Estudio de sistemas de cargadores a bordo para vehículos eléctricos y modelado a través de Simulink del OBC del Chevrolet Volt de segunda generación

Abstract

La popularidad creciente del vehículo eléctrico como alternativa al consumo de combustibles fósiles ha llevado al estudio de nuevas tecnologías en el diseño de los sistemas de carga y de las baterías. La comprensión de una terminología mínima adquiere peso en la industria no solo del automóvil, sino también eléctrica y de control. Numerosas topologías y diseños de cargadores han surgido desde sus inicios en el siglo XIX, siendo recurrentes en su desarrollo los términos de eficiencia, densidad de potencia, seguridad, autonomía y tiempo de carga. Para que estos vehículos, eléctricos o híbridos, puedan ofrecerse como soluciones frente a sus análogos de combustión deben salvar los obstáculos que imponen cada uno de los citados conceptos, siendo siempre los más críticos desde el punto de vista del usuario, la autonomía y el tiempo, resultando los otros inherentes a ellos. El estudio aquí presentado hace un breve análisis de las topologías más destacadas fundamentalmente desde el punto de vista de la electrónica de potencia, con el objetivo final de elaborar un modelo para simulación que reúna las características principales que mejor puedan reflejar el comportamiento de un cargador a bordo “estándar”, si bien este término no resulta práctico ante la diversidad de modelos existente. El proyecto se divide así en cinco capítulos; una breve introducción, seguida de dos capítulos de análisis de topologías, uno de diseño y finalmente un último capítulo que abordará la discusión de los resultados obtenidos tras la ejecución de las simulaciones. La finalidad es la obtención de un modelo que permita el estudio futuro de sistemas de carga bajo técnicas HIL en plataformas de tiempo real el cual pueda ofrecer resultados más fidedignos a los obtenidos en este estudio teórico. Para su diseño se ha decido tomar como punto de partida el cargador utilizado en el Chevrolet Volt de segunda generación, elección que se justifica por la fácil ejemplaridad que toma su esquema para la comprensión de estos conceptos, así como por la alta eficiencia demostrada por el conjunto. La investigación llevada a cabo junto con las consideraciones tomadas para la implementación software del modelo propuesto, se quiere presentar de esta manera como una base a proyectos futuros salvando obstáculos que posiblemente se encuentren con frecuencia en la comprensión de estas tecnologías.

The growing popularity of electric vehicles as an alternative to fuel consumption has led to the study of new technologies in the design of charging systems and batteries. The understanding of minimal terminology is gaining major importance in the automotive, electrical and control industries. Numerous charger topologies and designs have emerged since their origins back then in the 19th century, with the concepts of efficiency, power density, safety, autonomy and charging time being recurring in their development. For these vehicles, electric or hybrid, to offer themselves as valid options to their combustion analogues, they must overcome the obstacles imposed by each of the aforementioned concepts, being autonomy and charging time the most critical from the user's point of view, whereas the others being inherent to them. This study presented makes a brief analysis of the most important topologies, mainly from the point of view of power electronics, with the final objective of developing a model for simulation that brings together the main characteristics that can best reflect the behaviour of a "standard" on-board charger, although this term may not be practical in view of the diversity of existing models. The project is thus divided into five chapters: a brief introduction, followed by two chapters on topology analysis, one on design and a final chapter for the discussion of the results obtained after simulation. The objective is the elaboration of a model that allows the future study of charging systems under HIL techniques on real-time platforms, which could offer more reliable results than those obtained in this theoretical study. For its design, it has been decided to take as a starting point the charger model used in the second-generation Chevrolet Volt, a choice that is justified by the easy exemplarity of its scheme for the understanding of these concepts, as well as the high efficiency demonstrated by the set. The research carried out with the considerations taken for the software implementation of the proposed model, is thus intended to be presented as a basis for future projects by overcoming obstacles that are likely to be encountered frequently in the understanding of these technologies.