Estudio de geometrías de devanado para transferencia de energía inalámbrica en vehículos eléctricos

Abstract

Los constantes cambios que se están experimentando en el sector de la automoción, especialmente en los últimos años, están llevando a un incremento de las ventas de vehículos eléctricos, si bien este aumento aún no representa un alto porcentaje dentro las cifras de ventas en el mercado. Esto es debido a las grandes barreras a superar por esta tecnología, como son la autonomía de los vehículos así como la infraestructura de recarga. Los sistemas de transferencia de energía inalámbrica (Wireless Power Transfer systems) se presentan como una alternativa potencial y atractiva para superar dichos retos, gracias a la comodidad que ofrece al usuario, que podría incluso recargar la batería con el vehículo en movimiento, reduciendo así el tamaño y el coste de las mismas. No obstante, esta tecnología aún presenta líneas de investigación abiertas que serán cruciales para la implantación masiva de este sistema. En este contexto, el presente Trabajo de Fin de Grado realiza un estudio sobre las diferentes geometrías empleadas en los devanados de los sistemas WPT para vehículos eléctricos, modelando y simulando los diferentes bobinados mediante el empleo de una herramienta de elementos finitos, en este caso, Ansys Maxwellâ. Para garantizar un correcto empleo de esta herramienta se comienza con el estudio de antenas comerciales, de cara a validar los resultados obtenidos en las simulaciones para el acoplamiento magnético, la inductancia y el campo magnético, 3 parámetros esenciales para la caracterización de los diseños destinados a aplicaciones WPT. De cara a identificar el comportamiento de los vehículos que implementen esta tecnología, se estudian 3 geometrías principales de bobinado: rectangular, circular y en doble -D. Se observa la evolución de los parámetros implicados en la carga inalámbrica al aumentar el área del devanado hacia el interior y hacia el exterior, de forma que se adquiera una metodología que permita conocer el área que conduce a un rendimiento óptimo en cada caso. Una vez que se conoce el área optima, se procede al análisis del comportamiento de estas geometrías frente a las deviaciones entre la bobina transmisora y la receptora que pueden darse a la hora de colocar el vehículo. Así mismo, se estudia el campo magnético para poder comparar los diseños y conocer aquellas distribuciones que minimizan la exposición del usuario a radiaciones. Tras caracterizarse el comportamiento de los bobinados, se aplican los conocimientos adquiridos a la optimización del diseño propuesto por la SAE J2954 para potencias de trabajo de 7,7 kVA con una distancia entre primario y secundario de entre 100 y 150 mm. Se realiza en primer lugar un estudio completo de este modelo, calculando sus rendimientos para todas las posiciones de trabajo posibles. Este trabajo concluye con la propuesta de dos diseños de bobinado optimizados que mejoran los rendimientos expuestos en la SAE J2954.