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Despreocupándose de la autonomía de los vehículos eléctricos gracias a la tecnología inalámbrica

La industria de la automoción está experimentando uno de los períodos más cambiantes de su historia debido a la evolución desde la propulsión con motor de combustión interna a los motores eléctricos. Si bien el desarrollo tecnológico está contribuyendo enormemente a aumentar la autonomía de los modernos vehículos eléctricos (VE), uno de los grandes obstáculos para su adopción es que al consumidor le preocupa quedarse sin batería. Aunque los esfuerzos dedicados a abordar este desafío se han centrado en fabricar mejores baterías y vehículos más eficientes, están apareciendo otras soluciones. Una de las más interesantes es la capacidad de cargar los VE de forma inalámbrica, permitiendo así que las baterías se recarguen mientras se está utilizando el vehículo y sin una conexión física a la fuente de energía. La tecnología de semiconductores está llamada a desempeñar un papel importante en el éxito de la carga inalámbrica de vehículos eléctricos.

La adopción de una nueva tecnología exige un proceso de cambio que puede resultar molesto para la mayoría de los consumidores, a diferencia de los “usuarios pioneros”, quienes parecen disfrutar del cambio de por sí. Para los VE, que se encuentran en su primera etapa de desarrollo, la preocupación por la autonomía se menciona a menudo como uno de los motivos por los cuales el grado de adopción es más lento de lo previsto. Incluso con carga completa, un VE ofrece por término medio una autonomía mucho más corta, por lo que para cualquier desplazamiento que no sea a escala metropolitana presenta un enorme inconveniente respecto a los vehículos alimentados con gasolina.

Esto hace que la recarga fuera de casa se convierta casi en una necesidad. A ello se añade que las estaciones de carga no se encuentran tan próximas unas de otras como las gasolineras, lo cual aumenta el riesgo de quedarse a medio camino. Finalmente, los tiempos de carga, si bien han disminuido notablemente gracias al avance de la tecnología de gestión de potencia, aún llevan mucho más tiempo que una parada para repostar gasolina. Aunque la infraestructura de carga crece con rapidez, sobre todo con compañías como Volkswagen AG que invierten 2.000 millones de dólares en la infraestructura de coches limpios de EE.UU. como consecuencia del acuerdo tras el escándalo de las emisiones diésel, muchas compañías buscan alternativas para recargar los vehículos de forma más práctica. Una de las principales tecnologías que se están debatiendo y evaluando es la carga inalámbrica, y en concreto la posibilidad de cargar los vehículos en movimiento. Si bien son muchos los que consideran que la carga inalámbrica es una nueva tecnología, lo cierto es que tiene más de un siglo. En 1894, en Nueva York, Nikolai Tesla logró encender unas luces en una sala del laboratorio, demostrando así la viabilidad de esta tecnología. Poco más ha sucedido después hasta que el reciente crecimiento de los dispositivos móviles ha vuelto a poner esta tecnología sobre el tapete, principalmente por su carácter práctico para los usuarios.

Cómo funciona la tecnología inalámbrica

En principio la carga inalámbrica funciona de forma parecida a la carga con cable. La tensión de la red se convierte a una corriente continua (CC) y se emplea para cargar la batería. Cuando la potencia es más elevada se utiliza una etapa de corrección del factor de potencia. Los cargadores conectados a la red suelen recurrir a un transformador con aislamiento galvánico y esta es la diferencia fundamental entre los cargadores con y sin cable. En las aplicaciones con cable el transformador es una sola unidad con un núcleo que garantiza que (casi todo) el flujo generado en el primario se acople en el secundario. Así se obtiene un alto nivel de transferencia de potencia, y por tanto un cargador eficiente. Para que el cargador sea inalámbrico se divide el transformador, separando así el primario y el secundario: el primario (transmisor) permanece en el cargador y el secundario (receptor) se coloca en el dispositivo a cargar. La distancia entre primario y secundario variará en función de la aplicación y tiene una incidencia significativa sobre el rendimiento del cargador.

Al sustituir el núcleo por aire se reduce la transferencia de flujo. Si en un transformador con núcleo eI coeficiente de acoplamiento (k) se aproxima a la unidad, en una aplicación inalámbrica k tendrá un valor aproximado de 0,25. El valor real será inversamente proporcional a la distancia entre las dos bobinas y también se verá reducido si el primario y el secundario están desalineados. No obstante, la situación se puede mejorar añadiendo una resonancia magnética en el primario y el secundario. Dos circuitos sintonizados permiten transferir la potencia a una determinada frecuencia y la eficiencia de dicha transferencia puede duplicar aproximadamente a la de una solución no resonante. Una ventaja añadida de esta técnica es que mejora el nivel de interferencias electromagnéticas (EMI), un aspecto crucial para el despliegue de la carga inalámbrica a gran escala. También permite aplicar técnicas como la conmutación a tensión cero (zero voltage switching, ZVS) o la conmutación a corriente cero (zero current switching, ZCS), que también ayudan a incrementar la eficiencia.

Estado actual de la carga inalámbrica de VE

Si bien la conexión física seguirá siendo el mejor método para la recarga de baterías muy descargadas – al menos en un futuro próximo – el objetivo es que la carga inalámbrica de VE recargue las baterías mientras el vehículo está en movimiento. La capacidad de cargar los vehículos en movimiento proporcionará una mayor autonomía y el uso de baterías más pequeñas también aumentará la autonomía al reducir la relación entre el peso de la batería y de todo el vehículo. Durante los últimos años, muchas organizaciones académicas y compañías han participado en el desarrollo de prototipos para permitir la carga inalámbrica de VE. Algunos de estos sistemas contemplan una carga estática, como el desarrollado por el Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology (IISB), que coloca las bobinas cerca de la parte delantera del vehículo para disminuir significativamente el tamaño de la bobina. En 2017 la Regional Transit Authority de Maryland hizo una demostración de otro sistema de carga estática. Se instaló una estación de carga estática a lo largo de la ruta de forma que los autobuses se pudieran recargar mientras esperaba que los viajeros subieran y bajaran del vehículo. Gracias a ello, los autobuses eléctricos ahora pueden recorrer cualquier ruta de la red. El objetivo último, desde luego, es la recarga de los vehículos mientras se desplazan por una autopista y diversas compañías han obtenido avances en este sentido. El sistema DEVC (dynamic electric vehicle charging) de Qualcomm ha demostrado ser capaz de suministrar hasta 20kW de potencia a una velocidad de unos 100 km/h.

Entre otros desarrollos destacables, el fabricante japonés de automóviles Honda presentó un documento sobre carga dinámica que describe las pruebas de un sistema con una potencia de carga de 180kW (600V CC a 300A) capaz de cargar mientras el vehículo se desplaza a 155 km/h. Si bien cada una de estas soluciones supone un gran salto adelante su interoperabilidad es fundamental, por lo que la SAE (Society of Automobile Engineers) acaba de publicar el estándar SAE J2954, la primera norma mundial para la transferencia inalámbrica de potencias de hasta 11kW.

Resumen

La carga inalámbrica es crucial para superar los inconvenientes de los VE como su menor autonomía, y para fomentar la adopción de esta tecnología en todo el mundo. Su implantación inicial, como la red de autobuses de Maryland, ya es positiva, pero las soluciones de carga dinámica como las desarrolladas por Qualcomm y Honda, entre otros, están llamados a cumplir el objetivo último de los VE, que es disponer de una autonomía ilimitada y una comodidad superiores a los coches de gasolina.

La clave de esta revolución reside en dispositivos semiconductores capaces de proporcionar la eficiencia y la fiabilidad necesarias para que estas soluciones teóricas se hagan realidad a gran escala y tengan éxito. ON Semiconductor es una compañía muy activa en este área y cuenta con una enorme experiencia por lo que respecta a la gestión de potencia y a la conversión de potencia de alta eficiencia. La gama de productos de ON Semiconductor está formada por un completo catálogo de productos, entre ellos dispositivos de conmutación discretos como IGBTs y MOSFETs de alta eficiencia, drivers para MOSFETs, sistemas de gestión de tensión y corriente, controladores y reguladores CA/CC, módulos de alimentación inteligente y productos para la gestión de baterías.



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