Modelado, simulación y optimización por elementos finitos de enlaces inductivos para carga inalámbrica de vehículos eléctricos

Abstract

Los vehículos eléctricos han experimentado un gran desarrollo en los últimos años debido a que constituyen una alternativa limpia y fiable con respecto a los vehículos tradicionales, propulsados por combustibles fósiles. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes que presenta esta tecnología son los elevados tiempos de carga de baterías, así como la necesidad de utilizar una conexión cableada, lo cual puede resultar incómodo y puede originar ciertas situaciones de riesgo para el usuario.
Una rama de investigación destinada a consolidar el mercado de los vehículos eléctricos se centra, precisamente, en eliminar la carga a través de cables. Se trata de los sistemas de carga inalámbrica, una tecnología consolidada en mercados de potencias bajas y que se está implementando en el sector del vehículo eléctrico. A través de la inducción magnética entre una antena emisora, situada en el suelo, y una antena receptora, localizada en el chasis del vehículo, se puede transferir potencia de la fuente de electricidad a la batería del vehículo. Se ha visto que al trabajar en la frecuencia de resonancia magnética de las antenas se obtienen rendimientos en la transmisión de energía muy elevados.
Sin embargo, este sistema genera un elevado campo magnético, que supera con creces el límite de exposición humana. Para garantizar la seguridad de los usuarios en esta materia se necesitan blindajes o apantallamientos magnéticos que, de manera pasiva, reduzcan el campo magnético emitido al ambiente durante el proceso de recarga.
En este proyecto se busca optimizar los diseños de esta incipiente tecnología. Realizar esta optimización a partir del modelado con las ecuaciones analíticas del electromagnetismo es una tarea muy compleja, por lo que se recurre a herramientas de análisis por elementos finitos por ordenador, las cuales permiten reducir de manera notable la complejidad y el tiempo de análisis. La herramienta empleada es ANSYS Maxwell, un software muy utilizado en el campo de la ingeniería.
Para poder realizar simulaciones por medio de ANSYS Maxwell es necesario en primer lugar realizar un modelado de las antenas de transferencia de potencia y comprobar la validez de dicho modelado mediante mediciones en dispositivos reales.
Una vez validado el modelo a aplicar ha sido utilizado para llevar a cabo diversas simulaciones en relación a diferentes posibilidades de mejora y optimización de los diseños actuales. En primer lugar, se ha estudiado por medio de la herramienta ANSYS Maxwell cómo optimizar el acoplamiento entre antenas para diferentes tamaños. Por otro lado, se ha llevado a cabo un estudio del conductor ideal a emplear en los bobinados con el objetivo de minimizar las pérdidas a un coste razonable. Además, se ha realizado un análisis de los sistemas de apantallamiento y se han planteado diferentes estrategias de optimización que han sido corroboradas mediante la herramienta ANSYS Maxwell.
Finalmente, se ha estudiado el efecto de la incorporación a los sistemas de nuevos materiales compuestos de polvos magnéticos en matriz de polímero.
Como añadido, se ha propuesto un prototipo de transferencia inalámbrica de potencia a partir de las investigaciones de optimización realizadas en las diferentes áreas.
En el presente documento se recogen además planteamientos acerca de futuras investigaciones, un capítulo sobre el impacto social y medioambiental del proyecto y otro que recoge la planificación temporal y el presupuesto empleado en el trabajo.