Diseño y análisis de un sistema de carga inalámbrica de inducción bidireccional para vehículos eléctricos utilizando simulaciones basadas en Matlab-Simulink

Abstract

La crisis climática que estamos experimentando, y para la cual se prevé un empeoramiento considerable en las próximas décadas, unida al inminente agotamiento de los combustibles fósiles y, recientemente, a conflictos geopolíticos que dificultan el comercio de combustibles; han sido el caldo de cultivo propicio para que se propulsen el uso de energías renovables y los vehículos eléctricos. Por eso, el objetivo de este trabajo es estudiar y simular una de las propuestas de vehículo eléctrico más novedosas: la carga inalámbrica de motores eléctricos. En este Trabajo Fin de Grado se analizará el estado del arte en cuestión de vehículos eléctricos y se revisará la mencionada carga inalámbrica propuesta en la tesis doctoral del Dr. Roman Bosshard [1], de donde se obtendrán todos los datos del diseño necesarios. El sistema de carga consta de 3 topologías: un rectificador trifásico conectado a la red, un convertidor Dual Active Bridge mediante el cual se realizará la transferencia inductiva de la potencia, donde no se utiliza un transformador de alta frecuencia, si no que se utilizan bobinas acopladas, una en el asfalto y otra en el pick-up del VE, y un convertidor DC/DCreductor y elevador para suministrar la potencia necesaria a la batería del vehículo. El funcionamiento del sistema de carga debe ser bidireccional proporcionando carga a la batería del vehículo, pero también pudiendo descargar la batería y proporcionando energía a la red eléctrica, para poder realizar una estrategia de control Vehicle to Grid (V2G). Para cada topología se hará un estudio detallado e independiente de su funcionamiento y de su sistema de control. Además, se harán modificaciones de parámetros de componentes del sistema para adecuarlo a las especificaciones del diseño objeto de este TFG, que varían respecto del modelo de referencia. Por último, se hará una simulación y análisis de los resultados del sistema completo incluido el algoritmo de control propuesto en [1], verificando que los resultados son los esperados.

The climate crisis we are experiencing, which is expected to worsen considerably in the coming decades, coupled with the imminent depletion of fossil fuels and, recently, geopolitical conflicts that hinder fuel trade, have been the breeding ground for the use of renewable energies and electric vehicles. Therefore, the aim of this dissertation is to study and simulate one of the most novel electric vehicle proposals: the wireless charging of electric motors. In this dissertation, the state of the art in electric vehicles will be analyzed and the aforementioned wireless charging proposed in the PhD thesis of Dr. Roman Bosshard [1] will be reviewed, from which all the necessary design data will be extracted. The charging system consists of 3 topologies: a three-phase rectifier connected to the grid, a Dual Active Bridge converter by which will perform the inductive power, where coupled coils are used instead of a high frequency transformer, one on the track and one on the pick-up of the EV, and a Buck + Boost DC/DC converter to supply the necessary power to the vehicle battery. The operation of the charging system must be bidirectional providing charge to the vehicle battery, but also being able to discharge the battery and providing power to the grid, in order to realize a Vehicle to Grid (V2G) control strategy. For each topology, a detailed and independent study of its operation and control strategy will be made. In addition, modifications of system component parameters will be made to adapt it to the specifications of the design object of this dissertation, which vary with respect to the reference model. Finally, a simulation and analysis of the results of the complete system including the control algorithm proposed in [1] will be performed, verifying that the results are as expected.