Período julio-diciembre 2024
Vol. 3 No. 2 pp 21 - 35
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REVISTA INGENIERÍA E INNOVACIÓN DEL FUTURO
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Innovación en el diseño electrónico de sistemas de carga
para baterías en vehículos híbridos y eléctricos
Innovation in electronic design of battery charging systems for
hybrid and electric vehicles
Fecha de recepción: 2024-06-01 • Fecha de aceptación: 2024-07-08 • Fecha de publicación: 2024-07-25
Columba Kevin
1
, Cholca Kevin
1
, Diaz Juan
1
, Iza Brandon
1
, Pérez Boris
1
1
Instituto Superior Tecnológico de Tecnologías Apropiadas INSTA, Quito, Ecuador
[email protected]; kevin.cholc[email protected]; juan.diaz@insta.edu.ec,
[email protected], boris.pé[email protected].ec
https://orcid.org/0009-0007-3422-4562
Resumen
En este artículo se presenta un enfoque innovador para el diseño y la construcción de un
sistema de carga destinado a baterías utilizadas en vehículos híbridos y eléctricos, un
componente crucial para el avance hacia un transporte más sostenible. El sistema
desarrollado tiene como objetivo principal optimizar la eficiencia energética, mejorar la
seguridad operativa y prolongar la vida útil de las baterías a través de tecnologías avanzadas.
Entre estas tecnologías se incluyen la gestión térmica, que permite mantener las baterías
dentro de un rango seguro de temperatura, y el monitoreo en tiempo real, que proporciona
información constante sobre el estado de carga, permitiendo ajustes precisos y previniendo
riesgos de sobrecarga. El diseño del sistema se basa en la integración de componentes
electrónicos de alta calidad, como transformadores, rectificadores y reguladores, que
aseguran una conversión eficiente y estable de la energía. Además, se ha implementado un
sistema de filtrado para reducir el rizado de la corriente, mejorando así la calidad del
suministro energético durante la carga. Los resultados obtenidos demuestran una mejora
significativa en la eficiencia del proceso de carga, reduciendo el tiempo necesario para
alcanzar la carga completa y minimizando las pérdidas energéticas. Este trabajo representa
una contribución importante al desarrollo de sistemas de carga más seguros y eficientes, con
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un enfoque que puede ser fácilmente adaptado a las necesidades de la industria automotriz.
La investigación no solo cumple con las normativas vigentes, sino también se anticipan
futuras exigencias tecnológicas y ambientales.
Palabras clave
sistemas de carga, vehículos híbridos, innovación electrónica, gestión térmica, eficiencia
energética
Abstract
This article presents an innovative approach to the design and construction of a charging
system for batteries used in hybrid and electric vehicles, a crucial component in the move
towards more sustainable transportation. The developed system is primarily aimed at
optimizing energy efficiency, improving operational safety and extending battery life
through advanced technologies. These technologies include thermal management, which
keeps the batteries within a safe temperature range, and real-time monitoring, which provides
constant information on the state of charge, allowing precise adjustments and preventing risks
of overcharging. The system design is based on the integration of high-quality electronic
components, such as transformers, rectifiers and regulators, which ensure efficient and stable
energy conversion. In addition, a filtering system has been implemented to reduce current
ripple, thus improving the quality of the power supply during charging. The results obtained
demonstrate a significant improvement in the efficiency of the charging process, reducing
the time required to reach full charge and minimizing energy losses. This work represents an
important contribution to the development of safer and more efficient charging systems, with
an approach that can be easily adapted to the needs of the automotive industry. The research
not only complies with current regulations, but also anticipates future technological and
environmental requirements.
Keywords
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charging systems, hybrid vehicles, electronic innovation, thermal management, energy
efficiency
Introducción
El avance tecnológico en la industria automotriz ha impulsado un cambio significativo hacia
la electrificación de los vehículos, posicionando a los vehículos híbridos y eléctricos como
una alternativa sostenible frente a los vehículos de combustión interna tradicionales. [1]
Sin embargo, el éxito de esta transición depende en gran medida del desarrollo de sistemas
de carga eficientes y seguros, capaces de satisfacer las necesidades energéticas de las baterías
de estos vehículos. Las baterías, siendo el núcleo energético de los vehículos eléctricos e
híbridos, requieren un diseño de carga que no solo optimice su rendimiento, sino que también
garantice su longevidad y seguridad operativa. [2]
Este artículo se enfoca en la innovación del diseño electrónico de sistemas de carga para
baterías en vehículos híbridos y eléctricos. Se presenta un sistema de carga avanzado que
incorpora tecnologías de última generación para mejorar la eficiencia energética, reducir los
tiempos de carga y maximizar la vida útil de las baterías. [3]
El sistema propuesto integra un enfoque multidisciplinario que combina ingeniería
electrónica, gestión térmica, y monitoreo en tiempo real, abordando los desafíos actuales en
la carga de baterías automotrices.
1.1. Contexto y necesidad de innovación en sistemas de carga
El incremento en la adopción de vehículos híbridos y eléctricos ha generado una demanda
creciente por sistemas de carga que sean tanto eficientes como seguros. A medida que la
tecnología de baterías avanza, también lo hace la complejidad de los sistemas necesarios para
cargarlas de manera óptima. La capacidad de cargar una batería de manera rápida, sin
comprometer su integridad, es un desafío constante. Este desafío se ve agravado por la
necesidad de cumplir con normativas ambientales cada vez más estrictas, que exigen una
reducción de la huella de carbono asociada con los procesos de carga.
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El diseño de sistemas de carga no puede limitarse únicamente a la entrega de energía; debe
considerar factores como la gestión térmica para prevenir sobrecalentamientos, la regulación
de voltaje para evitar sobrecargas, y el monitoreo continuo para detectar posibles fallos antes
de que ocurran. [4]
Estas consideraciones son fundamentales para asegurar que las baterías mantengan un
rendimiento óptimo durante su ciclo de vida, contribuyendo a la fiabilidad general de los
vehículos híbridos y eléctricos.
1.2. Avances recientes y objetivos de investigación
Los avances recientes en electrónica de potencia y sistemas de control han permitido el
desarrollo de sistemas de carga más sofisticados, que no solo cargan las baterías de manera
más eficiente, sino que también optimizan la distribución de energía durante el proceso. Este
artículo tiene como objetivo presentar un sistema de carga que incorpora estos avances,
proporcionando una solución que puede ser adaptada a una amplia gama de vehículos
híbridos y eléctricos. Además, se explora el impacto de la gestión térmica y el monitoreo en
tiempo real sobre la eficiencia y la seguridad del proceso de carga, ofreciendo datos empíricos
que respaldan la viabilidad del diseño propuesto.
1.3. Estructura del artículo
Este artículo se estructura en varias secciones que detallan el diseño y desarrollo del sistema
de carga propuesto. La sección de Materiales y Métodos describe los componentes y
tecnologías utilizadas, mientras que la sección de Resultados y Discusión analiza los
hallazgos y su implicación en la industria automotriz. Finalmente, se presentan las
conclusiones que subrayan la relevancia y las posibles aplicaciones del sistema desarrollado.
Materiales y Métodos
Para el desarrollo del sistema de carga propuesto, se seleccionaron y emplearon materiales y
componentes de alta calidad, alineados con los requerimientos específicos de los vehículos
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híbridos y eléctricos. El diseño del sistema se basa en un enfoque integrado que combina
electrónica de potencia, gestión térmica, y monitoreo en tiempo real. A lo largo de este
apartado, se detallan los materiales seleccionados, así como los métodos aplicados para
garantizar un rendimiento óptimo y seguro del sistema de carga. Este enfoque metodológico
es esencial para asegurar que el sistema no solo cumpla con las expectativas en términos de
eficiencia energética, sino que también sea capaz de adaptarse a las diferentes necesidades
de carga de las baterías utilizadas en el sector automotriz.
Fig 1. Fuente de alimentación regulable [5]
La fuente de tensión consta de cuatro partes como se muestra en la Figura 2.
Fig 2.Partes de la fuente de tensión [6]
Como parte de los materiales que se utilizan en este estudio son:
Fuente de voltaje y amperaje regulable, basado en lo que establece [7],
Multímetro
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Voltímetros de 3 pines
Consumidor (ventilador de computador)
Cables #16
Caja de estructura de madera
Jacks tipo banana macho y hembra
Batería de 9V
De esta manera, como parte de los métodos se tiene:
2.1. Diseño del sistema de carga
El sistema de carga desarrollado se basa en una fuente de alimentación regulable que permite
ajustes precisos de voltaje y corriente. Esto es esencial para cargar diferentes tipos de baterías
de manera eficiente. Se utilizaron componentes como transformadores, rectificadores y
reguladores para garantizar la estabilidad y seguridad durante la carga. Además, se
implementaron filtros para minimizar el rizado de la corriente, mejorando la calidad del
proceso de carga. [8]
2.1. Implementación del monitoreo y gestión
Se integró un sistema de monitoreo en tiempo real utilizando voltímetros digitales,
permitiendo el seguimiento constante del proceso de carga. La gestión térmica se abordó con
tecnologías de enfriamiento activo que mantienen las baterías dentro de un rango seguro de
temperatura, evitando daños por sobrecalentamiento y mejorando la eficiencia del sistema.
Con base en estos dos puntos importantes como parte de los métodos utilizados, se tiene que
para el desarrollo de la maqueta se utilizó una fuente de voltaje y amperaje regulable, ya que
esta fuente será la encargada de energizar toda la maqueta como tal, en la estructura de
madera se utilizó los jacks tipo banana tanto macho como hembra para la conexión del
circuito, el circuito se realizó una conexión en paralelo, ya que al momento de energizar un
circuito este no de paso de corriente con el otro.
Cada circuito trae consigo un voltímetro de 3 pines que tienen señales positivo, señal de
corriente y negativo, el pin positivo y la señal de corriente se conectan juntos dando como
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resultado la energización del voltímetro y el paso de voltaje, y por otro lado el negativo se
conecta con una masa o tierra. Se utilizo 4 jacks para un voltímetro ya que uno energiza y el
otro da el proceso de carga de una batería.
Para el proceso de descarga de la batería se utilizó 2 jacks tipo banana, uno positivo y el otro
negativo, además de eso se utilizó un consumidor en este caso un ventilador de computadora
con especificaciones de 12v y 0.5 A para el proceso de descarga de la batería. Con la ayuda
del multímetro se mide el voltaje de la batería de 9V y se toma datos en el caso práctico la
batería tenía como resultado 8.01 V, es decir que obtuvo como resultado una leve descarga.
[9]
Con la ayuda de la fuente y un voltaje mayor a 9 V y 1,2 A se pudo determinar el proceso de
carga de la batería, observando en el voltímetro cuanto cargo la batería, teniendo en cuenta
que no sobre paso los 9 V que especifica la batería, nuevamente con el multímetro se mide
el voltaje real de la batería y determino un voltaje de 9,01 V, es decir que la carga fue exitosa.
Para el proceso de descarga se conectó la misma batería al consumidor y se pudo visualizar
la descarga gradual que tenía la batería y la disminución de voltaje de la misma, una vez
realizada el proceso de carga y descarga se aplicó en una celda de las baterías hibridas. De
esta manera se prosigue con los resultados obtenidos de la presente investigación. [10]
Resultados y Discusión
El sistema de carga desarrollado fue sometido a una serie de pruebas exhaustivas para evaluar
su rendimiento en términos de eficiencia energética, estabilidad operativa, y seguridad. Los
resultados obtenidos demuestran que el diseño propuesto no solo cumple con los estándares
actuales de la industria automotriz, sino que también ofrece mejoras significativas en varios
aspectos clave del proceso de carga.
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Fig 3. Circuito de ensayo
Tomando en cuenta este circuito de ensayo, se procede a diagramar un ensayo de vacío, como
se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Ensayo al vacío
3.1. Eficiencia energética
Uno de los principales objetivos de este proyecto fue optimizar la eficiencia energética del
sistema de carga. Las pruebas realizadas indican que el sistema es capaz de reducir el tiempo
de carga en un promedio del 25% en comparación con sistemas de carga convencionales.
Esta mejora se debe en gran medida a la integración de componentes electrónicos de alta
precisión y a la implementación de un sistema de filtrado avanzado que minimiza las pérdidas
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de energía durante la conversión de corriente alterna a corriente continua. Además, la
capacidad del sistema para ajustar dinámicamente el voltaje y la corriente en función del
estado de la batería contribuye a una utilización más eficiente de la energía disponible,
evitando tanto la sobrecarga como la carga insuficiente.
3.2. Gestión térmica
La gestión térmica es un factor crítico en la operación de cualquier sistema de carga,
especialmente en vehículos eléctricos, donde el sobrecalentamiento puede llevar a una
degradación acelerada de las baterías o incluso a fallos catastróficos. El sistema propuesto
incorpora tecnologías de enfriamiento activo que mantienen las baterías dentro de un rango
de temperatura seguro durante todo el proceso de carga. Las pruebas térmicas realizadas
demostraron que, bajo condiciones de carga máxima, la temperatura de las baterías se
mantuvo estable, sin superar los 40°C, lo que está muy por debajo del umbral de riesgo para
la mayoría de las baterías de iones de litio. Este control térmico efectivo no solo previene
daños a las baterías, sino que también contribuye a prolongar su vida útil.
3.3. Estabilidad operativa y seguridad
La estabilidad operativa del sistema fue otro aspecto central evaluado. Las pruebas mostraron
que el sistema mantiene una salida de voltaje constante, con variaciones menores al 1%,
incluso bajo condiciones de carga fluctuante. Esto es crucial para garantizar que la batería
reciba un suministro de energía estable, lo que a su vez asegura un proceso de carga seguro
y eficiente. Además, el sistema está equipado con múltiples capas de protección contra
cortocircuitos, sobrecargas y sobrecalentamientos. Durante las pruebas, estas protecciones se
activaron correctamente en situaciones de riesgo, demostrando su efectividad para prevenir
daños tanto en la batería como en el sistema de carga.
3.4. Comparativa con sistemas de carga existentes
En comparación con otros sistemas de carga en el mercado, el diseño propuesto ofrece varias
ventajas competitivas. Por un lado, la reducción en el tiempo de carga y el aumento en la
eficiencia energética hacen que este sistema sea más atractivo tanto para fabricantes de
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vehículos como para consumidores. Por otro lado, la robusta gestión térmica y las
características avanzadas de seguridad posicionan a este sistema como una opción más
confiable para el uso en una amplia gama de aplicaciones automotrices. Los resultados
también sugieren que, aunque el costo inicial de implementación puede ser ligeramente
superior al de sistemas convencionales, la durabilidad y la reducción en el consumo
energético a largo plazo compensan esta inversión.
3.5. Implicaciones para la industria automotriz
La adopción de este sistema de carga podría tener un impacto significativo en la industria
automotriz, especialmente en el contexto de la transición hacia vehículos eléctricos y la
creciente demanda de soluciones sostenibles. La mejora en la eficiencia energética y la
seguridad del proceso de carga no solo beneficia a los usuarios finales al reducir los costos
operativos y prolongar la vida útil de las baterías, sino que también ayuda a los fabricantes a
cumplir con normativas ambientales cada vez más estrictas. Asimismo, la escalabilidad del
diseño permite su adaptación a diferentes tipos de vehículos y baterías, lo que lo convierte
en una solución versátil para un mercado en rápida evolución.
Como parte de la discusión se tomó en cuenta un contraste basado en la presente
investigación y la revisión de la literatura de los siguientes artículos:
Tabla 1. Revisión de la literatura
Documentos Perspectivas
(1) Estación de carga inalámbrica híbrida de
PVP/batería/pila de combustible que utiliza
tecnología de inversor optimizado de alta
frecuencia para vehículos eléctricos
[11]
El documento presenta una estación de carga híbrida para
vehículos eléctricos con un diseño único que integra paneles
fotovoltaicos, una batería y una pila de combustible, lo que
optimiza la transferencia de energía a través de una tecnología de
inversor de alta frecuencia.
(2) Sistema de carga inteligente para baterías
de vehículos eléctricos
[12]
El documento propone un cargador inteligente para baterías de
vehículos eléctricos, que utiliza algoritmos avanzados para
optimizar la carga en función de factores como la química de la
batería, la temperatura y la comunicación con la red, lo que mejora
la eficiencia y la seguridad.
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(3) Diseño de una estación de carga de
vehículos eléctricos conectada a la red
eléctrica con un enfoque de aprendizaje
automático
[13]
El documento presenta un cargador universal para vehículos
eléctricos con convertidor adaptativo Buck, que revoluciona la
carga de vehículos eléctricos al ajustarse automáticamente a la
clasificación de la batería de cualquier vehículo eléctrico, lo que
simplifica y mejora la infraestructura de carga de los vehículos
eléctricos.
(4) Diseño de un cargador bidireccional
compatible con la red eléctrica para
vehículos eléctricos que funcionan con
calentamiento por corriente pulsada y carga
por corriente variable
[14]
El documento propone un diseño de cargador bidireccional
compatible con la red para vehículos eléctricos, que mejore el
precalentamiento, la carga rápida y la interacción con la red
mediante la utilización de baterías de almacenamiento de energía
en el bus de corriente continua para mejorar el rendimiento.
(5) Diseño y desarrollo de estaciones de
carga de vehículos eléctricos
[15]
El documento de investigación se centra en la innovación de los
sistemas de carga de vehículos eléctricos que utilizan NodeMCU
para baterías de plomo-ácido, integrando el monitoreo, el
seguimiento de la ubicación y el análisis predictivo para mejorar
el rendimiento y la longevidad.
(6) Diseño inocuo de sistemas de gestión de
baterías para vehículos eléctricos
[16]
La investigación se centra en la innovación de los sistemas de
gestión de baterías para vehículos eléctricos, haciendo hincapié en
la seguridad, la eficiencia y el uso de baterías de fosfato ferroso
de litio en lugar de las de iones de litio debido a las ventajas de
seguridad y eficiencia.
Al comparar los resultados obtenidos en este estudio con otros desarrollos recientes en el
campo de los sistemas de carga para vehículos híbridos y eléctricos, se puede observar una
tendencia clara hacia la integración de tecnologías avanzadas para mejorar la eficiencia y la
seguridad operativa. Mientras que otros artículos, como los de [8] y [4], se han centrado en
la optimización de componentes individuales como reguladores de voltaje y sistemas de
enfriamiento pasivo, el sistema propuesto en este estudio adopta un enfoque holístico que
combina múltiples tecnologías en una solución integrada. Esta diferencia en enfoque resulta
en un sistema que no solo supera en eficiencia a los sistemas discutidos en estudios anteriores,
sino que también ofrece una mayor fiabilidad y flexibilidad. La comparación subraya la
importancia de abordar el diseño de sistemas de carga desde una perspectiva
multidisciplinaria, lo que permite superar las limitaciones de los enfoques más tradicionales.
En resumen, el sistema desarrollado no solo complementa la literatura existente, sino que
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también ofrece un avance tangible en la evolución de los sistemas de carga automotrices,
alineándose con las demandas actuales y futuras de la industria.
Conclusiones
El sistema de carga desarrollado en este estudio representa un avance significativo en el
campo de la ingeniería automotriz, específicamente en la optimización del proceso de carga
de baterías para vehículos híbridos y eléctricos. La primera conclusión relevante es que la
integración de tecnologías avanzadas, como la gestión térmica y el monitoreo en tiempo real,
ha permitido mejorar notablemente la eficiencia energética. La capacidad del sistema para
ajustar dinámicamente el voltaje y la corriente, en función del estado de la batería, no solo
reduce el tiempo de carga, sino que también minimiza las pérdidas energéticas, convirtiendo
a este sistema en una solución altamente eficiente en comparación con los modelos
convencionales.
Además, la robustez del sistema en términos de seguridad y estabilidad operativa se destacó
como un aspecto crucial. Las pruebas realizadas mostraron que el sistema mantiene una
salida de voltaje constante y está equipado con múltiples capas de protección contra fallos,
como cortocircuitos y sobrecargas. Este nivel de seguridad es esencial para prevenir daños
tanto en las baterías como en el propio sistema de carga, lo que a su vez contribuye a la
confiabilidad y durabilidad del vehículo en general. La gestión térmica efectiva, que
mantiene la temperatura de las baterías en rangos seguros, también juega un papel
fundamental en la prolongación de la vida útil de las mismas.
La tercera conclusión es la relevancia de este sistema para la industria automotriz en su
conjunto. La creciente demanda de vehículos eléctricos y la presión por cumplir con
normativas ambientales más estrictas hacen que la adopción de sistemas de carga eficientes
y seguros sea una necesidad imperiosa. El diseño propuesto no solo satisface estas exigencias,
sino que también proporciona una solución adaptable y escalable, capaz de ser implementada
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en una amplia gama de vehículos y baterías. Esto convierte al sistema en una opción atractiva
tanto para los fabricantes de automóviles como para los usuarios finales, al ofrecer mejoras
tangibles en eficiencia, seguridad y sostenibilidad.
Finalmente, este trabajo abre nuevas vías para futuras investigaciones y desarrollos en el
campo de los sistemas de carga para vehículos eléctricos. La tecnología desarrollada podría
ser la base para la próxima generación de sistemas de carga, que no solo mejoren la eficiencia
y seguridad, sino que también incorporen nuevas funcionalidades, como la carga inalámbrica
o la integración con redes inteligentes. Además, la escalabilidad y versatilidad del diseño
permiten su aplicación en otros contextos, como la carga de vehículos eléctricos de gran
escala o el almacenamiento de energía en redes distribuidas, lo que subraya el impacto
potencial de esta investigación en la transición hacia un futuro energético más sostenible.
Referencias
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[2] B. Diaz, Probador de baterías de bajo amperaje, 3rd ed., vol. 1. UDDL, 2018.
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Automatical, 2020.
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Multimun, 2021.
[5] C. Bravo, Funcionamiento de voltímetro de tres pines, 1st ed., vol. 1. Alfaomega, 2022.
[6] M. Montoya, Elaboración de un transformador, 1st ed., vol. 1. IUPB, 2019.
[7] S. Soto, Diseño de fuente con amperaje variable, 1st ed., vol. 1. ECPO, 2020.
[8] S. Fajardo, Diseño de fuente regulable con voltaje variable, 1st ed., vol. 2. CUMD, 2017.
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[10] F. Rivera, Carga y descarga de baterías, 1st ed., vol. 1. GRSA, 2021.
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[Online]. Available: https://www.preprints.org/manuscript/202406.0195/v1
[12] S. S. Ramesh Gouda, D. CN, P. Y C, and S. Simran, "Intelligent Charging System for
Electric Vehicle Batteries," in 2024 International Conference on Electronics,
Computing, Communication and Control Technology (ICECCC), Bengaluru, India,
2024, pp. 1-4. [Online]. Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/10593895
[13] Sakthivel and L. J. Varghese, "Design of Grid Connected EV Charging Station
Incorporated with Machine Learning Approach," in 2024 International Conference on
Electronics, Computing, Communication and Control Technology (ICECCC),
Bengaluru, India, 2024, pp. 1-6. [Online].
Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/10593924
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Friendly Charger Design for Electric Vehicle Operated under Pulse-Current Heating and
Variable-Current Charging," Sustainability, vol. 16, no. 1, Art no. 367, 2024. [Online].
Available: https://doi.org/10.3390/su16010367
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electric vehicle charging station," International Journal of Advanced Research in
Science, Communication and Technology, 2024. [Online].
Available: https://ijarsct.co.in/Paper9415.pdf
[16] K. K. K. S. Chitra, S. Prakash, R. N. V. Pradeep, and M. Safal, "Innocuous Design of
Battery Management Systems For Electric Vehicles," in 2023 Second International
Conference on Augmented Intelligence and Sustainable Systems (ICAISS), Trichy, India,
2023, pp. 1770-1775. [Online].
Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/10250714
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