La integración de la electrónica de potencia y las baterías ofrece múltiples ventajas, como el reparto de carga y el equilibrio energético mediante la conexión en paralelo. No obstante, conectar baterías con diferentes voltajes y perfiles de potencia puede generar corrientes circulantes elevadas y transferencias de energía descontroladas, comprometiendo la estabilidad del sistema.
Para abordar estos retos, Pouyan Pourhadi, Nima Tashakor, Mahdi Bayati y Stefan Goetz presentan una innovadora configuración para las baterías, con topología modular y reconfigurable, en corriente alterna (CA) y que emplea inductores acoplados entre submódulos adyacentes. Esta solución gestiona dinámicamente la distribución de energía entre los módulos de energía y potencia.
La solución a un problema conocido
En condiciones normales, los módulos de energía operan en configuraciones en serie o en paralelo, proporcionando un suministro de voltaje y corriente estable que asegura una entrega eficiente de potencia. En situaciones de alta demanda como es la aceleración, los módulos de potencia responden rápidamente para cubrir las necesidades adicionales de energía, complementando la capacidad de los módulos de energía.
El uso de inductores acoplados reduce la inductancia en el camino de carga, permitiendo tiempos de respuesta más rápidos, a la vez que proporciona la inductancia suficiente para regular las corrientes circulantes y facilitar una transferencia eficiente de energía entre los módulos. Este planteamiento mejora significativamente la estabilidad y el rendimiento del sistema. El entorno de carga en CA añade complejidad al control, lo que ha llevado al desarrollo de una estrategia combinada de control que garantiza un rendimiento satisfactorio.
La problemática de la electrónica en las baterías actuales
Los convertidores en puente escalonado (CB, por sus siglas en inglés) y los convertidores multinivel modulares (MMC) han consolidado su posición en la electrónica de potencia gracias a su capacidad para ofrecer una alta calidad de potencia y reducir la necesidad de filtros. No obstante, los diseños tradicionales están limitados por sus configuraciones básicas en serie y de bypass, lo que reduce su flexibilidad y eficiencia en aplicaciones dinámicas como los vehículos eléctricos.
La integración de baterías con diferentes voltajes, tipos o estados de carga plantea desafíos adicionales, como transferencias de energía descontroladas, corrientes circulantes y posibles problemas de estabilidad, especialmente bajo cambios rápidos de carga y altas demandas de potencia. Estas dificultades requieren una monitorización precisa y estrategias avanzadas de control para garantizar el equilibrio de voltaje.
Los avances recientes han demostrado el potencial de los sistemas de baterías reconfigurables que facilitan el equilibrio de voltajes en los módulos y permiten implementar estrategias de modulación para gestionar el intercambio de energía de manera independiente de la carga principal. Sin embargo, persisten limitaciones en el reparto de carga y las capacidades de los semiconductores, lo que afecta la eficiencia general y aumenta las corrientes de ondulación en las baterías.
Las arquitecturas de baterías reconfigurables ofrecen un planteamiento dinámico para reorganizar las conexiones internas de las baterías y ajustar las rutas de flujo de energía en función de objetivos y restricciones específicas, como la demanda de carga, las pérdidas de conversión, el equilibrio energético y el estado operativo de las baterías. De esta maneta es posible combinar módulos de energía y módulos de potencia, cada uno de ellos desempeñando roles distintos pero complementarios, para optimizar el rendimiento a nivel del sistema.
Los módulos de energía están diseñados para proporcionar una entrega estable de potencia durante períodos prolongados, operando en configuraciones en serie o en paralelo para mantener el equilibrio de voltaje en el sistema. Estos módulos destacan por su alta densidad energética, adecuada para aplicaciones que requieren una salida sostenida de energía.
Por otro lado, los módulos de potencia están optimizados para ofrecer ráfagas rápidas de alta potencia, como las necesarias para estabilizar una red eléctrica o para la aceleración y frenado de vehículos. Estos módulos, con mayor densidad de potencia, pueden satisfacer demandas a corto plazo de manera eficiente.
La integración de ambos tipos de módulos en un marco reconfigurable permite una redistribución de energía dinámica según la demanda y mejora la capacidad del sistema para adaptarse a perfiles de carga variables.
Un avance indiscutible para hacer coches eléctricos más eficientes
Este trabajo propone un sistema modular de baterías en corriente alterna reconfigurables, que incorpora conexiones magnéticas entre los módulos para facilitar la transferencia bidireccional de energía. Esta nueva topología distribuye de manera dinámica la potencia entre los módulos de energía y potencia en función de las condiciones de carga, optimizando así el rendimiento del sistema y reduciendo tanto el tamaño de los componentes magnéticos como las pérdidas de conmutación.
El uso de inductores acoplados permite transferencias de energía eficientes entre módulos, asegurando una respuesta rápida a los picos de carga sin comprometer la estabilidad ni la eficiencia del sistema. Esta capacidad bidireccional no solo gestiona el intercambio de energía en condiciones de operación estacionarias, sino también durante cambios dinámicos en las condiciones de carga.
Los primeros resultados avalan la viabilidad del sistema
Los resultados experimentales validan la fiabilidad y efectividad de este sistema, alcanzando una eficiencia energética superior al 92% bajo cambios dinámicos de carga. En condiciones de estado estacionario, se logra un reparto equilibrado de corriente. Además, el diseño avanzado de inductores acoplados y la estrategia de control optimizada reducen el tamaño del núcleo en un 90% y las pérdidas por conmutación en un 15%, mejorando considerablemente la eficiencia global.
Esta tecnología representa un avance muy prometedor en la integración de electrónica de potencia con baterías, ofreciendo soluciones más eficientes y robustas para aplicaciones exigentes, como los vehículos eléctricos y otros sistemas de almacenamiento de energía.