Convertidores bidireccionales para aplicaciones en tracción eléctrica
Resumen
Actualmente, existe una tendencia en el sector del transporte hacia tecnologías de cero-emisiones que permitan la transición de combustibles fósiles a energías renovables. Los convertidores de voltaje pertenecen a la disciplina de Ingeniería de Potencia y son considerados como dispositivos clave para alcanzar la electrificación de los vehículos.
Para explicar cómo funcionan los convertidores bidireccionales, podríamos usar una analogía simple. Suponga que viaja de Inglaterra a Estados Unidos. Allí, estás en un restaurante y quieres pagar la comida, pero ellos solo reciben dólares estadounidenses y tú solo tienes libras esterlinas. Entonces, necesitas convertir tú moneda a la moneda local y, para hacerlo, buscas un centro de cambio de moneda, también conocido como convertidor de moneda. Más tarde, cuando regreses a tú país de origen, necesitarás tú moneda nuevamente. Es decir, se requiere una conversión para devolver la nueva moneda a la original. Este es un ejemplo muy simple de un convertidor bidireccional. Sin embargo, nuestro tema son los convertidores de corriente directa y no convierten monedas sino voltaje. De manera similar a nuestro ejemplo, necesitamos convertir el voltaje de un dispositivo para que coincida con el voltaje nominal de otro con la capacidad de devolver el voltaje convertido al original.
Esto es importante para aplicaciones en las que es necesario acoplar dispositivos con diferentes clasificaciones de voltaje. Por ejemplo, la batería y el motor eléctrico en los coches eléctricos. La batería tendrá un voltaje nominal que debe convertirse al voltaje requerido por el motor. Además, la direccionalidad en ambos sentidos es necesaria ya que el motor también puede funcionar como generador; por lo tanto, no solo extrae energía de la batería, sino que también le proporciona energía. Cuando el motor eléctrico funciona como generador, su voltaje debe convertirse antes de que pueda alimentarse a la batería. Entonces, se requiere un convertidor bidireccional.
Como se mencionó anteriormente, los motores eléctricos tienen la ventaja de alternar entre los modos de funcionamiento como motor y generador. Además, pueden alcanzar eficiencias superiores al noventa por ciento que superan con creces las de los motores tradicionales de combustión interna que se utilizan actualmente en la mayoría de los automóviles. Entonces, para desarrollar vehículos más eficientes, surge la necesidad de desarrollar convertidores bidireccionales que puedan acoplar eficientemente el almacenamiento de energía al motor eléctrico.
Hasta ahora, hemos declarado que el motor es el único dispositivo conectado a la batería. Sin embargo, en un vehículo eléctrico, la batería es la principal fuente de energía que suministra voltaje a todos los sistemas, cada uno con una potencia nominal diferente. Entonces, el voltaje debe convertirse en ambos sentidos y en un amplio rango, diferente al de su fuente original. Vale la pena agregar que la batería debe tener la capacidad de recargarse desde la red eléctrica. Aunque los convertidores de corriente-alterna, (AC), realizan esta tarea esencial, no los revisaremos aquí.
Ya se han desarrollado diferentes enfoques para implementar convertidores bidireccionales DC-DC. En [1] se presenta una topología de inductor acoplado utilizando transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal (MOSFET), diodos, condensadores e inductores. Los diodos y transistores son dispositivos semiconductores que juegan un papel central en los convertidores y la descripción de su funcionamiento se puede encontrar en [2]. El convertidor de inductor acoplado tiene dos modos de funcionamiento: Boost y Buck con una eficiencia reportada del 96 por ciento a 3200 Watts. En el modo boost, un voltaje de entrada bajo se convierte en un voltaje de salida alto mientras que ocurre lo contrario en el modo buck. La Figura 1 muestra la topología del circuito propuesta con L1 y L2 como inductor acoplado, S1,2,3 y D1,2,3 como dispositivos de conmutación y VL como batería.
En [3], la modulación de ancho de pulso (PWM) y el control con atraso en el tiempo (TDC) se utilizan como metodologías que controlan el ciclo de trabajo de los dispositivos de conmutación en el convertidor. Debido a la variabilidad de la carga, el voltaje de salida necesita ajustes frecuentes; por lo tanto, se requieren técnicas de control avanzadas.
Ten, Cheng y Luan proponen un convertidor DC-DC bidireccional con un amplio rango de conversión de voltaje que consta de circuitos intercalados y duplicadores [4]. Como se muestra en la Figura 2, las baterías tienen valores nominales de voltaje variables de acuerdo con su aplicación original y, cuando se desechan, un convertidor bidireccional de amplio rango puede unirlas para una aplicación de segunda mano. Reportan una eficiencia superior al 98% con cuatro modos de funcionamiento: boost intercalado, boost simple, buck-boost en cascada y buck simple. El voltaje nominal de entrada en su prototipo es de 150 V con una salida de 25 V a 1050 V y una potencia de salida nominal de 1100 volts.
Figura 2 Voltaje nominal de la batería para vehículos eléctricos [4]
Un enfoque diferente se presenta en [5], con un convertidor que permite dos fuentes de entrada proporcionando así un suministro de energía continuo en caso de falla de una de las entradas como se muestra en la Figura 3. Dicho dispositivo se puede aplicar no solo en vehículos sino también en aplicaciones residenciales. Su estrategia de control utiliza control proporcional-integral (PI) en un circuito cerrado con PWM para regular el ciclo de trabajo.
Figura 3 Topología del convertidor con a) fuente de entrada principal cargando la batería y alimentando la carga b) batería como fuente
de energía cuando la entrada no está disponible [5].
En este artículo hemos presentado una breve descripción de los convertidores bidireccionales DC-DC con ejemplos de aplicación sistemas de potencia de tracción eléctrica. Se han revisado y referenciado dispositivos de última generación, lo que permite al lector interesado sumergirse profundamente en el tema. La necesidad de desarrollar sistemas de transporte más eficientes destaca estos dispositivos como componentes clave de los vehículos del futuro.
Referencias
[1] A. Ayachit, S. U. Hasan, Y. P. Siwakoti, M. Abdul-Hak, M. K. Kazimierczuk, and F. Blaabjerg, “Coupled-Inductor Bidirectional DC-DC Converter for EV Charging Applications with Wide Voltage Conversion Ratio and Low Parts Count,” in 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp. 1174–1179.
[2] E. C. Dos Santos and E. R. Cabral da Silva, Advanced Power Electronic Converters: PWM Converters Processing AC Voltages. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2014.
[3] Y.-X. Wang, F.-F. Qin, and Y.-B. Kim, “Bidirectional DC-DC converter design and implementation for lithium-ion battery application,” in 2014 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2014, vol. 2015-March, no. March, pp. 1–5.
[4] J.-H. Teng, S.-W. Chen, S.-W. Luan, and J.-R. Xu, “Bidirectional DC-DC Converter with a Wide-Range Voltage Conversion Ratio,” in 2019 IEEE 4th International Future Energy Electronics Conference (IFEEC), 2019, pp. 1–6. [5] A. Ganjavi, H. Ghoreishy, A. A. Ahmad, and Z. Zhagn, “A Three-Level Three-port Bidirectional DC-DC Converter,” in Proceedings – 2018 IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition, PEAC 2018, 2018, pp. 1–4.
Autores
Erik Martínez Vera
Universidad de las Américas Puebla
Depto de Computación, Electrónica y Mecatrónica
email: erik.martinezva@udlap.mx
Pedro Bañuelos Sánchez
Depto de Computación, Electrónica y Mecatrónica
Universidad de las Américas Puebla
email: pedro.banuelos@udlap.mx
