Tecnología revolucionaria de elevación por multiplexación de tracción soluciona la brecha entre vehículos eléctricos de alta tensión y estaciones de carga de baja tensión
La industria automotriz está viviendo una transformación sin precedentes, impulsada por la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles. Los vehículos eléctricos (VE) han emergido como la alternativa más prometedora, pero su desarrollo se enfrenta a un reto crucial: la incompatibilidad entre las arquitecturas de alta tensión (800 V) que ofrecen mejor rendimiento y carga más rápida, y la infraestructura de carga existente, que sigue dominada por estaciones de baja tensión (400 V). En este contexto, un grupo de investigadores ha desarrollado una tecnología innovadora que permite a los vehículos de alta tensión utilizar las estaciones de carga convencionales, marcando un hito en la evolución de la movilidad eléctrica.
El desafío de la transición a la alta tensión
A medida que la escasez de energías fósiles y la degradación ambiental empeoran, los países alrededor del mundo buscan modos de vida más sostenibles. Los vehículos eléctricos, como pilar de la transición energética y la movilidad baja en carbono, han recibido un apoyo político significativo, especialmente en China, donde el gobierno ha destacado que son la vía obligatoria para convertir el país en una potencia automotriz. Sin embargo, su adopción masiva se enfrenta a obstáculos como la autonomía limitada, la dificultad para cargar y la lentitud de los procesos de recarga.
Para superar estos problemas, la industria se está moviendo hacia arquitecturas de 800 V. Estas sistemas no solo permiten cargar más rápido, sino también mejorar la eficiencia energética, aumentar la potencia y reducir el peso de los cables, optimizando el diseño del vehículo. Modelos como el Porsche Taycan, el Hyundai Ioniq 5, así como los de fabricantes chinos como Xpeng, Li Auto, BYD y GAC, ya incorporan esta tecnología. Sin embargo, la infraestructura de carga no ha avanzado al mismo ritmo: más del 93,3% de las estaciones de carga DC existentes operan a menos de 500 V. Las estaciones de alta tensión requieren inversiones mayores en la red eléctrica y tienen un costo de construcción más elevado, lo que retrasa su difusión. Por ello, el principal reto es garantizar que los vehículos de 800 V puedan compatibilizarse con las estaciones de baja tensión durante esta transición.
Una idea brillante: reutilización del sistema de tracción
Los investigadores se centraron en una observación clave: los sistemas de tracción y de carga de un vehículo eléctrico no funcionan simultáneamente. Mientras el vehículo está en movimiento, el sistema de tracción (motor y controlador) está activo, y el sistema de carga está inactivo; cuando se detiene para cargar, sucede lo contrario. Esta característica permite diseñar una solución que reutiliza los componentes del sistema de tracción para actuar como elevador de tensión durante la carga, eliminando la necesidad de un cargador on-board separado y reduciendo costos, peso y espacio en el vehículo.
La tecnología propuesta convierte el motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) y su inversor en un convertidor Boost de alta potencia en modo carga. Específicamente, las bobinas del motor actúan como inductores de almacenamiento de energía, y el inversor trifásico funciona como módulo de conmutación de rectificación sincrónica. Solo se añaden dos interruptores relé y algunos componentes pasivos para habilitar la función de reutilización, lo que hace que la solución sea económica y fácil de integrar.
En modo carga, el sistema opera como un circuito Boost trifásico interleaved (en paralelo entrelazado). Este diseño permite elevar la tensión de salida de la estación de carga (450 V) a la necesaria para la batería del vehículo de alta tensión (880 V). La interleavencia reduce las ondulaciones de corriente, garantizando una transferencia de energía estable y eficiente.
Superando obstáculos técnicos: modelado y control
El éxito de esta tecnología depende de entender cómo funcionan las bobinas del motor cuando se usan como inductores. Las bobinas del motor PMSM tienen relaciones de inductancia mutua complejas, y su valor varía con la posición del rotor. Los investigadores desarrollaron modelos matemáticos para describir estas variaciones, demostrando que la inductancia de cada fase cambia periódicamente con el ángulo del rotor. Esto podría afectar el rendimiento del convertidor Boost, por lo que diseñaron una solución: añadir un inductor externo para compensar los efectos negativos de la inductancia mutua, asegurando que el sistema funcione de manera consistente en todas las posiciones del rotor.
Otro aspecto crucial es la estrategia de control. Los investigadores compararon dos enfoques: el control de doble lazo (tensión y corriente), tradicional en los convertidores, y una estrategia híbrida que combina control PI (proporcional-integral) y control predictivo basado en modelo (MPC). El control de doble lazo, aunque efectivo, presenta desventajas como la dificultad en la sintonización de parámetros y una respuesta lenta a cambios en las condiciones de operación.
La estrategia híbrida PI-MPC, en cambio, ofrece mejoras significativas. Mantiene el regulador PI en el lazo de tensión para garantizar precisión en estado estable y utiliza el MPC en el lazo de corriente para mejorar la respuesta dinámica. El MPC predice el comportamiento futuro del sistema basado en su modelo matemático, seleccionando la mejor configuración de los interruptores para minimizar errores y ondulaciones. Esto permite una respuesta más rápida a cambios en la carga o la tensión de entrada, con menos sobretensiones y una mayor estabilidad.
Validación por simulación y experimentación
Para confirmar la efectividad de su diseño, los investigadores realizaron simulaciones detalladas usando Simulink, con parámetros basados en un motor PMSM real. Las simulaciones compararon el control de doble lazo y la estrategia híbrida PI-MPC en diferentes posiciones del rotor, evaluando métricas como ondulaciones de corriente, tiempo de respuesta y estabilidad.
Los resultados mostraron que, en estado estable, ambas estrategias mantienen ondulaciones bajas, pero en escenarios dinámicos (cambios bruscos en la carga o la tensión de entrada), la estrategia PI-MPC supera al control de doble lazo. Por ejemplo, cuando la carga se reduce repentinamente, el sistema con PI-MPC alcanza la estabilidad en 8,66 ms, mientras que el control de doble lazo tarda 12,03 ms. Además, las sobretensiones son menores, lo que protege la batería y los componentes.
Para validar estos resultados en el mundo real, los investigadores construyeron una plataforma experimental de 50 kW, equipada con un motor PMSM de 250 kW, controlador de potencia, inductor externo, banco de resistencias y instrumentos de medición. Los parámetros del experimento (tensión de entrada 250 V, salida 400 V) fueron escogidos para reflejar condiciones realistas.
Los resultados experimentales confirmaron los hallazgos de las simulaciones: el sistema logra una elevación de tensión estable, con corrientes equilibradas en las tres fases y ondulaciones de entrada dentro de los límites aceptables. La estrategia PI-MPC demostró una mejor respuesta dinámica, con menos sobrecorrientes y tiempos de estabilización más cortos que el control de doble lazo. Estos resultados validan la efectividad de la tecnología propuesta, tanto en estado estable como en condiciones variables.
Impacto en la industria automotriz y movilidad sostenible
Esta tecnología de reutilización del sistema de tracción para elevación de tensión tiene un impacto profundo en la industria de los vehículos eléctricos. Primero, resuelve el problema de compatibilidad entre vehículos de alta tensión y estaciones de carga existentes, acelerando la adopción de arquitecturas de 800 V sin esperar a que se actualice toda la infraestructura. Esto reduce la brecha entre la tecnología de los vehículos y la infraestructura, making la movilidad eléctrica más accesible.
Segundo, reduce costos y peso. Al eliminar la necesidad de un cargador on-board separado, se ahorran componentes, espacio en el vehículo y costos de fabricación. Esto hace que los vehículos eléctricos sean más competitivos en precio, fomentando su adopción masiva.
Tercero, mejora la eficiencia y la sostenibilidad. Al reutilizar componentes existentes, se reduce el consumo de materiales y la generación de residuos, alineándose con los objetivos de la economía circular. Además, la mayor eficiencia de la conversión energética reduce las pérdidas, aumentando la autonomía efectiva del vehículo.
Más allá de los vehículos particulares, esta tecnología podría aplicarse en autobuses, camiones eléctricos y otros vehículos comerciales, donde la infraestructura de carga es aún más limitada. También podría inspirar desarrollos en otros campos, como sistemas de almacenamiento de energía o convertidores de potencia para redes inteligentes.
Conclusión: hacia una movilidad eléctrica sin barreras
La tecnología de reutilización del sistema de tracción para elevación de tensión es un ejemplo brillante de cómo la innovación puede superar los desafíos de la transición energética. Al aprovechar la sinergia entre los sistemas de tracción y carga, los investigadores han diseñado una solución práctica, económica y eficiente que acelera la adopción de vehículos eléctricos de alta tensión.
Los resultados de las simulaciones y experimentos demuestran que el sistema funciona de manera fiable, con excelente rendimiento en estado estable y respuesta dinámica. Esto no solo beneficia a fabricantes y consumidores, sino también contribuye a la desarrollo de una infraestructura de carga más sostenible y adaptable.
A medida que la industria continúa avanzando hacia arquitecturas de mayor tensión, soluciones como esta serán cruciales para garantizar una transición fluida, inclusiva y eficiente. La movilidad eléctrica no dependerá solo de vehículos más avanzados, sino también de tecnologías que hagan que la carga sea accesible para todos, en cualquier lugar.
Este trabajo fue realizado por Hou Wenbo, Yang Ping, Chen Ke, Qu Bo y Wu Wenrong, de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Jiaotong del Suroeste (Chengdu) y el Instituto de Investigación Científica de Electricidad de China (Beijing). Sus resultados fueron publicados en la revista «Transactions of China Electrotechnical Society» (Vol. 39, Suplemento 1, diciembre de 2024) con DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L11033.