofásico dominante | Carga equilibrada asumida en el diseño. | DESEQUILIBRADO |
| Fuente: Ngaopitakkul (2025).[1] Medición de campo de dos semanas, condominio bangkok. Desequilibrio de voltaje por método de desviación máxima NEMA. | ||||
Predomina la carga monofásica: la raíz del problema del desequilibrio
El hallazgo de comportamiento más significativo fue que la carga monofásica dominaba por completo los patrones de uso observados.. Los residentes utilizaron el nivel monofásico. 2 Cargadores de CA, conectado a cualquier fase en la que se atendiera su espacio de estacionamiento, sin ninguna coordinación entre fases. El resultado es una carga altamente desequilibrada que varía según la cantidad de residentes que cargan simultáneamente y en qué fase se encuentran..[1]
Esta no es una limitación tecnológica de los cargadores de vehículos eléctricos: existen cargadores trifásicos que distribuirían la carga simétricamente.. Es una consecuencia de cómo se implementa en la práctica la carga de vehículos eléctricos residenciales.: unidades individuales, cargadores individuales, sin coordinación a nivel de sistema, conectado a cualquier rama monofásica disponible en el nivel del estacionamiento.
La infraestructura eléctrica del condominio no fue diseñada originalmente para cargas de vehículos eléctricos.. En edificios remodelados, Los efectos de la carga de vehículos eléctricos a menudo se ven exacerbados por limitaciones de diseño.: Conductores neutros dimensionados para la carga anterior al EV., paneles de distribución sin capacidad adicional, y tramos de cableado que no fueron diseñados para la combinación de alta magnitud de corriente y contenido armónico significativo. Un edificio diseñado hoy teniendo en cuenta la carga de vehículos eléctricos tendría una arquitectura eléctrica fundamentalmente diferente: cargadores trifásicos., sistemas de carga gestionados, neutrales de gran tamaño, y una evaluación de la capacidad de distribución que incluya la carga del vehículo eléctrico desde el principio.
04 Análisis técnico
Cargadores de vehículos eléctricos como cargas no lineales
Los cargadores a bordo de vehículos eléctricos utilizan conversión de energía en modo conmutado: el suministro de CA se rectifica y luego se regula mediante un convertidor de conmutación de alta frecuencia para entregar la corriente CC requerida a la batería.. Esto convierte al cargador de vehículos eléctricos en una carga no lineal que consume corriente en pulsos en lugar de una sinusoide., Inyectar corrientes armónicas en la red de suministro.. Los órdenes armónicos dominantes dependen de la topología del convertidor., pero tercero, quinto, y el séptimo armónico son típicos de los cargadores monofásicos.[1]
Los valores actuales de THD del 15 al 20% medidos durante la carga son consistentes con los datos publicados para el nivel residencial. 2 Cargadores de CA sin corrección activa del factor de potencia. Los cargadores modernos con circuitos PFC frontales activos pueden alcanzar un THD por debajo 5%, pero estos no se implementan de manera uniforme en la población de carga de vehículos eléctricos residenciales existente..
Desequilibrio de fases: la consecuencia de la corriente neutra
Cuando las cargas monofásicas dominan en una o dos fases, el sistema trifásico se desequilibra. En un sistema de cuatro hilos, el conductor neutro transporta la suma vectorial de las tres corrientes de fase, que en condiciones sinusoidales equilibradas es cero. Bajo las condiciones desequilibradas de carga de vehículos eléctricos monofásicos observadas en este estudio, la corriente neutra se volvió significativa, crear carga térmica en un conductor que fue dimensionado para una corriente mucho más pequeña. Este es el mecanismo idéntico a la sobrecarga neutra armónica triple discutida en estudios de casos de PQ hospitalarios: causa raíz diferente., Misma consecuencia para el conductor neutro..
Desequilibrio de tensión: pico en EN 50160 límite
El desequilibrio de voltaje promedio de 0.535% está bien dentro de la EN 50160 límite de 2%. Sin embargo, el pico de 2.18% durante eventos de carga simultáneos en la misma fase se acerca y excede momentáneamente el límite. Para el ingeniero de servicios públicos, esto es importante: EN 50160 El cumplimiento se evalúa como una estadística del percentil 95 durante un período de observación de una semana; un solo evento pico durante una noche no constituye por sí solo un incumplimiento.. Pero indica que a medida que aumenta la penetración de vehículos eléctricos en el edificio, El desequilibrio máximo aumentará proporcionalmente., y la distribución estadística se desplazará hacia el límite.
Un solo condominio con una docena de cargadores de vehículos eléctricos produce un desequilibrio máximo cerca de la EN 50160 límite. Un alimentador de distribución que atienda a diez de estos edificios (lo cual es un escenario realista a corto plazo en cualquier área urbana con adopción activa de vehículos eléctricos) podría producir un desequilibrio sostenido que exceda el límite en el nivel del alimentador de BT sin que ningún edificio individual viole sus condiciones de conexión.. Este es un problema de planificación de PQ a nivel de red que requiere monitoreo a nivel de alimentador., no sólo en las conexiones individuales de los clientes.
05 Recomendaciones
El estudio identifica las siguientes medidas de ingeniería para sistemas residenciales preparados para vehículos eléctricos:[1]
- Cargadores trifásicos para vehículos eléctricos — distribuir la corriente de carga simétricamente entre las tres fases, Eliminando el problema del desequilibrio monofásico en origen.. Apropiado para nuevas instalaciones y modernizaciones importantes.
- Gestión coordinada de la carga (carga inteligente) — controlar los horarios de carga para evitar picos de demanda simultáneos en la misma fase, reducir la corriente máxima, y permitir la gestión del tiempo de uso. Requiere un sistema de gestión de energía del edificio y capacidad de comunicación del cargador.
- Planificación de la asignación de fases. — para instalaciones de cargadores monofásicos, deliberately assign chargers to alternate phases across the building to balance the load. Requires inventory of phase assignments at all parking spaces
- Neutral conductor assessment — review and upsize neutral conductors where single-phase EV charging loads are concentrated. The neutral conductor in a pre-EV building was sized for a balanced load assumption that no longer holds
- Filtrado activo de armónicos — if the charger population cannot be replaced with PFC-equipped units, a central active harmonic filter at the distribution panel can reduce THD to acceptable levels
- Distribution capacity study before deployment — any residential building adding EV charging should conduct a load flow and PQ impact study before installing chargers, not after problems appear
Antes de cualquier gasto de capital, La mitigación más inmediata y sin costo es la planificación de la asignación de fases.. Auditar qué espacios de estacionamiento son atendidos por cada fase y asignar deliberadamente nuevas conexiones de cargadores de vehículos eléctricos a la fase menos cargada no cuesta nada y reduce directamente el desequilibrio máximo.. No solucionará el problema armónico., pero aborda la causa dominante de la sobrecarga de corriente neutra y el desequilibrio de voltaje sin costo de capital.
06 Perspectiva de la calidad de la energía
Este estudio de caso representa una clase de problema de PQ que solo crecerá en frecuencia y gravedad durante la próxima década.: la modernización de nuevas cargas no lineales de alta potencia en una infraestructura de distribución que fue diseñada para un perfil de carga completamente diferente. EV cargadores, bombas de calor, y sistemas de almacenamiento de baterías se están conectando a edificios residenciales y comerciales cuyos sistemas eléctricos fueron diseñados para iluminación incandescente., calentamiento resistivo, y cargas de motores lineales.
Desde una perspectiva de planificación de la distribución de servicios públicos, El hallazgo más importante de este estudio no son los números de los edificios individuales: 15-20 % de THD., 2.18% desequilibrio máximo. Estos son manejables a escala de un solo edificio.. La preocupación por la planificación es el agregado.: cuando una fracción significativa de hogares y condominios en el mismo alimentador de BT utilizan cargadores de vehículos eléctricos monofásicos con carga no coordinada, El desequilibrio a nivel del alimentador y la distorsión armónica pueden alcanzar niveles que afectan a todos los clientes en el alimentador., no sólo los edificios de carga de vehículos eléctricos.
Los ingenieros de servicios públicos que dedicaron sus carreras a gestionar armónicos de cargas industriales y transitorios de conmutación de condensadores de alimentadores de distribución se enfrentan ahora a una crisis distribuida., Versión a escala residencial del mismo problema, amplificado por la velocidad de adopción de vehículos eléctricos y la ausencia de medición visible de la empresa de servicios públicos a nivel de cargador individual.. La caja de herramientas tradicional de utilidad PQ: mediciones de PCC, IEEE 519 estudios de cumplimiento, especificaciones de filtros armónicos para grandes clientes industriales: no fue diseñado para millones de 7 Cargas residenciales en kW distribuidas en la red de BT. Nuevas estrategias de seguimiento, nuevas herramientas de planificación, y se están desarrollando activamente nuevas condiciones de conexión para la carga residencial de vehículos eléctricos. Este estudio de campo de Bangkok es un punto de datos en un conjunto de datos que la industria necesita construir con urgencia..
Referencias
- Ngaopitakkul A. “Evaluación de los efectos de los cargadores de vehículos eléctricos en la infraestructura eléctrica residencial.” Ciencias Aplicadas, vuelo. 15, no. 11, p. 5997, 2025. DOI: 10.3390/aplicación15115997. Acceso abierto bajo CC BY 3.0.
- EN 50160:2010+A3:2019. Características de tensión de la electricidad suministrada por las redes eléctricas públicas.. CENELEC, Bruselas.
- IEEE Std 519-2022. Estándar IEEE para control de armónicos en sistemas de energía eléctrica. IEEE, Nueva York, Nueva York, 2022.
- SIN MG-1-2021. Motores y generadores: definición de desequilibrio de voltaje. Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos, Rosslyn, Virginia.
Ngaopitakkul A. “Evaluación de los efectos de los cargadores de vehículos eléctricos en la infraestructura eléctrica residencial.” Ciencias Aplicadas, 15(11), 5997, 2025.
DOI: 10.3390/aplicación15115997 · Lea el artículo original en MDPI →
Publicado en acceso abierto bajo CC BY 3.0. Este estudio de caso se presenta en forma de resumen y comentario.. La sección Perspectiva PQ (Sección 6) es un comentario editorial original de IPQDF de Denis Ruest., Maestría en Ciencias. (Aplicado), P.Eng. (retirado.). IPQDF no reivindica la autoría de la investigación original.