Modelado y diseño de enlaces inductivos para cargadores inalámbricos de vehículos eléctricos

Vidal-Aragón Sáenz de Tejada, Jacobo (2017). Modelado y diseño de enlaces inductivos para cargadores inalámbricos de vehículos eléctricos. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Modelado y diseño de enlaces inductivos para cargadores inalámbricos de vehículos eléctricos
Autor/es:
  • Vidal-Aragón Sáenz de Tejada, Jacobo
Director/es:
  • Oliver Ramírez, Jesús Angel
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Septiembre 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Estudiar a partir de ANSYS Maxwell (herramienta de elementos finitos) el acoplamiento del enlace inductivo de un cargador inalámbrico para su posterior aplicación en vehículos eléctricos. Ante una sociedad cada vez más concienciada acerca de la importancia del cambio climático, los vehículos eléctricos o híbridos se presentan como una interesante alternativa a los medios de transporte de combustión por su menor huella de carbono. La principal problemática a la que se afrontan es la falta de autonomía de estos vehículos que si bien ha mejorado con la aparición de las baterías de ión-litio, sigue siendo muy reducida. Es por este mismo motivo por lo que hace ya unos años aparece la necesidad de crear una infraestructura capaz de soportar este medio de transporte. Sería un par de años después cuando se plantearía como alternativa a la carga tradicional (vía cable) la carga inalámbrica de tal forma que se eliminaba la conexión galvánica y el factor humano permitiendo la integración de estos puntos de recarga en casi cualquier parte: en la propia carretera, en un semáforo… Actualmente esta tecnología tiene un menor rendimiento que la alámbrica debido a que el enlace inductivo que se establece a través del aire está muy condicionado, entre otras razones por el tamaño del devanado receptor (que debe de ir en un vehículo) o la disminución del coeficiente de acoplamiento asociada al desalineamiento de los devanados. Este enlace inductivo está compuesto por dos devanados separados una distancia aproximada de 16 cm: uno situado en el punto de recarga y que genera un campo magnético variable; y otro situado en el coche, que recibe el campo magnético del primario induciendo una corriente alterna que tras procesarse mediante electrónica de potencia carga la batería. Ambos devanados llevan consigo un elemento de alta permeabilidad magnética en este caso ferrita que permite aumentar y dirigir el campo magnético. El rendimiento del enlace depende de dos parámetros fundamentales que son: −El factor de calidad del bobinado (Q): que a su vez depende del coeficiente de autoinducción (L), la frecuencia de trabajo (w) y la resistencia del conductor (R). −El coeficiente de acoplamiento (K): que depende de la geometría, del material y de la disposición de ambos devanados. Puesto que ya existen análisis que relacionan la influencia del posicionamiento a nivel global entre los devanados con los principales parámetros a estudiar, en este trabajo se pretende entrar más al detalle de cómo diseñar la propia bobina en sí para optimizar sus características. Para ello se propone como medio ANSYS MAXWELL, una herramienta de análisis de elemento finitos que permite simular estructuras magnéticas con un alto grado de fiabilidad, precisión y sobretodo con un menor coste material y mayor flexibilidad que en caso de hacerlo experimentalmente. Se ha elaborado además un breve manual para facilitar este tipo de diseños en este entorno. El estudio se ha realizado a partir de 3 diseños en 3D: −DISEÑO A: Enlace inductivo simple compuesto por dos devanados simétricos en distribución rectangular y dos planchas de ferrita. Permite analizar la influencia sobre R, L y K del tamaño, forma y disposición del devanado. −DISEÑO B: Enlace inductivo basado en el Diseño A pero con las planchas de ferrita subdivididas en pequeñas barras. Permite analizar la influencia sobre R, L y K de la disminución de la cantidad de ferrita y del efecto de las discontinuidades que se generan. −DISEÑO C: Enlace inductivo compuesto por dos devanados simétricos en distribución doble D y 10 planchas de ferrita (5 con cada devanado). Permite analizar la influencia sobre R, L y K de la separación entre las barras de ferrita. La mejora y análisis de los cargadores inalámbricos abrirá camino a atractivas y útiles prestaciones para el sector del transporte eléctrico como las ya mencionadas en la introducción. Además el rango de aplicación de esta tecnología es vastísimo lo cual hace su estudio aún más interesante. Los últimos avances en tecnología de materiales están permitiendo la fabricación de microhilos y micropartículas de ferrita que embebidos en polímeros mejorarán la tenacidad de la ferrita permitiendo eliminar todo el sistema de sustentación que estos cargadores requieren. Además con el avance de la open innovation e iniciativas como la liberación de patentes de Tesla se prevé una nueva concepción del desarrollo y una mejora a la hora de la elaboración de estándares y de la compatibilidad. A nivel técnico este trabajo aporta las siguientes pautas a seguir a la hora de mejorar el acoplamiento en el enlace: −Empezar a bobinar lo más próximos posible al encapsulado. −Buscar el máximo factor KQ asociado al equilibrio entre el ancho del devanado y el área interna del mismo. −Evitar situar la ferrita superpuesta al bobinado. Es preferible usar un área menor a la del bobinado ya que a alta frecuencia las pérdidas por Foucault son considerables. −Fragmentar la plancha de ferrita en barras mejora la resistencia ante vibraciones, sin suponer una gran pérdida de propiedades. −Eliminar en caso de ser necesario la ferrita interior (número de barras pares).

Más información

ID de Registro: 47862
Identificador DC: http://oa.upm.es/47862/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47862
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 26 Sep 2017 07:09
Ultima Modificación: 26 Sep 2017 07:09
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