Los vehículos eléctricos están dando forma al futuro de la movilidad y, como casi todos los vehículos eléctricos están demostrando ser más económicos en comparación con cualquier automóvil de gasolina, se ha producido un cambio en la tendencia de compra de automóviles. Se espera que para 2030 haya más coches eléctricos en las carreteras que coches que funcionen con combustibles fósiles. Actualmente, los coches eléctricos típicos tienen una autonomía de 300 a 400 km con una recarga completa de la batería. Eso es más que suficiente para tu viaje diario. Se espera que la batería de un automóvil eléctrico funcione durante al menos cinco a ocho años sin necesidad de reemplazar o reparar las celdas.
A medida que aparecen más coches eléctricos en las carreteras, la necesidad de estaciones de carga también crece enormemente. Sólo en EE.UU. hay 56.000 estaciones de carga con 148.000 puertos de carga en total, y eso todavía no es suficiente para satisfacer la creciente demanda de vehículos eléctricos. Países como India esperan necesitar 700.000 estaciones de carga de vehículos eléctricos para 2030. Si bien actualmente un desafío importante es encontrar formas efectivas de cargar rápidamente automóviles eléctricos, otro desafío es crear instalaciones de carga de vehículos eléctricos a nivel nacional.
En un intento por crear una infraestructura de carga de vehículos eléctricos eficaz y elaborada, los fabricantes de automóviles están ansiosos por encontrar nuevas formas de cargar vehículos eléctricos. Una solución viable para cargar simultáneamente varios coches eléctricos son las estaciones de carga inalámbrica de vehículos eléctricos (WEVCS). Estas estaciones de carga inalámbrica funcionan de manera similar a los cargadores inalámbricos de teléfonos móviles. Estas estaciones de carga se pueden instalar en estacionamientos, lo que permite que los autos eléctricos se carguen automáticamente durante las paradas. Otra opción es la carga inalámbrica dinámica que permite cargar el vehículo eléctrico mientras está en marcha. Si bien la carga dinámica promete una mayor autonomía de los vehículos eléctricos, plantea riesgos medioambientales y para la salud.
Carga inalámbrica estática
La carga inalámbrica estática es la tecnología de carga inalámbrica más viable y segura. La carga estática significa que el coche eléctrico se carga en una estación de carga inalámbrica mientras está parado. Esta configuración se puede instalar fácilmente en aparcamientos y garajes. En este tipo de carga inalámbrica, el transmisor se instala bajo tierra y el coche eléctrico lleva integrado un receptor en la parte inferior. Cuando el coche se aparca en el aparcamiento o dentro del garaje, el transmisor y el receptor se alinean y el coche comienza a cargarse. La tasa de carga depende del nivel de voltaje de CA. Mientras el coche permanece aparcado, se carga de forma inalámbrica, sin necesidad de conectar cables. Se trata de una forma práctica, fácil y eficaz de cargar vehículos eléctricos.
Carga inalámbrica dinámica
La carga dinámica es otro concepto de infraestructura de carga de vehículos eléctricos. En esta configuración, los transmisores de energía estacionarios se instalan en carreteras y autopistas. Los vehículos eléctricos se cargan mientras están en movimiento cuando se acercan a transmisores estacionarios. Este tipo de carga definitivamente promete una mayor autonomía del vehículo eléctrico mientras viaja. Sin embargo, implementar la carga dinámica tendría un costo significativo, ya que implicaría construir instalaciones de carga equivalentes a vehículos eléctricos en carreteras y autopistas enteras. La eficacia de la carga de vehículos en movimiento es otra preocupación, ya que la carga inalámbrica requiere una perfecta alineación del transmisor y el receptor. Además, dicha configuración también plantea amenazas relacionadas con la seguridad, los efectos medioambientales y los riesgos para la salud.
Cómo funciona la carga inalámbrica
Nicola Tesla demostró por primera vez la carga inalámbrica cuando desarrolló la bobina de Tesla. La carga inalámbrica funciona según el mismo principio que un transformador. Como en un transformador, la bobina secundaria sale debido al campo magnético desarrollado por el flujo de corriente en la bobina primaria, de la misma manera que un cargador inalámbrico tiene un transmisor y el dispositivo de carga tiene un receptor. Cuando la corriente alterna fluye a través del transmisor, crea un campo magnético alterno que transfiere corriente al receptor. Este es el funcionamiento básico de cualquier cargador inalámbrico, ya sea diseñado para móviles o coches eléctricos. Sin embargo, no existe ningún método de carga inalámbrica. Hay cuatro métodos diferentes reconocidos, como sigue:
- Sistema de carga inalámbrica capacitiva (CWCS)
- Sistema de carga inalámbrica con engranajes de imán permanente (PMWC)
- Sistema de carga inalámbrica inductiva (IWC)
- Sistema de carga inalámbrica inductiva resonante (RIWC)
Sistema de carga inalámbrica capacitiva (CWCS)
Este tipo de carga se basa en el principio de inducción electrostática que se observa en los condensadores. El coche eléctrico tiene una placa receptora en la parte inferior y la estación de carga tiene una placa transmisora en el suelo. El espacio de aire entre las dos placas actúa como medio dieléctrico. El automóvil eléctrico se carga mediante la corriente de desplazamiento en la placa receptora debido a las variaciones en el campo eléctrico a través de la placa transmisora. En el lado del transmisor, primero se suministra corriente alterna a un circuito de corrección del factor de potencia. El circuito mantiene los niveles de voltaje y minimiza las pérdidas de transmisión. Luego, el voltaje pasa a través de un puente en H que genera un voltaje CA de alta frecuencia, que se aplica a la placa de transmisión. El voltaje CA de alta frecuencia, normalmente en el rango de 100 a 600 KHz, provoca un campo eléctrico oscilante. Esto genera una corriente de desplazamiento en la placa receptora. La cantidad de corriente recibida en la placa receptora depende de varios factores como la alineación de la placa transmisora y receptora, el espacio de aire entre las dos placas, el voltaje de CA aplicado, el material utilizado en la construcción de las placas y la frecuencia de Voltaje de corriente alterna. En el lado del receptor, la corriente de desplazamiento se utiliza para cargar la batería del coche eléctrico con la ayuda de un circuito rectificador y de filtrado.
Funcionamiento de carga capacitiva inalámbrica en vehículos eléctricos.
Sistema de carga inalámbrica con engranaje magnético permanente (PMWC)
Este tipo de carga inalámbrica se basa en el principio de funcionamiento de un motor eléctrico. Tanto el transmisor como el receptor constan de un devanado de armadura con imanes permanentes sincronizados colocados como núcleo dentro de los devanados. El par mecánico se genera cuando se aplica voltaje de CA al devanado del transmisor debido a imanes permanentes. Los cambios en el campo magnético permanente del transmisor hacen que se induzca un par mecánico sincronizado en el imán permanente del receptor, produciendo corriente alterna en el devanado del receptor. El receptor se convierte en un generador de energía a medida que el par mecánico del imán permanente del receptor se convierte en corriente alterna en su devanado. El acoplamiento de imanes permanentes giratorios se llama engranaje magnético. En el lado del receptor, la corriente alterna del engranaje magnético se rectifica y filtra para cargar la batería del coche eléctrico.
Este método de carga inalámbrica tiene varias desventajas. En primer lugar, debido al uso de imanes permanentes, la configuración de carga resulta costosa. En segundo lugar, los imanes permanentes son propensos a romperse bajo tensión mecánica. Por lo tanto, la configuración de carga puede generar elevados costes de mantenimiento.
Funcionamiento de carga inalámbrica con engranajes de imanes permanentes en vehículos eléctricos
Sistema de carga inalámbrica inductiva (IWC)
Este tipo de carga inalámbrica se basa en el principio de funcionamiento de un transformador. Tanto el transmisor como el receptor constan de bobinas. La bobina transmisora está instalada en el suelo mientras que la bobina receptora está en la parte inferior del coche eléctrico. Un voltaje CA de frecuencia en el rango de 19 a 50 KHz pasa a través de la bobina transmisora. Esto provoca un cambio en el campo magnético en la bobina receptora, produciendo corriente alterna. La corriente alterna inducida en la bobina receptora se rectifica y filtra para cargar la batería del coche eléctrico mediante su sistema de gestión de batería. Este es el método más económico de carga inalámbrica para coches eléctricos. La carga funciona de la misma manera que se transfiere electricidad entre los devanados primario y secundario de un transformador. Dado que los transformadores son uno de los componentes electrónicos más baratos y fáciles de construir, este método de carga inalámbrica es el más rentable y sencillo de implementar. Las bobinas deben estar alineadas para la carga inalámbrica. La velocidad de carga en un sistema de carga inductiva inalámbrica depende de la distancia entre las bobinas transmisora y receptora, la inductancia mutua entre ellas y la frecuencia de la alimentación de CA aplicada.
Operación de carga inductiva inalámbrica en vehículos eléctricos.
Sistema de carga inalámbrica inductiva resonante (RIWC)
La carga inalámbrica resonante es un método de carga inalámbrica inductiva mejorado y el método de carga inalámbrica más económico y eficiente. Cuando las bobinas primaria y secundaria de un transformador se sintonizan a la misma frecuencia de resonancia, la energía eléctrica de la bobina primaria se transfiere a la bobina secundaria a un ritmo mucho más rápido. Cuando las bobinas están en resonancia, la transferencia de energía eléctrica se produce incluso si el campo magnético entre ellas es débil. El método de carga inalámbrica inductiva resonante mejora la eficiencia de transferencia de energía y proporciona un factor de alta calidad. Tiene los mismos beneficios de costos que la carga inductiva, además de proporcionar mayor eficiencia, menores pérdidas y permitir una carga más rápida. Si la frecuencia de resonancia en ambas bobinas es la misma, se transferirá energía eléctrica a pesar de la mayor distancia entre las bobinas. Se agregan redes de compensación en ambos lados en serie y en paralelo para hacer coincidir la frecuencia resonante en la bobina transmisora y receptora en un sistema de carga inductiva resonante. Se pueden agregar algunas redes de compensación adicionales para minimizar aún más las pérdidas de energía. La frecuencia de funcionamiento para este tipo de carga sigue siendo de 10 a 150 KHz. La integración de circuitos adicionales para igualar la frecuencia de resonancia agrega un costo adicional a la configuración de carga inalámbrica tanto en el lado del transmisor como en el del receptor. Las adiciones valen la pena considerando la mayor eficiencia energética y las velocidades de carga más rápidas.
Funcionamiento de la carga inalámbrica inductiva resonante en vehículos eléctricos
Retos en la carga inalámbrica de vehículos eléctricos
Muchos fabricantes de automóviles están trabajando para lograr la carga inalámbrica, ya que será de gran beneficio para el ecosistema de vehículos eléctricos. Sin embargo, existen muchos desafíos en el segmento de vehículos eléctricos, como la carga rápida, la tecnología de batería segura, la eficiencia del motor eléctrico, la gestión de la batería, la seguridad y la implementación de la tecnología de vehículos eléctricos en diferentes segmentos de automóviles.
El mayor desafío para la carga inalámbrica de vehículos eléctricos es su adopción por parte de los fabricantes de automóviles y la participación de las empresas en el desarrollo de estaciones de carga. La carga inalámbrica debe resultar mucho más económica y eficiente que la carga por cable para impulsar su adopción. El impacto medioambiental de la carga inalámbrica es otra cuestión importante, ya que las estaciones de carga deben cumplir estrictos estándares EMC y EMI para superar estas preocupaciones.
Estándares WEVCS
Muchas organizaciones internacionales, como la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SEA), la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), están trabajando activamente juntas para desarrollar un estándar global para la carga inalámbrica de vehículos eléctricos. . La carga enchufable tiene una eficiencia máxima del 94 al 94,5 por ciento, pero los últimos estándares SEA para carga inalámbrica han mostrado una eficiencia del 90 al 92 por ciento, eliminando casi este obstáculo crítico en la adopción de la carga inalámbrica.
