Vehículos eléctricos: estado actual del arte, desafíos futuros y perspectivas

E-MovilidadTrabajo de investigación

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Marzo 6th, 2022

El objetivo del estudio presentado en este artículo es proporcionar una visión general de los diversos aspectos relacionados con los vehículos eléctricos (EV), junto con todos los desafíos y perspectivas emergentes asociados. En este contexto, se analizan los tipos básicos de vehículos eléctricos y las tecnologías de carga correspondientes. Esta integración también se amplía en la tecnología de vehículos autónomos (AVs) (objetos que se conducen solos), ya que se requiere un procesamiento optimizado de la información de diversas fuentes para garantizar aspectos avanzados de gestión del tráfico.

 

By Theodoros A. Skouras

Departamento General, Universidad Nacional y Kapodistriana de Atenas, 34400 Psahna, Grecia

Y Panagiotis K. Gkonis

Universidad Nacional y Kapodestrian de Atenas

Y Charalampos N. Ilias

Departamento General, Universidad Nacional y Kapodistriana de Atenas, 34400 Psahna, Grecia


 

Resumen

 

El objetivo del estudio presentado en este artículo es proporcionar una visión general de los diversos aspectos relacionados con los vehículos eléctricos (EV), junto con todos los desafíos y perspectivas emergentes asociados. En este contexto, se analizan los tipos básicos de vehículos eléctricos y las tecnologías de carga correspondientes. Dado que se espera que los vehículos eléctricos sean un componente clave de las futuras redes eléctricas inteligentes (SEG), también se analizan los problemas de conexión a la red, junto con técnicas de carga avanzadas (es decir, transferencia de energía inalámbrica). Para ello, también se presentan y analizan las principales características, los requisitos de las comunicaciones de vehículo a red (V2G), así como los futuros desarrollos y escenarios de electrificación. Además, también se describen los problemas de integración con las redes inalámbricas móviles de quinta generación (5G) actualmente desplegadas, para garantizar una calidad de transmisión y recepción óptima en las comunicaciones V2G y una mejor experiencia del usuario. Esta integración también se amplía en la tecnología de vehículos autónomos (AVs) (objetos que se conducen solos), ya que se requiere un procesamiento optimizado de la información de diversas fuentes para garantizar aspectos avanzados de gestión del tráfico.

 

1. Introducción

 

El uso continuo de combustibles fósiles, especialmente en las últimas décadas, ha generado diversos problemas ambientales, como el calentamiento global y la contaminación del aire. Además, la crisis energética ha afectado en gran medida a la economía mundial [1]. Teniendo en cuenta que los vehículos consumen la gran mayoría de los combustibles fósiles utilizados en el mundo, en los últimos años se ha hecho un esfuerzo por cambiar el escenario para que los vehículos sean lo menos contaminantes posible. Esto puede lograrse mediante el uso de tecnologías de electrificación de vehículos, incluidos los vehículos eléctricos (EV) y los vehículos eléctricos híbridos (HEV), sobre la base de que utilizan electricidad producida a partir de fuentes de energía renovables [2,3,4]. Sin embargo, los vehículos eléctricos son un gran desafío tecnológico para las redes eléctricas, ya que los elementos pasivos constituyen un nuevo tipo de carga. Por lo tanto, una gran cantidad de vehículos eléctricos pueden sobrecargar considerablemente la red y afectar negativamente su buen funcionamiento [5,6].

 

En general, los vehículos eléctricos se clasifican en tres categorías principales según la forma y el lugar de producción de electricidad ([7]): a. Vehículos que utilizan un suministro de energía continuo de una fuente de energía externa, como una línea de suministro aérea. Desafortunadamente, estos vehículos tienen una limitación importante de tener que moverse en rutas específicas para mantener un suministro eléctrico externo continuo para su funcionamiento. B. Vehículos basados ​​en el almacenamiento de electricidad suministrada desde una fuente externa. Para ahorrar energía, estos vehículos utilizan baterías o supercondensadores. C. Vehículos que producen energía eléctrica dentro de la propia embarcación para satisfacer sus necesidades. Estos incluyen automóviles híbridos eléctricos que usan motores térmicos en serie o en paralelo a los motores eléctricos, así como vehículos eléctricos con celdas de combustible. Otra separación de los vehículos eléctricos se basa en el tipo de fuente de energía [8].

 

En este contexto, se pueden clasificar dos grandes categorías: a. Vehículos eléctricos a batería (BEV), y b. Vehículos eléctricos híbridos (HEV). Los BEV utilizan baterías como fuente de energía y también se les llama “vehículos verdes, o vehículos limpios o vehículos ecológicos” porque tienen cero emisiones. Para cubrir una distancia de viaje, están equipados con baterías de almacenamiento más grandes que los HEV. Sin embargo, la distancia recorrida limitada de los BEV es un inconveniente importante porque a menudo es necesario recargar la batería conectándola a una fuente de alimentación externa (en los automóviles urbanos, la autonomía comienza de 100 a 120 km y alcanza los 500 km o más en automóviles de alta potencia —Modelo Tesla). Un HEV se clasifica como un automóvil que utiliza dos o más tecnologías diferentes para lograr su movimiento. Estas tecnologías suelen incluir el clásico motor de combustión interna y una tecnología más “suave” respetuosa con el medio ambiente, normalmente un motor eléctrico. Sin embargo, el motor eléctrico se utiliza como fuente de energía suplementaria en los casos en que el HEV requiere más potencia.

 

De lo anterior se desprende que la gestión adecuada de la energía es de vital importancia para el buen funcionamiento de los vehículos eléctricos. Un campo de investigación desafiante incluye el diseño y la implementación de esquemas de carga eficientes que garanticen una carga de vehículos eléctricos rápida y confiable para aumentar la autonomía del vehículo. En este concepto, el enfoque del vehículo a la red (V2G) tiene como objetivo optimizar la forma en que transportamos, usamos y producimos electricidad al convertir los automóviles eléctricos en "centrales eléctricas virtuales" [9]. La tecnología V2G se refiere a la operación de un sistema de flujo bidireccional, en el que los vehículos eléctricos con batería enchufable se comunican con un destinatario y permiten el flujo recíproco entre el EV y una red eléctrica [10,11]. Bajo este concepto relativamente nuevo, los autos eléctricos almacenarían y enviarían energía eléctrica almacenada en baterías de vehículos en red que juntas actúan como una flota de baterías colectiva para "afeitar picos" (enviar energía de vuelta a la red cuando la demanda es alta) y "llenar valles" ( cargar por la noche cuando la demanda es baja) [12,13,14]. La tecnología V2G también mejora la estabilidad y confiabilidad de la red, regula la potencia activa y proporciona equilibrio de carga mediante rellenos de valle. Estas características permiten mejores servicios auxiliares, control de voltaje, regulación de frecuencia, potencia máxima mantenida y, en general, conducen a una reducción de los costos de electricidad. Además, debido a la alta movilidad inherente de los vehículos eléctricos, se deben proporcionar servicios de respuesta bajo demanda flexibles y oportunos contra la movilidad de los vehículos eléctricos en el sistema V2G [15]. Con este fin, se han propuesto varias soluciones para integrar tecnologías V2G en infraestructuras inalámbricas emergentes de quinta generación (5G), a fin de que el usuario móvil experimente un enfoque unificado en la gestión de aplicaciones (por ejemplo, navegación en tiempo real con actualización de tráfico y alarmas potenciales con respecto a la autonomía energética del EV) [16,17,18]. Las áreas de investigación adicionales en vehículos eléctricos también incluyen el diseño y la implementación de objetos autónomos, donde la cobertura inalámbrica eficiente y la latencia cero son de suma importancia [19].

 

En este artículo, se presenta y analiza el estado actual del arte de los vehículos eléctricos junto con varios aspectos tecnológicos, como las técnicas de carga y la transferencia inalámbrica de energía. También se analizan problemas emergentes, como la conexión de EV a SEG y los requisitos de conducción autónoma. El resto de este artículo está organizado de la siguiente manera: los HEV se presentan con más detalle en Sección 2, mientras en Sección 3 se proporciona un análisis sobre las tecnologías de carga y los estándares relacionados. Las técnicas de carga inalámbrica (WCT) se presentan en Sección 4, mientras que los problemas de diseño e implementación del vehículo a la red (V2G) se analizan en Sección 5. Los problemas de gestión de la energía se presentan en Sección 6, mientras en Sección 7 Se describen los problemas de conducción autónoma, junto con los avances recientes en el despliegue de redes 5G. Finalmente, las observaciones finales se proporcionan en Sección 8.

 

2. Vehículos eléctricos híbridos

 

Los HEV se pueden clasificar según su grado de hibridación, que se define como la relación que resulta de dividir la potencia del motor (o motores) eléctrico entre la potencia del motor de combustión interna. En este contexto, surgen las siguientes categorías: casos A, B, C. Además, se hace una separación adicional sobre el modo en que se combinan los convertidores de energía para mover el vehículo. En este caso, las categorías correspondientes son los casos D, E, F, G, H [20,21]. En las siguientes subsecciones, se describen los tipos básicos de HEV.

 

2.1. Parada-arranque microhíbrido (μHV)

Los microhíbridos tienen motores eléctricos relativamente pequeños (alrededor de 3 a 5 kW a 12 V) que no impulsan el vehículo pero tienen el poder de reiniciar el motor de combustión interna. Esto significa que un vehículo de gasolina microhíbrido puede apagar automáticamente su motor cuando el vehículo está parado (por ejemplo, en un semáforo) y volver a arrancar tan pronto como el conductor pisa el pedal del acelerador sin necesidad de utilizar el motor de arranque y, a menudo, sin el conductor sabiendo que el motor se ha detenido. El motor eléctrico del vehículo no está destinado a participar en la propulsión del vehículo. Sin embargo, está conectado a las ruedas del vehículo para recuperar parte de la energía cinética de frenado, actuando como generador, y puede sustituir al motor de arranque del vehículo. Los μHV suelen tener una tasa de hibridación del 5 % al 10 % con ahorros de energía de alrededor del 3 % al 10 % en la conducción urbana. El diseño de μHV generalmente se encuentra en vehículos livianos y es más adecuado para aplicaciones urbanas.

 

2.2. Híbrido suave (MHV)

 

Los vehículos híbridos 'suaves' tienen un motor eléctrico de 7 a 15 kW y 60 a 200 V que se utiliza para arrancar el motor de combustión interna y participar en parte en la propulsión del vehículo. Los híbridos “suaves” no pueden funcionar únicamente con el motor ya que no está conectado al variador. En su lugar, ofrecen potencia adicional a través del motor eléctrico cuando se requiere (por ejemplo, en momentos de alta aceleración). También tienen la ventaja de recuperar la energía cinética mediante el frenado. El factor de hibridación de los híbridos suaves es de aproximadamente 10% a 30%. El tamaño de la batería es mayor que el correspondiente en el pequeño híbrido. El ahorro de energía en la conducción en la ciudad es de alrededor del 20% al 30% [22].

 

2.3. Híbrido completo (FHV)

 

En esta categoría, el motor eléctrico transporta más del 25% del balance de potencia del automóvil. La potencia del motor es de unos 30–50 kW a 200–600 V y es suficiente para conducir el vehículo a baja velocidad y con poca carga. Cuando aumentan los requisitos de potencia, el motor de combustión interna participa en el proceso de accionamiento de las ruedas. Los ahorros de energía ahora aumentan en comparación con los dos casos anteriores y están en el rango de 30% a 50% [22].

 

2.3.1. Serie de vehículos eléctricos híbridos (SHEV)

 

La combinación de motor térmico y eléctrico en serie es la forma más sencilla de coche híbrido (Figura 1). Para los vehículos de esta categoría, solo el accionamiento está conectado al sistema de accionamiento. El motor es alimentado por baterías o por un generador accionado por el motor de combustión interna. El generador alimenta el motor eléctrico cuando la carga de tracción aumenta o carga las baterías cuando la carga es pequeña. Sin embargo, existen ciertas desventajas asociadas con los SHEV: (i) El generador y el motor ahora son partes separadas, lo que a su vez genera un mayor costo y un rendimiento reducido debido a la presencia de más sistemas individuales [23], (ii) El motor eléctrico debe ser de alta potencia para adaptarse a una gran resistencia, como subir una cuesta.

 

Figura 1. Esquema de vehículos eléctricos híbridos en serie (SHEV).

 

Esquema de vehículos eléctricos híbridos en serie (SHEV).

2.3.2. Vehículos eléctricos híbridos paralelos (PHEV)

 

Disposición paralela (Figura 2) es la topología de sistema de propulsión más común en vehículos híbridos. En este tipo de vehículos, el motor de combustión interna y el motor están directamente conectados al sistema de transmisión. El procedimiento de movimiento se puede describir de la siguiente manera: durante una demanda de tracción baja, el automóvil es impulsado por el motor o solo por el motor de combustión interna. Cuando solo uno de los dos motores esté funcionando, el otro se desconectará mediante un embrague. Si aumenta la demanda, ambos motores ayudan a conducir el vehículo. La mayoría de los diseños de PHEV combinan el generador y el motor en una sola unidad. PHEV usa baterías más pequeñas que los otros híbridos y necesita un motor de tracción más pequeño. La desventaja de PHEV son sus complejos sistemas mecánicos.

 

Figura 2. Esquema de vehículos eléctricos híbridos paralelos (PHEV).

 

Esquema de vehículos eléctricos híbridos paralelos (PHEV).

 

2.3.3. Vehículos eléctricos híbridos en serie-paralelo (SPHEV)

 

El sistema SPHEV es una combinación de los dos dispositivos mencionados anteriormente. En la configuración serie-paralelo, el motor de combustión interna y el motor conectado al sistema de transmisión pueden impulsar el vehículo juntos o por separado. El motor de gasolina puede ayudar a conducir el vehículo o cargar las baterías a través del generador conectado a él. Es una solución, aunque mucho más compleja y costosa. Una desventaja es que los SPHEV requieren sistemas de control muy complejos.

 

2.3.4. Vehículos eléctricos híbridos de pila de combustible (FCHEV)

 

Es un tipo de automóvil híbrido que se parece a un SHEV (serie), excepto que usa un HEV de celda de combustible (FC). Una pila de combustible es una máquina química que genera electricidad a base de hidrógeno y solo emite vapor de agua. El principio de funcionamiento de las pilas de combustible es el proceso de electrólisis inversa en el que los gases de hidrógeno y oxígeno se combinan para producir electricidad con agua y calor como subproductos. La tecnología FCHEV solo se ha probado en pocos vehículos, debido a su alto coste (la producción de hidrógeno no es rentable y hay dificultades para transportarlo y distribuirlo).

 

2.3.5. Vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV)

 

un PHEV (Figura 3) es un vehículo híbrido en el que las baterías se pueden recargar conectando el vehículo a una fuente de alimentación externa, ya sea internamente a través del generador accionado por motor o frenando como en los HEV estándar. La electricidad externa puede provenir de la red eléctrica, incluidos los sistemas domésticos o autónomos o incluso de fuentes de energía renovables. Los PHEV tienen un rango eléctrico más bajo en comparación con los HEV típicos por recarga si se usa la batería, pero tienen un rango mayor en general porque el movimiento del motor-generador puede ayudar al sistema cuando las baterías están agotadas. Además, debido al gran motor eléctrico, los PHEV tienen una mayor capacidad de frenado en comparación con los HEV tradicionales. Otros beneficios de los PHEV incluyen una cobertura de mayor distancia que los HEV, un bajo costo operativo en comparación con un vehículo de gasolina y, además, son ecológicos. Los principales inconvenientes siguen siendo los altos costos y la falta de disponibilidad de estaciones de carga rápida.

 

Figura 3. Estructura de un vehículo eléctrico híbrido enchufable.

3. Análisis y estándares de tecnología de carga

 

3.1. Modos de carga (IEC-61851-1)

 

La comisión electrotécnica internacional, bajo la norma IEC 61851-1, definió cuatro formas de recargar los vehículos eléctricos [24,25,26], según el tipo de energía que recibe el VE, el nivel de tensión, la posible existencia de una comunicación bidireccional entre el coche y la estación de carga, así como la existencia de un dispositivo de protección y puesta a tierra. Los modos de carga se clasifican de la siguiente manera:

 

3.1.1. Modo AC-1: enchufe doméstico y cable de extensión

 

El fabricante proporciona casi todos los PHEV con un cable de carga simple. En el modo AC-1, el cable en un extremo tiene el enchufe estándar SAE J1772, conectado al puerto de carga del vehículo. El otro extremo del cable es un enchufe estándar que se puede conectar directamente a un enchufe de pared en casa. No hay protección contra descargas eléctricas en el cable. La única protección es la instalación antielectrocución de la vivienda. La carga de modo 1 de CA se puede proporcionar al vehículo con un cargador incorporado de hasta 1.9 kW desde una CA monofásica de 250 V o una CA trifásica de 480 V a una frecuencia de 50 a 60 Hz. El tiempo de carga habitual es de 10 a 15 h desde un enchufe doméstico (10 o 16 A). El modo AC-1 es, en general, un modo de carga lento y, por este motivo, se prefiere principalmente durante la noche.

 

3.1.2. Modo de CA 2: carga lenta desde un enchufe de uso general con un dispositivo de protección contra descargas eléctricas (RCD) en el cable

 

En este modo, la carga se realiza desde un enchufe estándar, pero con un cable especial de equipo de suministro externo del vehículo (EVSE), conocido como cable de uso ocasional o cable de uso casual, generalmente se proporciona con el EV del fabricante. Este cable proporciona un dispositivo de corriente residual (RCD) en el cable, máxima protección de corriente, mayor protección de temperatura, así como detección de protección a tierra (desde el enchufe de la pared). Al igual que con el Modo 1 de CA, la energía se recibe de una CA monofásica de 250 V o de una CA trifásica de 480 V a 50–60 Hz, pero la corriente puede alcanzar hasta 32 A.

 

3.1.3. AC Mode-3: carga semirrápida desde un enchufe especial

 

Este modo, en general, permite cargas más rápidas que el modo 1 y 2, dependiendo de la conexión a la red y la potencia del cargador del vehículo. Además, la comunicación se establece entre el vehículo y la toma a través de la línea piloto.

 

3.1.4. Modo DC 4: carga rápida usando un cargador externo en DC

 

La carga del Modo 4 de CC normalmente utiliza un cargador externo que tiene convertidores de CA a CC. Aquí, el vehículo se recarga en menos de una hora con una fuente de alimentación de CC con un valor máximo de hasta 400 A. El cargador externo se alimenta con un circuito trifásico a 240, 400, 480 o 575 VCA. El vehículo se comunica con el cargador externo para un control total de la carga y protección contra descargas eléctricas. La carga rápida es útil para restaurar rápidamente el estado de carga (SOC) parcial o totalmente durante el día, para completar un viaje que es mayor que la autonomía totalmente eléctrica (AER) del vehículo.

 

Todos los modos de carga se muestran en la Figura 4 debajo.

 

Figura 4. Modos de carga IEC 61851-1.

Modos de carga IEC 61851-1.

3.2. Niveles de carga

 

Los comités técnicos de la sociedad de ingenieros automotrices (SAE) han desarrollado un modelo, a saber, SAE J1772, que cubre los requisitos de rendimiento eléctrico para cargar EV/PHEV [27]. En las siguientes secciones, se describen los niveles básicos de CA.

 

3.2.1. CA NIVEL-1

 

AC LEVEL-1 utiliza una toma de 120 V y una corriente máxima de 16 A. Con estos valores, la potencia máxima de carga alcanza los 1.9 KW. La carga se realiza con un cable tipo SAE J1772. El cargador está integrado en el coche. Sin embargo, AC Level-1 se acompaña de un tiempo de carga lento. Cada hora de carga con AC LEVEL-1 corresponde a 4–5 millas conduciendo.

 

3.2.2. CA NIVEL-2

 

En este caso, si la carga se hace en casa con una red monofásica de 240 V, entonces la corriente máxima es de unos 30 A, y la potencia máxima de carga es de 7.2 KW. El cable de carga puede ser el mismo que AC NIVEL 1, (SAE J1772). La carga AC LEVEL 2 se selecciona para cargar en el hogar, así como en instalaciones de carga públicas alimentadas por corriente alterna trifásica y ofrece una potencia de salida de hasta 19.2 kW utilizando un cargador incorporado. Aquí, el valor máximo de corriente puede alcanzar los 80 A y requiere un circuito eléctrico que soporte este valor de corriente más alto. En este caso, la carga se realiza con un cable que dispone de conector tipo 2 MENNEKES (según IEC-62196). Se prefiere AC LEVEL 2 a AC LEVEL 1 para tiempos de carga más cortos.

 

Los modos de carga AC LEVEL-1 y AC LEVEL-2 usan un cargador que está integrado en el EV. La potencia del cargador es proporcional al nivel de carga y suministro de la red (monofásico o trifásico). Por ejemplo, un vehículo con un cargador de 6.6 kW requiere un suministro de 230V/32A y sus baterías de 40 kWh se pueden cargar en seis a ocho horas. Como regla general, la carga de NIVEL 2 proporcionará aproximadamente 15 millas de viaje por una hora de carga en vehículos con un cargador de 3.3 kW, o 30 millas de viaje por una hora de carga para vehículos con un cargador de 6.6 kW.

 

3.2.3. AC NIVEL-3: Carga semirrápida desde un enchufe especial

 

Esta es una nueva opción de carga desarrollada por SAE para proporcionar hasta 130 kW de potencia, haciendo que el SOC sea muy rápido y utilizando corriente alterna trifásica a 400 V. Para manejar la alta potencia de salida, los cargadores LEVEL 3 son mucho más grandes en tamaño. , y más pesado que los cargadores de NIVEL 1 y 2. Además, los cargadores LEVEL 3 requieren un equipo de refrigeración dedicado para la alimentación de componentes electrónicos de alta potencia. Como resultado, los cargadores de NIVEL 3 no están instalados en el vehículo, sino que están externamente de forma estable.

 

3.2.4. NIVELES DE CC Carga rápida/superrápida desde un cargador externo que proporciona alimentación de CC

 

La carga rápida de CC generalmente usa un cargador externo para proporcionar conversión de CA a CC. Aquí, el vehículo se recarga en menos de una hora con una fuente de alimentación de CC con un valor máximo de hasta 400 A. El cargador externo se alimenta con un circuito trifásico a 240, 400, 480 o 575 VCA. El vehículo se comunica con el cargador externo y el vehículo, para un control total de la carga y protección contra descargas eléctricas. La carga rápida es útil para restaurar rápidamente el SOC parcial o totalmente durante el día, para completar un viaje que es mayor que el AER del vehículo.

 

4. Sistemas de carga inalámbrica

 

La práctica habitual para cargar coches eléctricos o híbridos es utilizar un cable para transportar la electricidad desde la fuente. Sin embargo, la tecnología de carga inductiva elimina la necesidad de cables. Utiliza un campo electromagnético en lugar de un cable para transferir energía entre la fuente y el receptor. La carga inductiva inalámbrica se divide en dos categorías: carga estática en la que el vehículo está parado sobre el cargador para comenzar a cargar su batería y carga dinámica en la que el vehículo se carga mientras conduce por la carretera [28,29].

 

4.1. Sistema de carga de vehículos eléctricos inalámbricos estáticos (S-WEVCS)

 

El principio de funcionamiento de un S-WEVCS (Figura 5) es similar a la de los transformadores, donde la energía se transfiere de una bobina primaria a una secundaria [30]. Inicialmente, el voltaje de CA se convierte en CC mediante un rectificador de CA/CC. Posteriormente, un convertidor de CC/CA de alta frecuencia proporciona corriente de alta frecuencia a la bobina primaria, que se instala en el camino. En este contexto, la corriente en la bobina emisora ​​crea un campo magnético alterno, que induce un voltaje alterno en la bobina receptora. La bobina del receptor, o bobina secundaria, se instala debajo de la parte delantera, trasera o central del automóvil, y su construcción es muy importante para evitar pérdidas importantes por manejo inadecuado, desgaste y limitación de la identificación de objetos extraños. Para aumentar la capacidad de transferencia de potencia del sistema, se utiliza un condensador resonante en la bobina secundaria. Finalmente, un rectificador AC/DC convierte la tensión alterna de la bobina secundaria en continua para que la batería del vehículo se cargue. S-WEVCS puede reemplazar el cable de carga de los PEV con las ventajas de la simplicidad, la confiabilidad, la seguridad del usuario (contra descargas eléctricas) y la facilidad de uso. El sistema de transferencia inalámbrica de energía (WPT) se activa cuando el vehículo llega al área de carga. El tiempo de carga depende del nivel de potencia de la fuente, el tamaño de la bobina de carga y la distancia del espacio de aire entre las dos bobinas. La distancia media entre vehículos ligeros es de unos 150-300 mm. Los WEVCS estáticos se pueden instalar en estacionamientos, estacionamientos, casas, edificios comerciales, centros comerciales e instalaciones de parques.

 

Figura 5. El sistema S-WEVC.

 

El sistema S-WEVC.

Sin embargo, hay ciertos problemas asociados con S-WEVCS. Solo se pueden usar cuando el automóvil está estacionado en estacionamientos o en un garaje. Además, la transferencia de energía es limitada en comparación con los cargadores enchufables tradicionales. Finalmente, las clases de transferencia de energía inalámbrica WPT (estática) pueden alcanzar los 22 kW de acuerdo con el nuevo tema de compatibilidad electromagnética (EMC) J2954.

 

4.2. Sistema de carga inalámbrico dinámico para vehículos eléctricos (D-WEVCS)

 

Los vehículos eléctricos cargados con cable o S-WEVCS generalmente enfrentan un obstáculo importante: el rango de recorrido. Para superar esta situación, se requiere cargar el vehículo con frecuencia (lo que significa que debe estacionarse en algún lugar y durante algún tiempo para cargar sus baterías) o debe instalarse un paquete de baterías más grande en el vehículo, lo que genera un costo y un peso adicionales. . La carga inalámbrica dinámica de vehículos eléctricos (D-WEVCS) es una tecnología que reduce los problemas asociados con el alcance y el costo de los automóviles eléctricos. Este método carga las baterías, mientras el vehículo está en movimiento, y se aumenta la autonomía del vehículo.

 

Debajo del piso del pavimento, las bobinas se colocan en fila y a cierta distancia entre sí. Estas bobinas son bobinas primarias alimentadas por circuitos de CA de alta frecuencia y alto voltaje. Al igual que los WEVCS estáticos, la bobina secundaria se encuentra debajo de los vehículos. Cuando EV pasa sobre las bobinas primarias, recibe un campo magnético a través de una bobina receptora y convierte la corriente de la bobina en CC para cargar las baterías. Un D-WEVCS enfrenta algunos problemas, como el gran espacio de aire entre la fuente y el receptor y la alineación con las bobinas en la carretera. Estos dos obstáculos afectan principalmente a la eficiencia de transferencia de potencia. El entrehierro promedio varía de 150 a 300 mm para vehículos de pasajeros pequeños y aumenta para vehículos más grandes. La alineación del automóvil con las bobinas del transmisor se puede hacer fácilmente con conducción independiente. La electrónica del vehículo percibe la desviación de la línea de la bobina y corrige el curso para la máxima transferencia de potencia. En general, la instalación de la infraestructura inicial para esta tecnología es costosa. Dynamic-WEVCS se puede integrar fácilmente en muchas aplicaciones eléctricas, como vehículos ligeros, autobuses, trenes y vehículos de transporte [31].

 

4.3. Sistemas de carga inalámbrica en la rueda (IW-WCS)

 

El espacio de aire entre la fuente y el receptor durante la carga inalámbrica juega un papel importante en el rendimiento del sistema. La solución viene con el desarrollo del IW-WCS para carga estática y dinámica (Figura 6), lo que significa que el vehículo se puede cargar en espera o en movimiento. Al igual que otros WEVCS, las bobinas primarias están ubicadas debajo de la superficie del pavimento. Los circuitos electrónicos convierten la corriente de suministro en una fuente de CA de alta frecuencia (HF) de 100 kHz, que está conectada a los devanados primarios. Las bobinas secundarias están montadas en la estructura del neumático. Por lo tanto, el espacio de aire entre las bobinas fuente y receptora es más pequeño, en comparación con los WEVCS estáticos o dinámicos actuales. El posicionamiento interno detallado de las bobinas del receptor se muestra en la figura anterior. Las ventajas de tal disposición son que solo se activa la bobina receptora particular, que entra en contacto con el transmisor.32].

 

Figura 6. Carga inalámbrica en el volante.

 

Carga inalámbrica en el volante.

 

5. Tecnología V2G

 

A través de la transferencia de energía bidireccional, la energía eléctrica se toma de la red o se produce mediante paneles fotovoltaicos y se usa para cargar los vehículos eléctricos conectados al sistema. Siempre que un EV esté enchufado, la energía almacenada en las baterías se puede devolver a la red para estabilizarla en caso de escasez o exceso. Esta es una filosofía de administración de energía integrada, donde la red eléctrica distribuye y recibe energía almacenada en baterías EV a través de tecnología de vehículo a red o V2G y está diseñada para administrar mejor la energía general [33]. Por lo general, la mayoría de los automóviles están estacionados entre el 90% y el 95% del tiempo, cargando el automóvil por la noche y alimentando la red, devolviendo energía, en las horas pico. La tecnología V2G es útil debido a una gran debilidad en la red eléctrica actual, que es la falta de almacenamiento de electricidad y el uso de estas existencias para atender las horas de mayor demanda. La cantidad de energía a devolver a la red depende del tipo y las dimensiones del vehículo eléctrico. Por ejemplo, en el caso de un vehículo eléctrico alimentado por baterías, la energía almacenada depende de la capacidad de las baterías, y en el caso del uso de pilas de combustible, la energía almacenada depende de la masa del combustible (p. ej., hidrógeno comprimido). . Aquí tenemos beneficios económicos, tanto en términos de red eléctrica como de ahorro de dinero, que se atribuirían a soluciones de servicio de mayor demanda, así como en el lado propietario-operador de vehículos eléctricos.

 

Se proporcionan dos estrategias para cargar y descargar PEV V2G durante fallas del sistema [34]: En la primera estrategia, si la estación de carga (CS) está en el estado de carga del automóvil, la carga de los PEV se detiene y la energía disponible de todos los vehículos conectados se utiliza para suministrar energía al sistema. En la segunda estrategia, tan pronto como se detecta una falla en el sistema, la carga del PEV se detiene. Si la potencia disponible de los vehículos conectados al modo V2G (descarga programada/V2G) es suficiente para restaurar la energía del sistema, los PEV sin función V2G se desconectan del sistema. Si la energía de los vehículos conectados a V2G no es suficiente, entonces los vehículos simplemente conectados a la red sin la función V2G se convierten al modo V2G para llenar el vacío de demanda de electricidad. Una implementación real del sistema V2G se describe en [35].

 

Para que un vehículo funcione en modo V2G, debe haber dos condiciones. El primero es contar con circuitos electrónicos de potencia que soporten la tecnología V2G. El segundo requisito es tener una comunicación en tiempo real con el operador de la red para la demanda de energía [36]. El dispositivo que suministra la electricidad de la red al vehículo eléctrico es el EVSE y puede proporcionar corriente continua alterna AC o DC con diferentes valores de potencia (Figura 7). Si EVSE suministra alimentación de CA, hay un flujo de alimentación de CA entre el vehículo y el EVSE. Por lo tanto, el vehículo tiene un inversor incorporado para convertir la CA en CC necesaria para cargar las baterías. Si EVSE proporciona alimentación de CC al vehículo de CC, entonces el flujo de corriente inversa de CC es CC. En este caso, el inversor está incluido en el EVSE externo. El BMS (sistema de gestión de la batería) asume el control total de la carga y la descarga de la batería en modo V2G. Más específicamente, el BMS monitorea el SOC (estado de carga) de la batería o celdas y ajusta el nivel de potencia del inversor.

 

Figura 7. Diagrama de cargador de batería de vehículo eléctrico.

Figura 7. Diagrama de cargador de batería de vehículo eléctrico.

Durante la operación V2G, EVSE se comunica con el operador de la red intercambiando información sobre la demanda de energía. Si la red solicita energía del vehículo, envía una solicitud a EVSE. A continuación, EVSE se pondrá en contacto con el BMS al que solicitará la validez. El BMS responde y controla el inversor para iniciar el flujo de energía. Esto sucede cuando se carga AC LEVEL. Para la carga DC LEVEL, la corriente intercambiada por el vehículo es DC. El inversor está montado en el EVSE. En este caso, el BMS controla la salida de la batería. Un factor importante para la longevidad de la batería es el diseño del BMS. Si la carga y la descarga se controlan correctamente, la vida útil de la batería es mayor [37].

 

6. Gestión de la energía

 

Hay cuatro lugares donde los propietarios de vehículos podrán cargar sus vehículos: en su propia casa, en su lugar de servicio, en la flota de la flota o en estaciones de carga comerciales [38].

 

6.1. Carga en casa

 

Aquí tenemos el vehículo a casa (V2H), que se puede considerar como un paso previo para el V2G. Los propietarios de vehículos pueden usar sus automóviles como fuente de energía para el hogar y ahorrar dinero en la factura de electricidad o proporcionar energía de respaldo durante cortes de energía o energía de respaldo. La mayoría de las cargas domésticas se logran a través de la carga de nivel 2 de CA debido a los tiempos de carga más bajos en comparación con el NIVEL 1 de CA. También existe la opción de cargar el NIVEL 1 de CC con el EVSE adecuado. Tenga en cuenta que si la carga se realiza durante la noche, este tiempo disponible es suficiente para restaurar la energía de la batería. En cuanto a la carga AC NIVEL 3, agrega una carga excesiva a la instalación eléctrica de la casa, y no es nada práctica para casas unifamiliares, porque requiere actualizar la instalación eléctrica, lo cual es costoso.

 

6.2. Carga en el trabajo

 

Aquí tenemos la opción de recargar fuera de residencia con el script de vehículo a edificio (V2B). Una empresa puede tener instalaciones de estacionamiento para sus clientes o personal, donde se pueden recargar los vehículos eléctricos. En este escenario, la empresa instala estaciones, de las cuales muchas de ellas se combinan con cubiertas solares para lograr una mejor gestión de la carga. Los vehículos que llegan al lugar de trabajo se conectan inmediatamente para recargarse por completo antes de que se maximice la demanda de la región. La carga puede ser en AC NIVEL 2 o AC NIVEL 3. La elección del nivel de carga depende de la naturaleza del espacio y los requisitos de los vehículos estacionados. Con los vehículos conectados a las estaciones, tenemos una cantidad significativa de energía almacenada que se puede utilizar como fuente de alimentación para un edificio de oficinas a fin de reducir costos o proporcionar energía de respaldo crítica para operaciones comerciales de alta disponibilidad, como los centros de datos. Sin embargo, un gran inconveniente es que las empresas tienen un horario de trabajo limitado. Por lo tanto, es posible que a veces las baterías no se recarguen por completo y que la energía disponible del vehículo para viajar a casa no sea suficiente.

 

6.3. Recarga de Flota de Vehículos

 

La carga de la flota de vehículos tiene un punto en común con la carga de trabajo, ya que aparece en el entorno laboral. La diferencia, sin embargo, es que los CS utilizados aquí son para los automóviles que pertenecen a la empresa. El dueño de un negocio puede poseer una cantidad significativa de vehículos eléctricos y estar conectado a la carga durante el día y las horas de trabajo que coinciden con las horas de mayor demanda. Pero existe la posibilidad de que estos vehículos estacionados estén disponibles para servicios V2G en el momento en que el negocio no funcione. Algunos tipos de flotas de vehículos eléctricos pueden tener mayores ventajas en la tecnología V2G que otros. Un ejemplo es una flota de autobuses escolares eléctricos. Los buses tienen baterías de gran capacidad y por lo general operan en horarios y días específicos durante la semana, y luego permanecen estacionados por duraciones conocidas (una noche y fines de semana). Por lo tanto, una gran cantidad de energía almacenada se puede eliminar rápidamente durante las horas fuera del vehículo. En lo que se refiere a los niveles de carga, también es el caso en el lugar de trabajo.

 

6.4. Cargo Comercial

 

Aquí estamos hablando de CS, que pueden estar en lugares públicos como autopistas, aeropuertos, puertos, estaciones de tren, pero también en negocios como restaurantes, teatros, centros de entretenimiento y oficinas de médicos o abogados con fines lucrativos. Los niveles de carga pueden variar. Una estación en un puerto o aeropuerto puede cargarse con AC NIVEL 2 o DC NIVEL 1, y la razón es que los usuarios del vehículo viajan y dejan los vehículos por mucho tiempo estacionados, sin excluir el resto de niveles de carga. Sin embargo, en aeropuertos y puertos es posible que tengamos áreas de estacionamiento de corto plazo con necesidad de carga rápida. Los requisitos de carga son CA NIVEL 3 y CC NIVEL 2. Otros espacios a corto plazo, como restaurantes de comida rápida, cafeterías, grandes almacenes y gasolineras, también tienen los mismos requisitos de carga. Los CS se pueden instalar a lo largo de autopistas entre ciudades grandes y remotas. Esto permite que un PEV viaje entre áreas donde la distancia es mayor que la distancia que el vehículo puede recorrer cuando está completamente cargado.

 

6.5. Tipos de estaciones de carga

 

CS define la infraestructura de carga para el vehículo eléctrico que consta de uno o más puntos de carga (CP) (Figura 8) y su conexión a la red de distribución [39,40]. Los CS se pueden clasificar en dos tipos: estación de carga fija (FCS) y estación de carga móvil (MCS). FCS es una instalación fija con múltiples puntos de recarga. La energía se obtiene directamente de la tensión principal a través de un transformador. Los equipos adicionales que una estación puede incluir son generadores, paquetes de baterías o celdas fotovoltaicas para garantizar una carga EV confiable. Dado el número cada vez mayor de EV, es esencial planificar de manera efectiva la capacidad y programar el suministro de energía para las estaciones de carga de EV. En [41], se ha desarrollado un marco holístico para la planificación y el funcionamiento de una estación de carga de vehículos eléctricos, teniendo en cuenta el suministro tanto de la red como de la energía renovable local. En [42]. Varias metodologías de cobro se analizan más detalladamente en [43].

 

Figura 8. Esquema de bloques de la estación de carga EV.

Figura 8. Esquema de bloques de la estación de carga EV.

El MCS es un vehículo eléctrico o híbrido equipado con un número reducido de CP y con algún tipo de almacenamiento de energía como los ultracondensadores. Las unidades MCS evitan algunos desafíos asociados con la infraestructura de carga de vehículos eléctricos. Evitan la necesidad de espacios de estacionamiento designados para EV (y herramientas de control para evitar que los usuarios que no son EV estacionen allí), pueden desconectarse tan pronto como se completa la carga (lo que permite a los conductores de EV partir a voluntad en lugar de en un horario establecido), requieren menos inversión inversión inicial (sin excavación de zanjas ni permisos), y se puede reposicionar o vender si la utilización es baja [44].

 

La principal fuente de energía de MCS es la red. El MCS puede estacionar en un FCS con el que está conectado y puede cargar el EV más cercano. Esta función de carga del MCS se denomina "en la red" porque carga el EV cercano utilizando su conexión a la red eléctrica. MCS también puede estacionar en algunos FCS para cargar el almacenamiento de energía. La ventaja de MCS es viajar cierta distancia y estacionar y cargar un EV fuera de FCS utilizando la energía almacenada. En este caso, tenemos una función de carga aislada. Ambos modos se representan en Figura 9.

 

Figura 9. Estación de carga de móviles. (a) modo de carga en red; (b) modo de carga fuera de la red

Figura 9. Estación de carga de móviles. a) modo de carga en red; (b) modo de carga fuera de la red

De acuerdo a [45], donde se analiza el desempeño de las redes FSC y MCS, la red MCS tiene mejor desempeño en tiempo de espera que la red FCS. La ventaja de la red MCS sobre la red FCS se vuelve muy significativa cuando las llegadas de vehículos eléctricos son grandes. La probabilidad de interrupción y el rendimiento del retardo de espera del servicio de los MCS también se examinan en [46], donde se describen mejoras significativas. Se propone un enfoque alternativo en [47], donde los vehículos eléctricos también pueden actuar como unidades móviles de almacenamiento de energía (MES). En este contexto, los CS informan a la red sobre sus capacidades de carga y los EV sobre sus rutas de viaje planificadas. En el caso de un CS de capacidad limitada, la cuadrícula examina si una ruta programada está a punto de realizarse a su debido tiempo, incluyendo el CS mencionado y un CS ingenioso. Si esto es cierto, entonces la energía se puede transferir a través de MES. Como se mostró en [47], el esquema propuesto puede ser aplicado por el operador del sistema eléctrico local (PSO) para equilibrar la energía del sistema sin una actualización excesiva de la infraestructura de energía, mientras que los MES son estimulados para cumplir con las tareas de una manera rentable.

 

7. Vehículos autónomos

 

Un vehículo autónomo (AV) se define como cualquier tipo de vehículo en el que todos los procedimientos relacionados con la mecánica (es decir, movimiento, aceleración, etc.) se pueden realizar con interacción humana limitada o nula (Figura 10). En este contexto, se pueden encontrar dos clasificaciones principales en la literatura con respecto a los AV ([48]): a. semiautónomo, y b. totalmente autónomo. En el primer caso, los coches semiautónomos pueden acelerar, frenar y maniobrar, mantener la distancia con el coche de delante y también mantener el carril a velocidades de hasta 130 km/h, pero el conductor sigue siendo necesario y sigue en pleno control.

 

Figura 10. Vehículo autónomo en conducción urbana.

Vehículo autónomo en conducción urbana.

Hoy en día, la conducción autónoma de vehículos inteligentes ha atraído el interés científico, ya que además del desarrollo de redes inalámbricas, el concepto de redes eléctricas inteligentes está cambiando hacia la estandarización y el desarrollo. Además de los avances en el hardware de computación y percepción, este rápido progreso ha sido posible gracias al importante progreso teórico en los aspectos computacionales de la planificación del movimiento de los robots móviles y la teoría del control de retroalimentación.49,50]. En este contexto, los vehículos autónomos pueden realizar diversas operaciones, como la entrega a particulares bajo demanda, especialmente a personas de la tercera edad. Por lo tanto, el establecimiento de un enlace inalámbrico confiable es de primordial importancia, ya que el vehículo necesita recibir constantemente información sobre el tráfico vial y actualizar las tareas programadas, recibir nuevos pedidos bajo demanda y, finalmente, estar informado sobre las estaciones de carga de energía. Al proporcionar al vehículo mapas en tiempo real para la navegación, advertencias de velocidad, peligros en la carretera, vulnerabilidades, sistemas de visualización de avisos, intercambio de datos de sensores, etc., las características avanzadas de asistencia al conductor reducirán los accidentes fatales y la congestión del tráfico. Estas características permitirán que el vehículo cambie dinámicamente su curso en la carretera bajo ciertos escenarios y condiciones. Las llamadas comunicaciones de vehículo a red (V2N) son necesarias para este caso de uso, incluido el modelado de corto alcance y el reconocimiento de objetos y vehículos circundantes, además del modelado de medio a largo alcance del entorno, con información actualizada sobre la última tecnología digital. mapas, señales de tráfico, ubicaciones de señales de tráfico, construcción de carreteras y congestión del tráfico.

 

Para desbloquear la tecnología de conducción autónoma, muchos expertos coinciden en que se requiere la adopción a gran escala de 5G, la tecnología inalámbrica de próxima generación.51,52], ya que 5G puede ejecutarse sobre la infraestructura existente, aunque se necesitan actualizaciones de las estaciones celulares. Además, 5G podría ser una tecnología estándar de conectividad unificadora que podría evitar la fragmentación técnica y del mercado y que podría reducir el costo para los fabricantes de automóviles. Según estudios científicos, la tecnología 5G también puede ofrecer capacidades de prevención evolucionadas. En escenarios críticos, como accidentes automovilísticos, el sistema de detección y control de un AV debe tener tiempos de reacción rápidos. Bajo esta condición, un conjunto de tecnologías de sensores, por ejemplo, puede lograr una comunicación inmediata con otros vehículos autónomos, radares, láseres, dispositivos de sonda y cámaras [53,54,55]. En el estado actual, LTE (4G) disponible admite transmisión de datos a 100 Mbps. Por otro lado, la velocidad en las redes 5G puede llegar hasta los 5Gbps. Desde ese punto de vista, el despliegue de redes 5G durante la próxima década impulsará el desarrollo de los AV y aumentará la seguridad correspondiente.

 

8. Conclusiones

 

Se ha iniciado el desarrollo de la electrificación con miras a la explotación de fuentes de energía renovables. El objetivo final es la interconexión total de EV a SEG. Esta transición de un estado a otro, es decir, el uso de vehículos convencionales en un extremo y motorizados en el otro, mediante el intercambio de electricidad con la red eléctrica, ciertamente no puede tener lugar sin pasos intermedios. Estos pasos incluyen principalmente HEV, que pueden demostrar los beneficios de esta nueva tecnología a los consumidores y, por lo tanto, llevarlos sin problemas a la prevalencia de la conducción eléctrica. La transición a la electrificación y la tecnología V2G requiere inversiones en este sector y costos adicionales, que pueden compensarse fácilmente a corto o largo plazo. En primera instancia, la compensación está relacionada con los beneficios económicos directos para el propietario del VE y para el operador de la red V2G por los ahorros en el consumo de electricidad. Sin embargo, la compensación también está indirectamente relacionada con la carga del presupuesto estatal para hacer frente a la carga de la contaminación del medio ambiente por el uso de fuentes de energía no renovables.

 

Además, los desarrollos tecnológicos en otros sectores relacionados (es decir, las comunicaciones inalámbricas a medida que se acerca la era de las redes 5G) pueden impulsar los avances científicos en la tecnología EV. El concepto AV ofrece un uso de energía beneficioso y ventajas medioambientales, y puede influir en las perspectivas futuras del mundo en varios campos: reducción del tráfico, seguridad de vehículos y conducción, comportamiento de viaje, eficiencia de combustible, prevención de accidentes de tráfico y beneficios de estacionamiento.

 

Contribuciones de autor

 

Conceptualización, TAS y PKG; metodología, TAS, PKG y CNI; investigación, PTT, EGT y TVZ; redacción—preparación del borrador original, TAS, PKG, CNI, PTT, EGT y TVZ; redacción: revisión y edición, TAS, PKG, CNI, PTT, EGT y TVZ Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

 

Financiamiento

 

Esta investigación no recibió financiación externa.

 

Conflictos de Interés

 

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

 

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Este artículo fue publicado originalmente por el Licenciatario MDPI, Basilea, Suiza, el 23 de diciembre de 2019, y se volvió a publicar de acuerdo con la Licencia pública internacional Reconocimiento-No comercial-Sin derivados 4.0 de Creative Commons. Puedes leer el artículo original aquí . Las opiniones expresadas en este artículo son solo del autor y no de WorldRef.


 

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