El aumento de las ventas de los vehículos eléctricos responde principalmente a la creciente preocupación por parte de las autoridades políticas por el cambio climático, impulsada por las insostenibles emisiones de gases de efecto invernadero provenientes del transporte basado en combustibles fósiles.
En este contexto, varias iniciativas conjuntas entre organismos gubernamentales y el sector privado buscan acelerar la transición hacia fuentes de energía renovables, con inversiones significativas destinadas a hacer que los vehículos eléctricos sean más competitivos frente a los vehículos convencionales con motor de combustión.
El papel fundamental de las baterías
Más allá de otro componentes esencial del sistema de propulsión de un vehículo eléctrico, como es el motor, el elemento fundamental es la batería, una pieza clave que define métricas esenciales como la autonomía, el rendimiento y la fiabilidad y que, además de a su naturaleza química, también responde al control del sistema electrónico.
Las baterías están compuestas por celdas organizadas en módulos que se interconectan para formar paquetes. Su funcionamiento es controlado por el sistema de gestión de baterías (BMS), encargado de supervisar parámetros eléctricos y térmicos, equilibrar la carga de las celdas y garantizar la seguridad y eficiencia del sistema.
Además de las baterías, la eficiencia de un vehículo eléctrico depende de los convertidores de potencia, especialmente el inversor de tracción y el cargador. Mientras que el inversor gestiona la transferencia de energía entre la batería y el motor, el cargador permite la interacción entre la batería y la red eléctrica u otras fuentes de energía.
Clasificación técnica de los sistemas de carga
Los cargadores de baterías se clasifican según diversos criterios:
- Carga conductiva o carga inductiva.
- Ubicación (a bordo, OBC o en el exterior del vehículo, FBC).
- Velocidad de carga.
- Flujo de potencia unidireccional o bidireccional.
Este estudio se centra en el papel crítico en la optimización de aspectos clave como la velocidad de carga, la autonomía, la vida útil de la batería y la interacción con la red eléctrica los sistemas de carga de baterías.
Estándares como el IEC 61851-1 y el SAE J1772 establecen las bases para la clasificación de los modos, tipos y niveles de carga]. Tanto los OBC como los FBC emplean diferentes topologías según las necesidades de suministro de energía, la tecnología del convertidor y la presencia o ausencia de aislamiento galvánico.
Los OBC incluyen un filtro EMI, un convertidor (corriente alterna-corriente continua, AC-DC) con corrección del factor de potencia (PFC), un enlace DC y un convertidor DC-DC, con variantes que permiten el flujo bidireccional de energía. Por otro lado, los FBC utilizan topologías como convertidores DC-DC aislados y no aislados, que varían en términos de eficiencia, densidad de potencia y desafíos de implementación.
La innovación revolucionaria en la tecnología de carga rápida
En el ámbito de la carga rápida (DCFC), la transición hacia sistemas de carga ultrarrápida ha introducido nuevas tecnologías, como los convertidores multinivel y los esquemas de modulación avanzados, que optimizan el rendimiento y reducen la distorsión armónica. Aunque estas tecnologías presentan desafíos en el modelado y el control, sus ventajas en términos de eficiencia y escalabilidad son prometedoras para aplicaciones de alta potencia.
El estudio Non-Ideal Two-Level Battery Charger—Modeling and Simulation ha sido realizado por José M. Campos-Salazar del Departamento de Ingeniería Electrónica de Barcelona, Juan L. Aguayo-Lazcano del Instituto de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad Austral de Chile y Roya Rafiezadeh, de la Universidad de Nottingham, Nottingham.
Presenta un análisis detallado de un cargador de batería no ideal basado en una topología de dos niveles, centrándose en su modelado, simulación y evaluación de rendimiento. La topología propuesta para este cargador prestan especial atención a su configuración, que incluye dos interruptores que operan de manera complementaria, junto con elementos esenciales como inductores, condensadores y la batería.
Se desarrolló un modelado riguroso tanto en estado estacionario como en regímenes dinámicos, permitiendo analizar el comportamiento del cargador bajo múltiples condiciones operativas. Este análisis tuvo en cuenta las no linealidades inherentes a las características de los interruptores y los elementos de almacenamiento de energía.
Los cálculos de eficiencia revelaron una fuerte dependencia del rendimiento del cargador frente a factores no lineales, como la resistencia de los interruptores y los inductores. Esto pone de manifiesto la necesidad de un modelado y estrategias de control precisos para optimizar tanto la eficiencia como el rendimiento del cargador.
Además, se investigó el dimensionamiento de los elementos de almacenamiento de energía, incluyendo inductores y condensadores, para garantizar el cumplimiento de los requisitos de ondulación. Los resultados mostraron la influencia significativa de las no linealidades en la selección y dimensionamiento de estos componentes.
La validación del sistema de control se llevó a cabo a través de simulaciones que demostraron respuestas transitorias rápidas y una operación estable incluso ante perturbaciones en la carga. El análisis reveló relaciones como la dependencia inversa entre el voltaje de salida del cargador y la resistencia de los interruptores y la relación directa entre la magnitud del inductor y dicha resistencia.
Conclusiones y líneas futuras de investigación
Este estudio subraya la importancia de considerar las no linealidades en el diseño y control de cargadores de batería, proporcionando conocimientos valiosos para ingenieros e investigadores dedicados al desarrollo de sistemas de carga eficientes y fiables para vehículos eléctricos.
Las posibles líneas de investigación futura incluyen la optimización adicional de las estrategias de control, la exploración de topologías alternativas y la validación experimental de los modelos propuestos. Estos esfuerzos podrían contribuir a un mayor entendimiento e implementación de tecnologías de carga no ideales, fundamentales para el avance de los sistemas de carga rápida y eficiente en la movilidad eléctrica.
A pesar de estos los avances, persisten retos técnicos. Por ejemplo, la consideración de las no linealidades en interruptores y elementos de almacenamiento de energía sigue siendo un área poco explorada en el diseño de cargadores de baterías. Este estudio aborda estas cuestiones desde el punto de vista del modelado exacto de convertidores DC-DC, analizando los efectos de las variaciones de ciclo de trabajo y la modulación del tiempo en la estabilidad y eficiencia del sistema.
Las futuras investigaciones deberá centrarse en superar estas limitaciones, optimizando tanto el diseño como el control de los convertidores de potencia para aplicaciones de carga rápida y ultra-rápida. Además, la integración de materiales avanzados como los transistores SiC MOSFET podría mejorar significativamente la eficiencia y la densidad de potencia en estos sistemas [9].
El avance en los sistemas de carga de baterías es decisivo para consolidar la viabilidad de los vehículos eléctricos en un mercado dominado históricamente por vehículos de combustión. Los desarrollos en tecnologías de convertidores de potencia, junto con un planteamiento basado en la sostenibilidad y la eficiencia, prometen revolucionar los sistemas de carga ultrarrápida, asegurando un futuro más limpio y competitivo para el transporte eléctrico.