Sin cables: Nueva forma de cargar vehículos eléctricos

Carga inalámbrica del automóvil de uso vial más rápido de McLaren

McLaren Speedtail Hyper-GT es el automóvil de uso vial más rápido desarrollado por el fabricante de automóviles británico. Cerca del final de las pruebas, un prototipo del elegante automóvil deportivo híbrido de gasolina y electricidad alcanzó los 403 kilómetros por hora (250 millas por hora) en la pista de aterrizaje Johnny Bohmer Proving Grounds de la NASA, en Florida. Las especificaciones del modelo de producción 2020 señalan que puede ir de 0 a 300 kilómetros (186 millas) por hora en 13 segundos.

Para cargar la batería liviana cuando el vehículo aerodinámico de tres asientos no está en uso, McLaren se asoció con Lumen Freedom para utilizar su sistema de carga inalámbrica de vehículos eléctricos (WEVC). Speedtail es el primer vehículo del mundo con este sistema.

“En el futuro habrá muchas formas diferentes de carga. Hoy en día existe la carga estática y semidinámica. Por último, la carga completamente dinámica permitirá cargar a velocidades superiores a los 100 kilómetros por hora”.

Si bien la carga inductiva o inalámbrica se está volviendo más común para teléfonos, relojes inteligentes y otros dispositivos pequeños, el sistema inalámbrico de Lumen Freedom para Speedtail representa una solución única para vehículos eléctricos, afirman el gerente general de Lumen Freedom, Rod Wilson, y el líder del equipo de software, Radek Pesina.

Vista lateral del McLaren Speedtail acercándose a la plataforma base, que se encuentra en el suelo frente al automóvil. — McLaren Speedtail acercándose a la plataforma base. (Crédito de la imagen: McLaren Automotive Ltd.)

La carga inalámbrica es más fácil para clientes de vehículos eléctricos, especialmente aquellos con discapacidades. Además, este tipo de sistema requiere menos espacio que las estaciones de carga con enchufe existentes y son visualmente más atractivas.

Con el tiempo, el sistema inalámbrico podría eliminar la ansiedad por autonomía con la capacidad de cargar vehículos detenidos en semáforos y mientras circulan por autopistas. “En el futuro habrá muchas formas diferentes de carga”, afirma Wilson. "Hoy en día existe la carga estática y semidinámica. Por último, la carga completamente dinámica permitirá cargar a velocidades superiores a los 100 kilómetros por hora”.

Para Lumen Freedom, el proyecto Speedtail es solo el comienzo. Su sistema listo para producción tiene el potencial de transformar el diseño automotriz, el transporte e incluso la red eléctrica tal como la conocemos hoy en día.

Puesta a prueba del rendimiento de carga

En lugar de cables, enchufes y enormes estaciones de carga, el sistema WEVC utiliza acoplamiento magnético inductivo resonante. La corriente de una fuente de energía se desplaza desde una plataforma de transmisión en el suelo, debajo del vehículo, por el aire hasta una plataforma receptora incorporada al vehículo. La eficiencia de transmisión de energía es del 92% o mayor.

La plataforma base se comunica con la plataforma del vehículo de forma inalámbrica. Los conductores pueden monitorear el sistema de carga desde la pantalla táctil de 10 pulgadas del vehículo o una app en su dispositivo inteligente. El sistema es compatible con todo tipo de vehículos, desde autos deportivos hasta SUV, dado que permite una amplia distancia entre el suelo y el vehiculo

Carga de automóvil eléctrico con la plataforma de carga de Lumen. (Crédito del vídeo: Lumen Freedom)

Desde sus inicios en 2016, Lumen Freedom perfeccionó el concepto de WEVC y desarrolló el primer sistema de 11 KW de caja única del mundo. Lumen Freedom ahora es un licenciatario totalmente acreditado de Witricidad.

Lumen Freedom emplea muchos regímenes para realizar pruebas físicas. Un marco de aluminio grande, denominado pórtico, está conectado a un sistema de suministro de energía Regatron de alto voltaje para ayudar a simular el funcionamiento y los requisitos de energía del mundo real. “Es necesario poder determinar cuánta energía se disipa en el entorno y cuánta se acopla realmente”, dijo Pesina.

Teléfono móvil dentro de un vehículo que muestra una alerta de objeto extraño. — Cuando se detecta un objeto extraño en la plataforma de carga, se envía una alerta al teléfono del conductor. (Crédito de la imagen: Lumen Freedom)

En la carga inalámbrica de vehículos eléctricos, la desalineación del vehículo sobre la plataforma base no es un problema ya que el sistema incorpora tecnología de posicionamiento híbrido avanzada. El equipo de Lumen probó la alineación con motores de paso controlados por computadora para ajustar la altura y las posiciones X e Y para estudios de alineación.

Las simulaciones ayudaron al equipo a desarrollar protocolos de seguridad en el software del sistema para que cualquier desalineación extrema detectada por los sensores de las plataformas apagara automáticamente todo el sistema de carga. El sistema WEVC incorpora un sistema de detección de objetos extraños que puede detectar un objeto metálico tan pequeño como un clip de papel en la plataforma base. Luego alerta al conductor sobre la obstrucción a través de la app. El sistema se apagará hasta que se elimine el objeto extraño.

Diseño basado en modelos acelera el desarrollo

Wilson señala que los controles de seguridad automatizados son estándar para todos los sistemas, no solo para el producto de Lumen Freedom. Pero la adopción del diseño basado en modelos aceleró el proceso de desarrollo de los controles.

Los modelos de software centrales y la lógica principal de todo el sistema, incluida la plataforma base y los laterales del vehículo, se diseñaron con MATLAB^® y Simulink^®, dijo Pesina.

En concreto, MATLAB y Simulink marcaron la diferencia en el desarrollo del controlador de comunicación del vehículo eléctrico que gestiona la comunicación entre el vehículo y plataforma base. Este controlador envía mensajes cruciales a la plataforma de carga del vehículo y al sistema de gestión de batería interna del vehículo. Fue necesario cambiar la comunicación de cable a Wi-Fi, explicó Pesina.

“[Modelar el sistema en MATLAB y Simulink] fue mucho más rápido que escribirlo en código C. Sin mencionar que es mucho más sencillo simularlo y probarlo”.

El ingeniero de Lumen pudo trasladar rápidamente la máquina de estados principal a los modelos. “En unos tres o cuatro días, el borrador inicial estuvo completo”, dijo Pesina. “Estaba funcionando completamente, realizando las mismas acciones que la máquina de estados estaba realizando en el código C”.

(Izquierda) Ilustración de un gato en la plataforma de carga. (Derecha) El controlador de comunicación del vehículo eléctrico. — Notificación de objetos vivos gestionada por el controlador de comunicación del vehículo eléctrico. (Crédito de la imagen: Lumen Freedom)

Una nueva ronda de cambios de requisitos significó remodelar completamente la máquina de estados. El ingeniero terminó eso en un día. “Fue mucho más rápido que escribirlo en código C", explicó Pesina. “Sin mencionar que es mucho más fácil simularlo y probarlo”.

Al incorporar los modelos de comunicaciones, la electrónica de potencia y la máquina de estados en modelos, simular todo el funcionamiento del sistema fue más fácil y seguro. Los ingenieros pudieron ejecutar el sistema de carga inalámbrica durante un ciclo completo en su banco de pruebas sin realizar una transferencia de energía. Esto liberó el pórtico y otros equipos para realizar pruebas separadas y controladas utilizando altos niveles de voltaje y corriente activa.

Sin cables

El equipo de Lumen Freedom prevé la adopción de sistemas WEVC por parte de fabricantes de equipos originales (OEM) y proveedores de infraestructura, lo que generará cambios radicales. Un beneficio será la eventual reducción del tamaño de las baterías de los vehículos eléctricos. "A medida que la carga inalámbrica y la accesibilidad a la carga inalámbrica se vuelvan más comunes, las proyecciones a futuro son que el tamaño de las baterías se reducirá porque no será necesario llevar tanta energía a bordo", dijo Wilson.

“Nuestro sistema estará listo para la transición a vehículo a hogar y vehículo a red cuando exista demanda”.

La carga inalámbrica también podría ayudar con vehículo a hogar y vehículo a red. Wilson predice que los vehículos eléctricos ayudarán a suministrar energía a una casa o se convertirán en conductos para vender electricidad a la red. Los usuarios simplemente configuraran el almacenamiento de la batería al nivel de retención deseado y presionaran un botón desde el automóvil o la casa para activar la transferencia de energía. El vehículo completamente cargado hace funcionar las luces, el televisor y pequeños electrodomésticos. Para los electrodomésticos de alto consumo, el sistema volvería a utilizar la energía de la red eléctrica.

“Esas pruebas y demostraciones de concepto ya están hechas y, de hecho, se encuentran en funcionamiento en muchos países con sistemas con enchufe”, dijo Wilson. “Nuestro sistema estará listo para la transición cuando exista demanda”.

Pesina anticipa que un sistema de este tipo estabilizaría la red y proporcionaría a las compañías energéticas un suministro adicional de energía para su despliegue en áreas propensas a apagones.

La conexión de vehículo a red podría incentivar la adopción de energía renovable. Pesina destacó la capacidad del Tesla Powerwall de suministrar energía a una casa incluso cuando la red eléctrica está cortada. Un vehículo eléctrico podría funcionar de manera similar, cargando un sistema fotovoltaico doméstico cuando hay un corte de energía local.

El sistema WEVC en sí mismo está llegando lejos. “Cuando se integra bajo el asfalto, la plataforma de carga continúa transmitiendo al vehículo, incluso cuando está cubierta de nieve o granizo”, dijo Wilson.

El sistema de Lumen puede cargar vehículos estacionados, cuando esperan en semáforos y cuando circulan por carriles equipados. (Crédito del vídeo: Lumen Freedom)

Lumen Freedom está desarrollando un sistema de carga semidinámico para taxis y vehículos comerciales pequeños con capacidad de cero emisiones en el Reino Unido. La carga semidinámica elimina la necesidad de detener y enchufar los vehículos. En su lugar, el sistema carga el taxi a medida que avanza.

La carga dinámica completa también está más cerca de ser una realidad. Un proyecto europeo denominado Fabric analizó la transferencia dinámica de energía inalámbrica para vehículos eléctricos que se desplazan a velocidades de conducción típicas. Durante las pruebas que concluyeron en 2018, se utilizó un sitio de pruebas de 100 metros de largo en Francia para probar el sistema. El proyecto demostró que la transferencia inalámbrica dinámica parece viable a mediano plazo para autobuses urbanos y transporte de mercancía de larga distancia y, por supuesto, para los automóviles particulares. La carga dinámica eliminará la ansiedad por autonomía y proporcionará una carga continua y sin interrupciones al viajar largas distancias en autopistas interestatales.

La carga inalámbrica de vehículos eléctricos está surgiendo justo cuando aumentan las pruebas de vehículos autónomos. En agosto de 2020, el estado de Michigan, EE.UU., anunció planes para explorar la construcción de una carretera de 64 kilómetros (40 millas) entre Ann Arbor y Detroit solo para vehículos autónomos. Varios fabricantes de automóviles importantes aceptaron formar parte. La idea es empezar con vehículos compartidos y luego expandirse a vehículos particulares y de transporte de mercancía.

Wilson espera que ciudades de todo el mundo designen áreas como esta para vehículos eléctricos autónomos que puedan cargarse mientras se desplazan. “Está en desarrollo”, dijo. “El futuro será brillante e inalámbrico”.

Otros artículos sobre vehículos eléctricos

Smart Electric Scooter Reduces CO₂ and Reduces “Range Anxiety” — Ather Energy

Tecnología ecológica inteligente transforma la conducción en India

Lightyear: The World's First Solar-Powered Car — Lightyear

Vehículo impulsado por energía solar

Más casos prácticos

Biotecnología