Una tesis defendida en la Universidad Pública de Navarra (UPNA) por el ingeniero industrial David Elizondo Martínez propone mejoras en el modelizado de componentes en cargadores rápidos, así como una nueva estructura de conversión de electrónica de potencia para aplicaciones de recarga de vehículos eléctricos. La tesis, dirigida por los profesores de la UPNA y miembros del instituto de investigación ISC Ernesto L. Barrios Rípodas y Pablo Sanchis Gúrpide, ha obtenido la máxima calificación, sobresaliente “cum laude”, y cuenta con mención internacional.

En concreto, en la tesis se proponen nuevos modelos analíticos de componentes utilizados en electrónica de potencia y se ha desarrollado un algoritmo de diseño holístico de un convertidor de recarga rápida de vehículo eléctrico. Como indica David Elizondo, la tesis contó desde un inicio con un marcado enfoque industrial y de transferencia tecnológica, puesto que se realizó en colaboración con la empresa Ingeteam. “El algoritmo de diseño desarrollado tuvo en consideración aspectos cuantitativos, como el coste, la eficiencia y la densidad de potencia, pero también cualitativos, como la facilidad de fabricación y la disponibilidad comercial —indica el autor de la tesis—. Además, se consideraron todos los principales componentes de potencia del convertidor y el sistema de refrigeración, lo que resultó en una solución integral”.

Según explica el autor de la tesis, los cargadores rápidos de vehículos eléctricos utilizan convertidores de electrónica de potencia para cuya optimización es necesario realizar un diseño integral que parta de la estructura de conversión, integre todos sus componentes (semiconductores, transformador, bobinas, sistema de refrigeración) y disponga de modelos analíticos precisos. En la tesis, David Elizondo propone una nueva estructura de conversión que destaca por tres características: la primera es que la estructura de recarga está formada por dos etapas de conversión, lo que permite alcanzar valores elevados de eficiencia y lograr un diseño óptimo del transformador; la segunda, es que el cargador es trinivel, es decir, que puede aplicar tres niveles de tensión a la salida, y no dos como suele ser habitual. El tercer distintivo del convertidor propuesto es que logra un equilibrio inherente en sus buses de tensión. “Dicho equilibrio se garantiza en todo el rango de funcionamiento y permite evitar el encarecimiento y la complejidad adicional que suponen los métodos de equilibrado existentes”, explica el autor de la tesis.

Respecto al modelizado, tanto del convertidor como de sus componentes, caben destacar dos aportaciones de la tesis. En primer lugar, se ha desarrollado un nuevo modelo y método de diseño de la primera etapa de conversión, que incluye al transformador y permite conmutar sin pérdidas en los semiconductores de carburo de silicio (MOSFET SiC). En segundo lugar, se ha propuesto un nuevo modelo para calcular las pérdidas de alta frecuencia en los devanados de las bobinas del filtro de salida. “La segunda etapa de conversión consta de bobinas toroidales, para las que los modelos existentes cometen errores muy significativos que dificultan notablemente la optimización del convertidor. Por ello, se desarrolló una nueva fórmula que demostró ser muy precisa y fácil de integrar en el proceso de diseño del convertidor”, concluye el autor de la tesis.