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By SmartWallboxes
Los ingenieros de la Universidad de Purdue han inventado un nuevo cable para la estación de carga, con patente en trámite, que permitiría recargar completamente determinados vehículos eléctricos en menos de cinco minutos, más o menos el mismo tiempo que se tarda en llenar un depósito de gasolina.
En la actualidad, los cargadores están limitados en cuanto a la rapidez con la que pueden cargar la batería de un vehículo eléctrico debido al peligro de sobrecalentamiento. Para cargar un vehículo eléctrico más rápido, es necesario que el cable para la estación de carga reciba una mayor corriente.
Cuanto mayor sea la corriente, mayor será la cantidad de calor que habrá que eliminar para mantener el cable de carga operativo. Los sistemas de refrigeración que utilizan actualmente los cargadores sólo eliminan una parte del calor.
Utilizando un método de refrigeración alternativo, los investigadores de Purdue diseñaron un cable para la estación de carga que puede suministrar una corriente 4,6 veces superior a la de los cargadores de vehículos eléctricos más rápidos disponibles actualmente en el mercado, eliminando hasta 24,22 kilovatios de calor. El proyecto fue financiado por una alianza de investigación y desarrollo entre Ford Motor Co. y Purdue.
El tiempo de carga de los vehículos eléctricos puede variar mucho hoy en día, desde 20 minutos en una estación junto a una carretera hasta horas utilizando una estación de carga en casa. Los tiempos de espera y la ubicación de los cargadores se citan como las principales fuentes de ansiedad para las personas que están considerando la posibilidad de comprar un vehículo eléctrico.
“Mi laboratorio se especializa en la búsqueda de soluciones para situaciones en las que la cantidad de calor que se produce está muy por encima de las capacidades de eliminación de las tecnologías actuales”, dijo Issam Mudawar, profesor de la familia de ingeniería mecánica Betty Ruth y Milton B. Hollander de Purdue.
El cable para la estación de carga Mudawar
El nuevo diseño de cable para la estación de carga desarrollado por el profesor de Purdue Issam Mudawar (centro) y sus estudiantes podría reducir el tiempo de carga de un vehículo eléctrico a menos de cinco minutos. (Foto de la Universidad de Purdue/Jared Pike).
“Ford se ha comprometido a facilitar la transición a la electrificación”, dijo Matt Stover, director de carga, servicios de energía y desarrollo de negocios de Ford. “Estamos contentos de apoyar la investigación de Purdue, que tiene el potencial de hacer más atractiva y accesible la propiedad de vehículos eléctricos y flotas comerciales“.
Aunque el prototipo aún no se ha probado con vehículos eléctricos, Mudawar y sus estudiantes demostraron en el laboratorio que su prototipo admite una corriente de más de 2.400 amperios, mucho más que el mínimo de 1.400 amperios que se necesitaría para reducir los tiempos de carga de los grandes vehículos eléctricos comerciales a cinco minutos. Los cargadores más avanzados del sector sólo suministran corrientes de hasta 520 amperios, y la mayoría de los cargadores disponibles para los consumidores admiten corrientes de menos de 150 amperios.
En última instancia, los tiempos de carga dependerán de la potencia de salida de la fuente de alimentación y del cable de carga, y de la potencia de entrada de la batería del vehículo eléctrico. Para obtener una carga inferior a cinco minutos, los tres componentes deberán tener una potencia nominal de 2.500 amperios.
El prototipo también imita todas las características de una estación de carga del mundo real: Incluye una bomba, un tubo con el mismo diámetro que un cable de carga real, los mismos controles e instrumentación, y tiene los mismos caudales y temperaturas.
El laboratorio de Mudawar pretende colaborar con los fabricantes de vehículos eléctricos o de cables de carga para probar el prototipo en vehículos eléctricos en los próximos dos años. Las pruebas determinarán más detalles sobre las velocidades de carga de modelos específicos de vehículos eléctricos.
Eliminar más calor para acortar el tiempo de carga de los vehículos eléctricos
Las estaciones de carga de los vehículos eléctricos y otros tipos de aparatos electrónicos dependen de sistemas de refrigeración por líquido para eliminar el calor de sus cables. Aumentar la corriente a través del cable para la estación de carga utilizando este método requeriría hilos conductores más grandes y más líquido refrigerante, lo que haría el cable más pesado y difícil de manejar para los clientes.
Durante los últimos 37 años, Mudawar ha estado desarrollando formas de enfriar más eficientemente los aparatos electrónicos aprovechando la forma en que el líquido capta el calor cuando se convierte en vapor. Al capturar el calor tanto en forma de líquido como de vapor, un sistema de refrigeración de líquido a vapor puede eliminar al menos 10 veces más calor que la refrigeración puramente líquida.
Estas ventajas de la refrigeración permiten utilizar un diámetro de cable más pequeño dentro del cable para la estación de carga y disipar al mismo tiempo una mayor corriente. Los artículos de investigación sobre la demostración experimental del equipo del prototipo del cable para la estación de carga y el método de refrigeración que utiliza se han publicado en el International Journal of Heat and Mass Transfer.
A pesar de las décadas de investigación sobre la refrigeración por líquido-vapor, ninguna industria ha empezado a utilizar estos sistemas todavía porque se necesitan estudios como los realizados por el laboratorio de Mudawar para entender la mejor manera de aplicar la tecnología.
“El sector tiene un vacío en cuanto a los conocimientos y la experiencia necesarios para pasar de la refrigeración líquida pura a la refrigeración por cambio de fase líquida. ¿Cómo se diseña el sistema? ¿Qué tipo de ecuaciones se utilizan para optimizarlo? Pero tenemos estos conocimientos gracias a nuestra amplia investigación”, afirma Mudawar.
Más allá de los vehículos eléctricos: aviones y naves espaciales
Según lo observado por Mudawar y sus estudiantes en las demostraciones experimentales de su prototipo de cable para la estación de carga, la refrigeración por líquido-vapor es tan eficaz para eliminar grandes cantidades de calor que los vehículos eléctricos podrían cargarse en mucho menos de cinco minutos con esta tecnología.
“La industria no necesita realmente que los VE se carguen más rápido que cinco minutos, pero creemos que podemos aumentar la corriente aún más modificando tanto el estado del líquido entrante como el diseño del espacio de refrigeración alrededor de los hilos conductores del cable de carga”, dijo Mudawar.
La capacidad del prototipo para eliminar mucho más calor que otros cargadores no fue una sorpresa para Mudawar. “Mi laboratorio ha desarrollado soluciones con tecnología de cambio de fase líquida para muchas aplicaciones, incluidas las aeroespaciales y de defensa. Sabíamos lo capaz que es esta tecnología”, dijo.
Al igual que el prototipo de cable de carga para vehículos eléctricos, los sistemas que el laboratorio de Mudawar ha diseñado para aviones permiten disipar grandes cantidades de calor, aumentando su rendimiento. Mudawar también tiene proyectos financiados por la NASA para aumentar la capacidad de refrigeración de los motores de los cohetes y las naves espaciales.
Los investigadores han presentado una solicitud de patente para su invención del cable para la estación de carga de un vehículo eléctrico a través de la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Fundación de Investigación de Purdue y están buscando otros socios industriales para continuar el desarrollo de la tecnología.
A continuación esta mas explicado el procedimiento usado para el diseño del cable para la estación de carga (Ojo, es bastante técnico).
Investigación experimental de la ebullición del flujo subenfriado en anillos con referencia a la gestión térmica de los cables de carga de vehículos eléctricos ultrarrápidos
La capacidad de suministrar una corriente eléctrica muy alta a través de un cable de carga es clave para la proliferación exitosa de los vehículos eléctricos (VE). El suministro de alta corriente lleva asociado una serie de problemas térmicos derivados de la necesidad de eliminar enormes cantidades de calor del cable. Este estudio pretende desarrollar un esquema de gestión térmica muy eficaz basado en los principios de ebullición del flujo subenfriado.
El objetivo principal es desarrollar un método teórico/empírico consolidado para predecir las características de transferencia de calor y caída de presión de los flujos laminares y turbulentos a través de anillos circulares concéntricos con una pared interior uniformemente calentada y una pared exterior adiabática.
Aunque el mantenimiento de la ebullición subenfriada a lo largo de todo el cable es un objetivo práctico clave, se demuestra que este método consolidado es capaz de abordar múltiples regímenes de flujo (líquido monofásico, ebullición subenfriada, ebullición saturada y vapor monofásico) y es muy eficaz para predecir las temperaturas locales de la superficie y del fluido.
Este método se adopta para el diseño y la optimización de un sistema de refrigeración de cables de carga de vehículos eléctricos de muy alta corriente utilizando el fluido dieléctrico HFE-7100 como refrigerante. Los efectos de varios parámetros, incluyendo la corriente eléctrica, los tamaños de los cables y de los conductos, la temperatura del fluido de entrada y el caudal, se abordan cuidadosamente y se hacen recomendaciones para un diseño global del sistema eficaz y robusto.
La industria del transporte se encuentra actualmente en la vía rápida de la transición de los vehículos con motor de combustión interna (ICEV) a los vehículos eléctricos (EV).
Uno de los retos más acuciantes para la plena adopción de los VE es la lentitud de la carga en las redes de estaciones de recarga propuestas en todo el mundo. A pesar de los recientes métodos de carga denominados “ultrarrápidos”, que aprovechan diversos esquemas de líquido monofásico para refrigerar el cable de carga, las restricciones térmicas limitan la capacidad de transporte de corriente eléctrica de los cargadores comerciales más rápidos a unos 500 A.
Para lograr el tiempo de carga más rápido que requiere la proliferación prevista de VE será necesario aumentar esta capacidad de corriente hasta al menos 2000 A, lo que plantea formidables retos térmicos en el diseño del cable de carga. Este estudio explora el desarrollo de un esquema de gestión térmica del cable para la estación de carga mucho más potente para lograr este umbral de corriente más alto. Se propone la ebullición del flujo subenfriado como medio principal para disipar las mayores cantidades de calor generadas a corrientes más altas.
Los experimentos se realizan bombeando líquido dieléctrico HFE-7100 altamente subenfriado a través de un anillo circular concéntrico que imita un segmento de un cable real, con una superficie interior de 6,35 mm de diámetro uniformemente calentada que representa el conductor eléctrico y una superficie exterior adiabática de 23,62 mm de diámetro que es el conducto externo.
Todos los casos experimentales considerados son para garantizar las condiciones de fluido subenfriado en todo el módulo de prueba. Se demuestra que el esquema de refrigeración propuesto es capaz de hacer frente a corrientes de hasta 2.438 A, unas cuatro veces más que el máximo comercial actual.
Con las baterías adecuadas y otros componentes auxiliares, se espera que esta tecnología reduzca los tiempos de carga de los vehículos eléctricos a menos de 5 minutos. Además de demostrar este potencial, una evaluación de las correlaciones disponibles de los coeficientes de transferencia de calor en ebullición subenfriada identificó la de Moles y Shaw para predecir los nuevos datos experimentales con un error absoluto medio global de sólo el 11,68%.
Como podéis ver, la innovación es constante en este sector y poco a poco se consiguen mejores autonomías y se mejora los tiempos de recarga.
