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MOTOR. Carga inalámbrica de vehículos eléctricos


La convergencia exitosa de nuevas tecnologías requerirá vehículos eléctricos (EV) que sean de bajo costo y completamente autónomos. Estos atributos se pueden lograr a través de la carga inalámbrica de las baterías de coches eléctricos.


Imaginemos un futuro en el que un vehículo eléctrico (EV) sin conductor que se desplaza cuando salimos de un edificio, nos lleva a nuestro destino y luego se dirige a un pasajero tras otro sin necesidad de detenerse para recargar la batería. En tal escenario, la energía generada por los recursos eólicos y solares cercanos se entregaría de forma inalámbrica desde la carretera al vehículo mientras está en movimiento.

No tener que detenerse para recargar hará que los EV sean verdaderamente autónomos y, como los vehículos pueden permanecer en servicio por más horas, se necesitarán menos vehículos para satisfacer la demanda de los pasajeros. Además, los EV con carga inalámbrica en movimiento (dinámica) pueden tener baterías mucho más pequeñas, una opción que puede reducir su costo y acelerar la adopción, particularmente en las grandes ciudades.


TRANSFERENCIA INALÁMBRICA
Los sistemas WPT de campo cercano son de dos tipos: inductivos, que usan acoplamiento de campo magnético entre bobinas conductoras, y capacitivos, que usan acoplamiento de campo eléctrico entre placas conductoras para transferir energía. Para aplicaciones de rango medio (en las que la distancia entre el transmisor y los acopladores del receptor es comparable al tamaño de los acopladores, como en la carga EV), los sistemas WPT inductivos han sido tradicionalmente preferidos.

Sistemas Inductivos
La última década ha visto un gran progreso en la tecnología WPT inductiva para la carga estacionaria de vehículos eléctricos (Bosshard y Kolar 2016). Los cargadores fijos ya están disponibles, y algunos fabricantes de EV han anunciado planes para introducir sistemas de WPT inductivos estacionarios incorporados desde 2018.

Sin embargo, para la guía y el blindaje del flujo magnético, los sistemas WPT inductivos requieren núcleos de ferrita, que los hace caros y voluminosos. Además, para limitar las pérdidas en las ferritas, las frecuencias operativas de estos sistemas se mantienen por debajo de 100 kHz, lo que da como resultado grandes bobinas y bajas densidades de transferencia de potencia. 

El elevado coste y la baja densidad de transferencia de potencia son particularmente problemáticos para el WPT dinámico, ya que estos sistemas deben tener una capacidad de potencia muy alta para entregar suficiente energía al vehículo durante su breve período de tiempo que pasa sobre una bobina de carga. Por estas razones, el WPT dinámico inductivo aún no es viable  desde un punto de vista comercial, aunque se han demostrado algunos sistemas experimentales (Choi et al. 2015; Onar et al. 2013).

Implementación física y representación en diagrama para entregar energía de forma inalámbrica a los vehículos eléctricos desde una carretera o espacio (parking, línea taxis, parada bus, etc.) electrificado: (a) transferencia de potencia inalámbrica inductiva (WPT) que utiliza bobinas (incrustadas en la carretera y en el vehículo) que se acoplan a través de campos magnéticos. 

Sistemas Capacitivos
Los sistemas WPT capacitivos tienen ventajas potenciales sobre los sistemas inductivos debido a la naturaleza relativamente dirigida de los campos eléctricos, lo que reduce la necesidad de protección del campo electromagnético. Además, como los sistemas WPT capacitivos no utilizan ferritas, pueden funcionar a frecuencias más altas, lo que les permite ser más pequeños y menos costosos. El WPT capacitivo podría así hacer realidad la carga dinámica de EV.

Pero debido a la muy pequeña capacitancia entre las placas de la carretera y del vehículo, la transferencia de energía efectiva solo puede ocurrir en frecuencias muy altas, lo que hace que el diseño de estos sistemas sea extremadamente difícil. Con la reciente disponibilidad de dispositivos semiconductores de potencia de banda ancha (nitruro de galio [GaN] y carburo de silicio [SiC]) que permiten operaciones de alta frecuencia, los sistemas WPT capacitivos de rango medio de alta potencia se están volviendo viables (Regensburger et al. 2017; Zhang et al. 2016).


Los dos desafíos principales asociados con el WPT capacitivo para la carga de EV son (1) lograr una alta densidad de transferencia de potencia a altas eficiencias y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de seguridad electromagnética, y (2) mantener una transferencia de potencia efectiva incluso cuando cambia la posición relativa de los acopladores. Ambos desafíos están en fase de investigación y desarrollo.

(b) Enfoque WPT capacitivo utilizando placas acopladas a través de campos eléctricos. Tanto en este caso como en el inductivo, la tecnología habilitadora comprende: un inversor y rectificador de alta frecuencia con dispositivos semiconductores y redes de ganancia y compensación con inductores, condensadores y / o transformadores.
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA SEGURA Y EFICIENTE
El tamaño de los acopladores en los sistemas WPT se puede reducir y la densidad de transferencia de potencia puede aumentarse diseñando los sistemas para que funcionen a frecuencias más altas. En los sistemas inductivos, el aumento del voltaje inducido con una frecuencia más alta compensa la inductancia mutua reducida de las bobinas más pequeñas, y en los sistemas capacitivos, el aumento de la corriente de desplazamiento con una frecuencia más alta compensa la menor capacitancia de las placas. Las frecuencias de funcionamiento más altas también permiten una electrónica de potencia más pequeña asociada con los sistemas WPT gracias a una disminución en los requisitos de almacenamiento de energía.

Pero lograr altas eficiencias a altas frecuencias de conmutación es muy desafiante. Y los campos marginales de los sistemas WPT deben estar dentro de niveles seguros (según lo define la Comisión Internacional sobre Protección contra Radiación No Ionizante; ICNIRP 1998) en áreas ocupadas por personas y animales (por ejemplo, la cabina del vehículo y fuera del perímetro del chasis) . Estos requisitos para los sistemas WPT capacitivos se pueden cumplir a través de etapas de circuito que proporcionan un voltaje y una ganancia de corriente apropiados (para reducir las corrientes de desplazamiento), así como la compensación reactiva. Un área activa de investigación es el diseño de estas etapas de circuito (Lu et al. 2015; Theodoridis 2012).

ASPECTOS SIN RESOLVER
- Efectos sobre la salud a largo plazo de la exposición a campos eléctricos y magnéticos débiles.
- Mecanismos para detectar la presencia de objetos vivos y extraños en la proximidad de los sistemas WPT.
- Métodos para determinar los niveles óptimos de potencia del cargador y el espacio para su viabilidad y rentabilidad
- Técnicas para integrar la tecnología WPT en carreteras
- Enfoques para analizar los impactos de la implementación del sistema WPT a gran escala en la red de distribución eléctrica de media y alta potencia.

Las tecnologías WPT en desarrollo para la carga dinámica de EV son fundamentales para lograr soluciones de movilidad en las grandes urbes. Pero también pueden permitir el desarrollo de implantes biomédicos con alimentación inalámbrica, robots humanoides y el transporte “hyperloop” supersónico. 


Fuentes:
- Bosshard R, Kolar JW. 2016. All-SiC 9.5 kW/dm3 on-board power electronics for 50 kW/85 kHz automotive IPT system. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 5(1):419–431.
- Choi SY, Gu BW, Jeong SY, Rim CT. 2015. Advances in wireless power transfer systems for roadway powered electric vehicles. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 3(1):18–36.
- Covic GA, Boys JT. 2013. Inductive power transfer. Proceedings of the IEEE 101(6):1276–1289.
- Davis SC, Williams SE, Boundy RG. 2016. Transportation Energy Data Book, edition 35. Oak Ridge National Laboratory (ORNL).
- FCC [Federal Communications Commission]. 2014. Part 15: Radio frequency devices. Electronic Code of Federal Regulations, Title 47: Telecommunications (47CFR15). https://www.fcc.gov/general/rules-regulations-title-47.
- ICNIRP [International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection]. 1998. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz).
- Health Physics 74(4):494–592.
- Kumar A, Pervaiz S, Chang CK, Korhummel S, Popovic Z, Afridi KK. 2015. Investigation of power transfer density enhancement in large air-gap capacitive wireless power transfer systems. Proceedings of the IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC), May 13–15, Boulder.
- Lim Y, Tang H, Lim S, Park J. 2014. An adaptive impedance-matching network based on a Novel capacitor matrix for wireless power transfer. IEEE Transactions on Power Electronics 29(8):4403–4413.
- Lu F, Zhang H, Hofmann H, Mi C. 2015. A double-sided LCLC-compensated capacitive power transfer system for electric vehicle charging. IEEE Transactions on Power Electronics 30(11):6011–6014.
- Onar OC, Miller JM, Campbell SL, Coomer C, White CP, Seiber LE. 2013. A novel wireless power transfer system for in-motion EV/PHEV charging. Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), March 17–21, Long Beach, CA.
- Regensburger B, Kumar A, Sinha S, Doubleday K, Pervaiz S, Popovic Z, Afridi KK. 2017. High performance large air-gap capacitive wireless power transfer system for electric vehicle charging. Proceedings of the IEEE Transportation Electrification Conference & Exposition (ITEC), June 13–15, Chicago.
- Shekhar S, Mishra S, Joshi A. 2013. A utility interfaced half-bridge based capacitively coupled power transfer circuit with automatic frequency control. Proceedings of the IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), September 15–19, Denver.
- Sinha S, Kumar A, Pervaiz S, Regensburger B, Afridi KK. 2016. Design of efficient matching networks for capacitive wireless power transfer systems. Proceedings of the IEEE Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), June 27–30, Trondheim, Norway.
- Sinha S, Kumar A, Afridi KK. 2017. Active variable reactance rectifier: A new approach to compensating for coupling variations in wireless power transfer systems. Proceedings of the IEEE Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), July 9–12, Stanford, CA.
- Tesla N. 1891. Experiments with alternating currents of very high frequency and their application to methods of artificial illumination. Evening session at Columbia College, June 20, New York.
- Theodoridis MP. 2012. Effective capacitive power transfer. IEEE Transactions on Power Electronics 27(12):4906–4913.
- Waters BH, Mahoney BJ, Ranganathan V, Smith JR. 2015. Power delivery and leakage field control using an adaptive phased-array wireless power system. IEEE Transactions on Power Electronics 30(11):6298–6309.

- Zhang H, Lu F, Hofmann H, Liu W, Mi C. 2016. A four-plate compact capacitive coupler design and LCL-compensated topology for capacitive power transfer in electric vehicle charging application. IEEE Transactions on Power Electronics 31(12):8541–8551.

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