Gracias al diseño y la implementación del prototipo de un convertidor de potencia de alta eficiencia -uno de los elementos más importantes del sistema eléctrico de un vehículo- se optimizarían el desempeño y la eficiencia de la energía de estos carros en terrenos más complejos.

Los vehículos eléctricos actuales están diseñados para ambientes seguros y topologías estables, pero muchos lugares del mundo, y particularmente Colombia, presentan variaciones topográficas y condiciones de terreno bastante inestables. De esa idea partió la investigación del  ingeniero Freddy Alexander Velandia Vivas, magíster en Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional de Colombia (U.N.).

“Si cuando voy a subir una pendiente el carro exige un mayor gasto energético tengo que ser muy cuidadoso con el consumo de esa energía. Por eso inicialmente se trabajó en incrementar la eficiencia que se tiene en los convertidores actuales para que ese gasto energético sea muy mesurado y se maximice su aprovechamiento”, explica el magíster.

Para responder a este contexto, el investigador diseñó un convertidor de potencia, dispositivo encargado de elevar el voltaje del carro para mantenerlo constante: “por ejemplo los supercapacitores del vehículo eléctrico trabajan con 300 voltios, pero cuando se descargan bajan a 174; la idea del convertidor era tomar esos 174 voltios y mantener siempre 300 voltios a la salida”, explica.

A partir de un trabajo del doctor Wilmar Martínez, egresado de la U.N. y profesor asistente de la Universidad Católica de Lovaina (KU Leuven) y EnergyVille en Bélgica, que consistió en el diseño del sistema eléctrico de un vehículo eléctrico, el investigador Velandia se centró en el convertidor de potencia de dicho carro.

Por eso explica que “analicé cuál era el convertidor más adecuado en términos de eficiencia, es decir que me produjera la menor cantidad de pérdidas y que la densidad de potencia también fuera la más adecuada; esta se refiere a la relación que existe entre la potencia y el volumen, para el caso, en un convertidor.

Aunque las tecnologías de almacenamiento actuales son una posible solución para disminuir la problemática del cambio climático, presentan desempeños inferiores comparadas con los sistemas convencionales de energía. Por ejemplo los combustibles fósiles –como la gasolina– proporcionan mayor densidad energética y flexibilidad que la batería más avanzada: 13 kWh/kg frente a 0,16 kWh/kg de las recientes generaciones comerciales de baterías de ion-litio.

Prácticas en Japón

El investigador trabajó particularmente con un convertidor intercalado con acoplamiento magnético, utilizado por las marcas Toyota Mirai (utiliza un convertidor con intercalamiento de fases sin acoplamiento magnético) y Honda Clarity (utiliza un convertidor con intercalamiento y acoplamiento magnético entre dos fases), a las que tuvo acceso gracias a la colaboración del doctor Masayoshi Yamamoto, de la Universidad de Shimane en Japón, en donde el magíster realizó dos prácticas.

Con la dirección del doctor Camilo Cortés, vicedecano de Investigación y Extensión de la Facultad de Ingeniería de la U.N., a este convertidor se le integró el diseño de una nueva topología de núcleo magnético, el cual integra cuatro fases que logran una adecuada distribución de flujo magnético y su utilización en convertidores intercalados.

“Se diseñó un núcleo nuevo, que no está en el mercado, y que eventualmente se puede ofrecer a una compañía para su producción en serie. Ese acoplamiento magnético me permite, por un lado, incrementar la eficiencia, y por otro hacer mi convertidor más pequeño, es decir que me entregue la misma potencia en un espacio o volumen más reducido”, señala el investigador.

Gracias a eso la eficiencia del convertidor llegó hasta un 98,6 % y a alrededor de 1,4 % en pérdidas. Además, se trata de una variación que representa ventajas para reducir el peso del circuito del convertidor en el vehículo.

“La densidad de potencia en el convertidor que se diseñó para una potencia de 100 kW fue de 8,46 kW por kg. Si se compara con el núcleo comercial más grande del mercado, este alcanza a entregar una densidad de potencia máxima de 3,57 kW por kg. La densidad de potencia se incrementó un poco más del doble”, indica el ingeniero.