Sistemas de carga de vehículo eléctrico más rápidos y menos invasivos

El centro tecnológico CIRCE trabaja para crear nuevos sistemas de carga inductiva más potentes y más pequeños para adaptarse al medio urbano

Los sistemas de transferencia de potencia mediante acoplamiento inductivo (ICPT) básicamente utilizan campos magnéticos de media frecuencia (típicamente de 1 kHz a 150 kHz) para transferir energía desde una bobina primaria transmisora situada sobre el asfalto hacia una bobina receptora ubicada en la parte inferior del vehículo eléctrico, a través del aire, convirtiendo esta energía en corriente eléctrica para cargar el vehículo. Una vez que la bobina primaria se instala sobre el terreno, simplemente posicionando el vehículo sobre ella, el sistema automáticamente empieza a recargar el vehículo eléctrico.

A los sistemas de transferencia de energía utilizados en la carga de vehículos eléctricos se les llama sistemas de captura de flujo normal y están formados básicamente por un primario o lado de tierra y un secundario o lado embarcado. En el primero hay una bobina emisora que genera el campo magnético de media frecuencia; condensadores de resonancia, que deben sincronizarse con la bobina para asegurar la máxima eficiencia; un sistema de apantallamiento para evitar que los campos magnéticos afecten a personas y equipos; y una configuración de electrónica de potencia para alimentar a la bobina y los condensadores en las mejores condiciones de acuerdo a las necesidades del vehículo. En el segundo hay una bobina receptora, que recibe el campo magnético y debe situarse sobre la bobina emisora; condensadores de resonancia, que deben sintonizarse con la bobina receptora para asegurar la máxima eficiencia; sistemas de apantallamiento para evitar que los campos magnéticos afecten a personas y equipos; y una configuración de electrónica de potencia que alimenta a la batería del vehículo.

Además de estos elementos, hay que tener en cuenta el sistema de comunicaciones entre el vehículo y tierra, no solo para la adecuada identificación del vehículo, si no para el control de la carga, ya que el vehículo debe informar de las necesidades del mismo al primario (tensión, intensidad, potencia, energía, frecuencia…). Existen, asimismo, otros elementos tales como la propia batería del vehículo y su sistema de gestión (BMS).

En los procesos de carga inductiva de vehículos se distinguen tres tipos: la carga inductiva estática, la carga inductiva en ruta y la carga inductiva dinámica. En las dos primeras el proceso de carga se produce con el vehículo completamente parado. La diferencia entre ambas es el tiempo de parada, en el primer caso se habla de minutos u horas, y en el segundo, de segundos o unos pocos minutos. La carga dinámica sin embargo se realiza con el vehículo en movimiento.

La carga estática es el equivalente a un proceso de carga conductiva habitual, puede ser lenta si la carga es a baja potencia (3,7 kW) o rápida si se hace por encima de los 50 kW. Además de la potencia, la diferencia fundamental entre ambas es la frecuencia de los campos magnéticos utilizados, en el primer caso se trabaja en el orden de 85 kHz en tanto que en el segundo se trabaja en 20 a 30 kHz. Esta diferencia se debe las limitaciones de la electrónica de potencia, aunque se trabaja para aumentar la frecuencia con nuevas topologías de electrónica de potencia y nuevos dispositivos semiconductores, tal como los basados en Carburo de Silicio (SiC).

El objetivo de la carga inductiva en ruta es aprovechar breves paradas para transferir energía, tales como paradas de autobús, o zona de espera de taxis. La tecnología es la misma que la necesaria en el caso de carga estática, aunque cambian aspectos tales como el reconocimiento de vehículo, ya que la carga debe hacerse de manera rápida, en 10 a 60 segundos la mayor parte de las veces, y también la necesidad de desalineamiento, ya que no hay tiempo de maniobrar para un posicionamiento preciso. Evidentemente, la cantidad de energía transferida es mucho menor, ya que esta proviene del producto de potencia por tiempo, por lo que se pueden diseñar sistemas de mayor potencia que los anteriores en caso necesario. Un equipo de 50 kW trabajando durante 30 segundos únicamente podrá transferir unos 415 Wh.

La carga inductiva dinámica permite cargar al vehículo mientras este se encuentra en movimiento. Este método de carga implica una mayor complejidad que los anteriores y el diseño de los sistemas puede diferir. En primer lugar, hay que ser consciente de que la bobina emisora únicamente puede activarse mientras la bobina receptora se encuentra encima de ella, por ello habitualmente la bobina de suelo se hace de mayor tamaño que la del vehículo, aun así este tiempo es muy breve (inferior a dos segundos), esto implica que la tasa de transferencia de energía es muy baja. Continuando con el ejemplo anterior, un sistema de 50 kW trabajando dos segundos únicamente transfiere 28 Wh. Otra gran diferencia estriba en la necesidad de sincronizar las bobinas emisoras con el paso del vehículo.

La carga de oportunidad y la carga dinámica permiten reducir la cantidad de energía que debe almacenar un vehículo al permitir cargas frecuentes, reduciendo por lo tanto su precio. A modo de ejemplo, para un autobús urbano, suponiendo que el recorrido medio al día es de 200 km (10 km de principio a final de línea, realizando 20 ciclos completos al día), a una media de 3,2 kWh/km (teniendo en cuenta el consumo del aire acondicionado y otros servicios auxiliares), la energía necesaria para dicho recorrido es de unos 640 kWh, permitiendo una profundidad de descarga del 80%, se necesitaría almacenar 800 kWh, con una densidad de las baterías ión-li actualmente utilizadas de 160 a 180 Wh/kg, suponiendo este último serían necesario 4440 kg de baterías (sin incluir armarios y controles).

Sin embargo, si pudiéramos cargar al inicio y final de línea, para recorrer 10 km, serían necesarios únicamente 40 kWh con un peso de unos 222 kg. Estos valores se reducen si se incluye algún puno de carga en las paradas o bien zonas de carga dinámica.

Para asegurar que la transferencia de energía se hace en las mejores condiciones posibles, es necesario que las bobinas emisoras estén conectadas a unos condensadores calculados para trabajar en resonancia. Las configuraciones típicas de este tipo de sistemas son cuatro dependiendo de cómo se conectan los condensadores con las bobinas.

En Serie-Serie (SS) en primario se conecta un condensador C1 en serie con la bobina L1 y en secundario se hace igual, un condensador C2 en serie con la bobina receptora L2. En Serie-Paralelo (SP) en primario se conecta un condensador C1 en serie con la bobina L1 y en secundario se conecta un condensador C2 en paralelo con la bobina receptora L2. En Paralelo-Paralelo (PP) en primario se conecta un condensador C1 en paralelo con la bobina L1 y en secundario también se conecta un condensador C2 en paralelo con la bobina receptora L2. En Paralelo-Serie (PS) en primario se conecta un condensador C1 en paralelo con la bobina L1 y en secundario se conecta un condensador C2 en serie con la bobina receptora L2.

En este sentido, CIRCE ha patentado una nueva topología denominada Serie Paralelo-Serie, que permite mayores desalineamientos y variaciones de altura del vehículo. Lo que la hace óptima para la carga de oportunidad y la carga dinámica. Esta se utilizó en el proyecto Unplugged, financiado por la Comisión Europea, que investigó cómo el uso de esta carga inductiva en entorno urbanos mejora la comodidad y la sostenibilidad de la movilidad eléctrica. También se usó en el proyecto de financiación nacional Victoria, que creó el primer carril de carga eléctrica por inducción dinámica de España por la cual un vehículo eléctrico puede recargar su batería en movimiento sin necesidad de cables.