Si bien los vehículos eléctricos están destinados a convertirse en la tecnología que permita cualquier tipo de desplazamiento, hoy en día es por las ciudades por donde más vehículos 100% eléctricos circulan. En áreas urbanas, las estaciones de carga deben ofrecer opciones con diferentes capacidades para atender las variadas necesidades de los usuarios. Sin embargo, las topologías de carga multi puerto actualmente disponibles suelen presentar frecuencias de conmutación variables, lo que genera desafíos técnicos y operativos.
Esta investigación establece una innovadora topología híbrida de convertidor DC-DC aislado y multi puerto, diseñada específicamente para estaciones de carga urbanas. Los resultados experimentales confirman las características propuestas, destacando una eficiencia máxima del 96% alcanzada con el prototipo desarrollado.
Diferencias entre cargar en la ciudad y cargar en la carretera
El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero provenientes de la industria automovilística es un problema cada vez más preocupante. En este contexto, los vehículos eléctricos representan una alternativa sostenible que permite reducirlos disminuyendo la dependencia de los combustibles fósiles y fomentando un modelo de transporte más respetuoso con el medioambiente. Como resultado, el número de estaciones de carga ha crecido significativamente en áreas urbanas, adaptándose a las demandas del mercado.
Las estaciones de carga pueden conectarse tanto a redes eléctricas de corriente alterna (AC) como de corriente continua (DC). Las redes DC presentan ventajas frente a las AC, ya que requieren menos etapas de conversión de energía, lo que reduce las pérdidas asociadas a este proceso y puede aumentar la eficiencia, especialmente considerando que las baterías de los vehículos eléctricos funcionan con corriente continua.
En este sentido, las estaciones de carga lenta (AC) son ideales para la carga durante la noche o en períodos de estacionamiento prolongado, mientras que las estaciones de carga rápida (DC) son más adecuadas para viajes largos o situaciones que requieren una recarga rápida en áreas suburbanas. Las estaciones híbridas, que combinan ambas opciones, ofrecen mayor flexibilidad al adaptarse a las necesidades de carga de diferentes tipos de vehículos.
Una forma eficiente de implementar estaciones de carga híbridas es a través de topologías multi puerto, que integran tanto cargadores rápidos como lentos en un único sistema. Estas topologías suelen necesitar menos componentes, lo que ayuda a reducir los costes de implementación.
Entre las topologías multi puerto, la estructura LLC destaca por su simplicidad, su capacidad para conmutar a voltaje cero (ZVS) en su lado primario y su amplio rango de voltajes de salida. La tecnología ZVS minimiza las pérdidas al garantizar que el voltaje sobre el interruptor sea nulo en el momento de encendido o apagado.
Sin embargo, la frecuencia de conmutación en las topologías LLC no es fija, lo que supone un desafío. Ajustar la ganancia de voltaje mediante la frecuencia de conmutación puede complicar el diseño del transformador y afectar la eficiencia, ya que frecuencias más bajas requieren transformadores más grandes y frecuencias más altas incrementan las pérdidas de conmutación
En aplicaciones para vehículos eléctricos, se recomienda una separación galvánica entre la entrada y la salida para garantizar la protección de las baterías frente al sistema de carga. No obstante, algunos diseños propuestos no respetan esta separación. Las que sí proponen topologías aisladas, de tres puertos, con dos tanques resonantes LLC que operan a frecuencias altas, reducen las pérdidas de conmutación gracias a la operación de conmutación suave. A pesar de sus ventajas, estas topologías emplean transformadores de tres bobinados, lo que introduce corrientes circulantes que incrementan las pérdidas y el estrés en los componentes, requiriendo algoritmos adicionales para minimizar estas corrientes. Asimismo, otras soluciones utilizan frecuencias fijas en algunos modos, pero variables en otros, lo que sigue representando un reto en términos de diseño y eficiencia.
La nueva propuesta de carga
Para superar estas limitaciones un equipo de investigadores compuesto por Mohammadreza Khodaparast Klidbari (Faculty of Electrical Engineering Toosi University of Technology, Teherán, Irán), Naser Souri (The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech, EE.UU), Zahra Sadat Habibolahi (Department of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology, Teherán, Irán) y Hamid Montazeri Hedeshi (Faculty of Electrical and Computer Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Irán) presenta una nueva topología multi puerto aislada basada en tecnología SiC (carburo de silicio) que opera a frecuencia fija
Esta propuesta se centra en resolver los inconvenientes de las soluciones existentes, ofreciendo una estructura simplificada y eficiente. La propuesta incluye puertos de carga rápida y lenta que operan con una frecuencia de conmutación fija, garantizando una mayor estabilidad en el sistema.
Presenta una innovadora topología de convertidor DC-DC aislado de tres puertos, basada en la arquitectura resonante LLC, diseñada específicamente para estaciones híbridas de carga de vehículos eléctricos. Combina la capacidad de ofrecer tanto carga rápida como carga lenta, respondiendo así a las diversas necesidades de los usuarios en entornos urbanos.
El diseño del convertidor se basa en un tanque resonante LLC, que proporciona aislamiento eléctrico y permite una conmutación suave. Para validar la eficacia del convertidor, se ha desarrollado un prototipo de 600 W. Los resultados experimentales han demostrado el correcto funcionamiento del sistema y sus ventajas potenciales para su implementación en estaciones de carga en entornos urbanos.
Esta nueva propuesta representa un avance significativo en el diseño de estaciones de carga híbridas, combinando eficiencia, simplicidad y flexibilidad para satisfacer las crecientes demandas del transporte eléctrico sostenible.
El resultado de la investigación detalla el concepto de esta topología y sus modos de funcionamiento. Los resultados experimentales confirman las características propuestas, destacando una eficiencia máxima del 96% alcanzada con el prototipo desarrollado. Este avance supone un paso importante hacia estaciones de carga urbanas más eficientes y sostenibles, optimizando tanto el rendimiento como la simplicidad operativa.