Los vehículos eléctricos (e-movilidad) es quizás uno de los retos más importantes que las empresas tecnológicas y los consumidores han tenido que afrontar en los últimos años. Si bien es cierto que cada vez es más necesario encontrar sistemas ecológicos que puedan revolucionar nuestra forma de movernos, también lo es que las nuevas tecnologías verdes sean lo más eficientes y eficaces posibles en cuanto a precio y prestaciones.
Los OEM de vehículos tienen que cumplir con unas normas de emisiones de CO2 cada vez más estrictas y, al mismo tiempo, aumentar las prestaciones de los vehículos para seguir siendo competitivos. Este importante reto se aborda mediante la electrificación en vehículos puramente eléctricos (EV), vehículos híbridos-eléctricos (HEV) y vehículos con motor de combustión interna (ICE). La adición de baterías de mayor voltaje, como las de 48V, 400V y 800V, para satisfacer las mayores necesidades de potencia ha aumentado, a su vez, la complejidad de las arquitecturas de suministro de energía y ha planteado nuevas exigencias en términos de tamaño y eficiencia
Los sistemas de vehículos eléctricos híbridos ligeros (MHEV) son la puerta de entrada a la electrificación. También identificados como propulsión híbrida ligera, contribuirán al crecimiento exponencial de los modelos híbridos. El sistema MHEV es capaz de recuperar la energía del vehículo durante el frenado y proporciona energía durante el reinicio del vehículo, reduciendo así el consumo de gas y las emisiones de CO2.
Un segundo enfoque de electrificación para los modelos HEV implica un motor eléctrico que trabaja junto con el ICE, permitiendo que el vehículo viaje al 100% en modo eléctrico durante algunos kilómetros. Otra alternativa popular es el vehículo híbrido-eléctrico enchufable (PHEV), en el que la batería puede recargarse en la red, y la autonomía con cero emisiones aumenta hasta unos 50 kilómetros. En este caso, la electrificación es claramente superior a la de las tecnologías MHEV e híbrida, al igual que los costes de adquisición, y hay docenas de modelos PHEV en el mercado.
Los vehículos eléctricos de batería (BEV) carecen de motor de combustión interna y se alimentan de la combinación de inversor y motor eléctrico. Los BEV se recargan a través de la red y durante la regeneración al frenar. Entre los coches eléctricos, también encontramos los vehículos eléctricos de autonomía extendida (EREV) con un pequeño motor de combustión interna utilizado exclusivamente como generador de corriente para recargar las baterías cuando el nivel es bajo. La última categoría está representada por los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV), que funcionan con pilas de hidrógeno.
La solución podría estar no sólo en las nuevas tecnologías de almacenamiento de energía, como las baterías de estado sólido o las pilas de combustible de hidrógeno, sino también en la mejora de la eficiencia de los coches mediante la reducción de peso y las nuevas arquitecturas eléctricas.
Los retos actuales de la electrificación
«Los retos actuales de la electrificación son los siguientes: mantener los costes bajos, cumplir con los agresivos objetivos de emisiones de CO2, gestionar el cambio en los requisitos de energía, alimentar las cargas heredadas de 12V, ofrecer vehículos más ligeros y de mayor rendimiento, aumentar los niveles de potencia, acelerar el tiempo de carga y gestionar los voltajes más altos de los sistemas de baterías de 800V y 400V», dijo Patrick Wadden Vicepresidente Global de Desarrollo de Negocio de Automoción de Vicor Corporation.
Los fabricantes de coches, camiones, autobuses y motocicletas están electrificando rápidamente sus vehículos para aumentar la eficiencia del combustible de los motores de combustión interna y reducir las emisiones de CO2. Hay muchas opciones de electrificación, pero la mayoría de los fabricantes están optando por un sistema mild-hybrid de 48 voltios en lugar de una cadena cinemática totalmente híbrida. En el sistema mild-hybrid, se añade una batería de 48 V junto a la batería tradicional de 12 V.
«Hay una batería de 800 o 400 voltios en el vehículo. Vicor toma los 800 o 400 voltios de la batería y convierte la energía en 48 voltios para alimentar cargas como el turbo eléctrico, el parabrisas y las bombas de refrigeración. Los sistemas que se alimentan de la batería de 800 o 400 voltios tienen la opción de eliminar completamente la batería de 48V y crear una batería virtual de 48V. Esta eliminación de la batería de 48 V ofrece al fabricante de equipos originales una mayor densidad de potencia y una reducción de peso y tamaño, lo que permite ampliar la autonomía del vehículo. Estas soluciones son escalables, por lo tanto, se dirigen a los vehículos de nivel de entrada a los de lujo», dijo Wadden.
La tecnología de 48V distribuye eficientemente la potencia
La tecnología de 48V aumenta la capacidad de potencia en 4x (P = V – I), que puede utilizarse para cargas más pesadas, como el aire acondicionado y el catalizador en el arranque. Para aumentar el rendimiento del vehículo, el sistema de 48 V puede alimentar un motor híbrido que se utiliza para una aceleración más rápida y suave, a la vez que ahorra combustible.
«Superar la reticencia a modificar la red de suministro de energía (PDN) de 12 voltios, optimizada desde hace mucho tiempo, puede ser el mayor reto», dijo Wadden. Y continuó: «Para la industria del automóvil, un sistema híbrido suave de 48 V ofrece una forma de introducir rápidamente nuevos vehículos con menos emisiones, mayor autonomía y mayor kilometraje de gasolina y un enfoque práctico. También ofrece nuevas e interesantes opciones de diseño para un mayor rendimiento y prestaciones sin dejar de reducir las emisiones de CO2».
La gran mayoría de los convertidores CC-CC centralizados que se utilizan son voluminosos y pesados, ya que utilizan antiguas topologías de conmutación PWM de baja frecuencia. Una arquitectura más moderna que hay que tener en cuenta es la entrega de energía descentralizada (figura 4) mediante módulos de potencia.
«Las ventajas de utilizar un modelo descentralizado pueden materializarse aún más en el nivel del sistema con un cableado más ligero alrededor del vehículo: hay algunas buenas ventajas al colocar el convertidor más cerca de la carga en términos de minimizar la impedancia y la resistencia, algunos de los métodos de refrigeración pueden simplificarse y en algunos casos se puede eliminar una placa fría o la refrigeración líquida. La opción de implementar la seguridad funcional con más opciones, y la flexibilidad entran en juego», dijo Wadden.
Esta arquitectura de suministro de energía utiliza convertidores de 48V a 12V más pequeños y de menor potencia. La arquitectura de alimentación descentralizada ofrece importantes ventajas de gestión térmica en un sistema de alimentación.
«Veamos un diagrama de alto nivel de un sistema centralizado frente a un sistema descentralizado. A la izquierda tenemos una caja plateada tradicional de 3kW, tradicionalmente con una entrada de 400V a una salida de 12V alimentando cargas de 12V en el coche. A la derecha, un ejemplo de cómo se utilizan los 48 V en el coche: el convertidor se coloca justo en el punto de carga; el modelo descentralizado prescinde de la gran caja plateada y distribuye la energía según sea necesario en el vehículo. Esto también permite la implementación de ASIL FUSA con suministros redundantes. A medida que aumentan los requisitos de potencia, se hace más y más difícil de gestionar y seguir añadiendo estas viejas cajas plateadas tradicionales no es una opción», dijo Wadden.
Las nuevas redes de distribución de energía de 48 V deben soportar las cargas de 12 V heredadas con mayores requisitos de potencia y los nuevos sistemas de accionamiento, dirección y frenado de alta potencia que utilizan cables. La entrega de más potencia de 48V con un número creciente de cargas requiere módulos de alta densidad en comparación con soluciones discretas más grandes y voluminosas. Vicor ofrece varios módulos para la entrega de energía de 48V. Estos dispositivos incluyen soluciones de conversión de relación fija y regulada que admiten cargas de 48V y 12V en modo buck o boost. Estos convertidores pueden estar contenidos en una sola carcasa o distribuidos por todo el vehículo utilizando una PDN de 48V más pequeña y ligera.
El NBM de Vicor se utiliza en una arquitectura descentralizada siempre que los fabricantes de equipos originales necesiten colocar etapas de conversión de voltaje alrededor del vehículo más cercano a la carga y reducir los 48V a 12V o aumentar los 12V a 48V.
Con el uso de estaciones de carga de 400V y 800V, la compatibilidad del vehículo con cualquier estación requiere una solución de conversión lo más sencilla posible pero sobre todo eficiente. El NBM6123 proporciona una conversión de 6,4kW de relación fija a 400V y 800V en un encapsulado CM-ChiP de 61 x 23mm, lo que permite una solución escalable, de alta eficiencia y alta densidad para la compatibilidad entre estaciones de carga en carretera y diferentes vehículos. La capacidad bidireccional de las soluciones Vicor permite utilizar el mismo módulo para la conversión ascendente o descendente. El NBM6123 también puede utilizarse para suministrar energía al vehículo para el aire acondicionado durante la carga, minimizando el circuito de equilibrado de la batería.
Conclusión
El avance hacia la electrificación de los vehículos está tomando muchas formas hoy en día y alimentarlos es complicado. Un vehículo tiene muchos sistemas diferentes y cada uno de ellos puede tener diferentes necesidades de energía. Un enfoque de alimentación modular es intrínsecamente más flexible y escalable, capaz de abordar una miríada de estos desafíos. Las soluciones de alto rendimiento de Vicor son pequeñas y ligeras, y están diseñadas para abordar la conversión, la carga y el suministro de energía para cualquier sistema.
Maurizio ha trabajado en el campo de la investigación de las ondas gravitacionales y en proyectos de investigación espacial como ingeniero de diseño. A veces se pregunta si alguien de ahí arriba nos ha estado enviando mensajes que no hemos recibido o hemos podido desencriptar. Maurizio es ingeniero electrónico y tiene un doctorado en Física. A Maurizio le gusta escribir y contar historias sobre tecnología y electrónica. Sus principales intereses son la energía, la automoción, el IoT y lo digital. Actualmente, Maurizio es redactor jefe de Power Electronics News y corresponsal europeo de EE Times. También supervisa los debates en EEWeb.com. Ha escrito varios artículos técnicos y científicos, y un par de libros para Springer sobre Energy Harvesting y Data Acquisition and Control System.