La automoción y la electro-movilidad afrontan la exigencia de soluciones de alimentación más pequeñas y ligeras

Autor: Patrick Kowalyk, Ingeniero Jefe de Aplicaciones de Campo para Automoción, Vicor Corporation

La adopción de arquitecturas de baterías de vehículos eléctricos (VE) de 800V está inspirada en la necesidad de incrementar las velocidades de carga, reducir las pérdidas resistivas (I²R) y mejorar la eficiencia del sistema de transmisión. Al mismo tiempo están surgiendo arquitecturas eléctricas zonales que utilizan buses locales de 48V para disminuir el peso del cableado.

Convertir la alta tensión (HV, por high voltage) de 800V de la batería de manera fiable y eficiente a una tensión muy baja de seguridad (SELV, por safety extra-low voltage) de 48V añade notables limitaciones por lo que se refiere al encapsulado, la gestión térmica, la seguridad del sistema y los transitorios. En lugar de recurrir a convertidores CC/CC distribuidos junto con baterías de 48V o supercondensadores, la clave para mejorar el rendimiento es un cambio fundamental hacia una arquitectura de conversión más centralizada y eficiente que incorpore módulos de potencia de alta densidad.

¿Qué impulsa la adopción de la alta tensión?

La tendencia actual en la arquitectura de los VE pasa por la utilización de tensiones más altas tanto en los sistemas primarios como en los auxiliares. Esto se debe en ambos casos a la necesidad de incrementar la eficiencia del vehículo y reducir el peso concentrando la densidad de la electrónica de potencia.

En el sistema primario, por ejemplo, el cambio de una batería de 400V a una de 800V reduce la corriente a igualdad de potencia (P = IV). Como resultado de ello, los fabricantes (OEM) pueden diseñar soluciones con cables más finos, lo cual aligera los sistemas y aumenta la eficiencia en su conjunto. Los sistemas auxiliares están evolucionando de la distribución centralizada de 12V a diseños zonales que suministran 48V desde varios nodos, cada uno de ellos con etapas CC/CC incorporadas para regulación de 12V. De modo parecido a la transición hacia 800V, la arquitectura zonal de 48V permite que los OEM consuman menos cobre y simplifiquen el cableado.

Si bien en ambos casos ofrecen importantes ventajas al sistema del VE, también representan una serie de retos de tipo técnico a los ingenieros de automoción y de electrónica de potencia al convertir la alta tensión a SELV. Estos son ocho de los más comunes:

8 retos en la conversión de HV a SELV y la solución del módulo de potencia

1. Regulación eficiente de tensión

Los alternadores que se suelen utilizar en vehículos con motores de combustión interna han suministrado una tensión de salida consistente para alimentar la electrónica del sistema. En los VE, las baterías alimentan el sistema, pero su tensión de salida es inconsistente debido a factores como la caída de tensión y los estados de carga/descarga.

La especificación VDA320 supervisada por la Asociación Alemana de la Industria de Automoción recomienda que los sistemas de 48V funcionen entre 36V y 52V. Un método para proporcionar estas tensiones consiste en utilizar un convertidor CC/CC regulado. La mayoría de los convertidores de HV a 48V alcanzan una eficiencia máxima del 95-97% bajo condiciones ideales, pero raramente se cumplen estas condiciones, y las cargas parciales que gestionan la mayoría de los convertidores en el mundo real disminuyen esta eficiencia.

Los módulos de potencia SAC (Sine Amplitude Converter) se pueden utilizar en sustitución de los convertidores CC/CC regulados. Los módulos SAC convierten la tensión de entrada según proporciones fijas, como 2:1, 4:1, 6:1, 16:1 y 32:1. En lugar de una proporción 16:1 se puede lograr un rango definido por VDA320 de 36V a 52V a partir de la tensión de salida de una batería de 800V cuyo rango sea de 576V a 832V, que se halla dentro de la variación prevista de la batería.

Los módulos SAC son más eficientes que los convertidores CC/CC regulados y alcanzan una eficiencia máxima del 98-99% a 25°C de temperatura ambiente con una curva optimizada alrededor de una carga de salida del 50% (Figura 1). Media carga es el punto ideal para su uso habitual en el mundo real en la distribución eléctrica para VE (sin cargas coincidentes), por lo que es la condición de funcionamiento correcta para la optimización del sistema.

Figura 1. Los módulos de potencia SAC (Sine Amplitude Converter), como el BCM6135, se pueden utilizar en lugar de los convertidores CC/CC regulados para reducir el tamaño y aumentar la eficiencia. Las pruebas de eficiencia del BCM6135 a 25°C muestran una eficiencia máxima cercana al 97,5% a media carga.

2. Seguridad y aislamiento a tensiones más altas

La seguridad es un aspecto más importante del diseño a medida que aumentan las tensiones. Dado que cualquier valor por encima de 60V_CC (umbral de SELV) se considera potencialmente letal, los sistemas de 800V representan un riesgo considerable para el usuario y para los técnicos. De ahí que el aislamiento sea tan importante en los diseños de HV a SELV.

Los diseños discretos basados en topologías de conmutación ven limitada su capacidad de alcanzar niveles elevados de aislamiento debido a la capacidad parásita entre componentes, a sus distancias en el aire y líneas de fuga inadecuadas y a la dificultad de sincronizar la conmutación a alta velocidad conservando la integridad del dieléctrico a través de las barreras de aislamiento.

Los módulos de potencia basados en topologías SAC pueden lograr niveles extremadamente altos de aislamiento de alta tensión gracias a la conmutación a tensión cero y corriente cero. Estas técnicas de conmutación suave reducen el nivel de EMI y minimizan el estrés por la tensión en la barrera de aislamiento, que permite utilizar estructuras magnéticas compactas sin disminuir el nivel de aislamiento. Como resultado de ello, los módulos de potencia pueden integrar transformadores con un aislamiento elevado y mantener la eficiencia incluso en entornos densos de alta tensión en los que suelen fracasar las soluciones discretas.

3. Limitaciones para las distancias en el aire y las líneas de fuga a alta tensión

Desafortunadamente, la seguridad y la superficie del sistema se contraponen a medida que aumenta la tensión. Cuando se incrementa la tensión del sistema, también lo hace la separación mínima entre los conductores, tanto a través del aire como entre las superficies de aislamiento. Esta necesidad de una mayor separación limita el trazado y el tamaño de la cubierta en los sistemas con tensiones más altas para VE.

Por tanto, los nuevos sistemas de 800V ahora necesitan una mayor separación física con el fin de ofrecer un mayor grado de protección frente a la generación de arcos eléctricos. En los diseños discretos, las separaciones físicas más grandes por razones de seguridad consumen más superficie y limita la densidad de potencia en los sistemas de automoción. Para complicar más las cosas, el envejecimiento del plástico y la contaminación de la superficie pueden aumentar el riesgo de ruptura del componente a lo largo de la vida útil del sistema que se soluciona añadiendo espacio y material.

En lugar de plantear el diseño con componentes discretos, los módulos de potencia garantizan la seguridad sin que afecte a la densidad de potencia. Los módulos de potencia pueden integrar componentes en superficie más pequeñas con un sobremoldeo protegido para impedir que se generen arcos eléctricos y ofrecer protección frente a la entrada de polvo conductor y de humedad que puede reducir la resistencia dieléctrica.

4. Tamaño y densidad de potencia del sistema

Los OEM tratan constantemente de aumentar la densidad de potencia porque el menor peso y la menor superficie del sistema incrementan la eficiencia y permiten colocar más celdas en la batería. Los componentes discretos tradicionales sin regulación y filtrado de salida pueden ocupar un volumen superior a 2l y pesar más de 2kg a 4kW. En las aplicaciones de automoción o electromovilidad, donde el espacio y el peso son importantes, esta no es la mejor opción.

Los módulos de potencia de alta densidad permiten una estrecha integración de los componentes en los ejes X, Y y Z mediante el empleo de placas de circuito impreso multicapa, un método que sería inviable con soluciones discretas. Por ejemplo, integrar el filtrado en el módulo convertidor ahorra espacio y mejora la densidad de potencia al eliminar la necesidad de voluminosos filtros de salida.

Además, al utilizar módulos de potencia, los diseñadores pueden colocar las soluciones de conversión directamente dentro de la carcasa de la batería. De este modo, los OEM también aprovechan la infraestructura de protección térmica y mecánica. El ahorro añadido de peso y espacio se obtiene eliminando la necesidad de cubiertas separadas o de ampliar el sistema de refrigeración (Figura 2).

Figura 2. Las soluciones basadas en SAC son más compactas y ligeras, y ocupan menos espacio. Permiten duplicar la densidad de potencia volumétrica y gravimétrica respecto con otras soluciones similares.

5. Limitaciones de tipo térmico

Muchos diseñadores creen que los módulos de potencia presentan problemas de gestión térmica debido a sus elevadas densidades de potencia y a la cercanía física de los componentes internos entre sí. Sin embargo, los módulos de potencia pueden integrar muchos MOSFET de potencia, controladores y otros componentes dentro del mismo encapsulado sin generar problemas de tipo térmico. Por ejemplo, se ha demostrado que un módulo de alta frecuencia con una sola etapa puede tener unas resistencias térmicas de tan solo 1,4°C/W (tanto en lado con patillas como en el otro), que son comparables a las de un MOSFET de potencia discreto (Figura 3).

Los módulos de potencia también simplifican la refrigeración. En las soluciones discretas, que están formadas por muchos componentes situados a gran distancia para cumplir los requisitos en cuanto a distancias en el aire y líneas de fuga, la refrigeración resulta difícil a causa de las diversas alturas y ubicaciones de los componentes. En cambio, los módulos de potencia integran todos los componentes en un solo encapsulado por lo que la refrigeración es directa hasta la placa base y acaba con la necesidad de dispersar el calor o de orificios térmicos externos.

Figura 3. Pese a tratarse de una solución totalmente integrada, los módulos de potencia ofrecen un rendimiento térmico comparable al de un MOSFET de potencia.

6. Respuesta frente a transitorios

El rendimiento y la capacidad de respuesta en tiempo real de los sistemas de VE a menudo pueden ser una cuestión de vida o muerte. Por ejemplo, subsistemas como la dirección y el freno exigen un suministro eléctrico inmediato en escalones de carga dinámica inferiores a un milisegundo para que no fallen y pongan en peligro a los ocupantes del vehículo.

De algún modo, esta es una limitación fundamental de los sistemas alimentados por baterías ya que las baterías de los VE convencionales tienen una respuesta frente a transitorios del orden de 250A/s. Cuando la tensión se regula mediante soluciones convencionales con convertidores discretos basados en conmutación, la respuesta frente a transitorios está limitada por la frecuencia de conmutación del convertidor, que normalmente es de 100kHz o menos.

Dado que los módulos de potencia de alta densidad no recurren a topologías de conmutación de tipo convencional, su repuesta frente a transitorios no se ve limitada por las frecuencias de conmutación del convertidor. Como resultado de ello, los módulos de potencia basados en SAC pueden alcanzan unas respuestas frente a transitorios (di/dt) por encima de 8.000.000A/s (Figura 4). Como la respuesta del dispositivo es intrínseca a la topología y a su comportamiento pasivo, una solución modular de alta densidad también elimina los retardos en el lazo de control para que las respuestas sean aún más rápidas.

Figura 4. Los módulos BCM ofrecen un comportamiento totalmente lineal entre VIN y VOUT para suministrar una corriente limpia sin riesgo de sobretensión u oscilaciones.

7. Rendimiento bidireccional simétrico / rendimiento bidireccional

La mayoría de las arquitecturas estándar de EV requieren un paquete de baterías de iones de litio de 48V o un banco de supercondensadores para amortiguar las variaciones transitorias de la carga y mantener la estabilidad. Esto no es ideal ya que las baterías, los condensadores y la circuitería correspondiente imponen enormes penalizaciones de coste, peso y espacio.

Los módulos de potencia de alta densidad resuelven esta cuestión eliminando las etapas    DCM/PRM y sustituyéndolas por un solo módulo de alta velocidad y alta eficiencia (Figura 5). Los módulos basados en SAC cuya respuesta frente a transitorios es 32.000 veces más rápida que el de una batería sola, cubren los requisitos de carga de los sistemas auxiliares.

Los módulos de potencia, con su funcionamiento bidireccional y su baja impedancia, también permitan que la energía vuelva desde las cargas capacitivas o regenerativas directamente hasta el bus de HV sin lógica externa o relés. La integración resulta sencilla y no exige añadir otros componentes porque la inversión de la polaridad sin retardo de los módulos elimina la necesidad del control de la dirección gestionado por un microcontrolador. Se garantiza que su comportamiento sea pasivo y simétrico.

Figura 5. El rendimiento de los módulos BCM sustituir por completo la batería de 48V.

8. Picos de demanda / pico de potencia

Los convertidores CC/CC discretos convencionales tienen limitada su potencia y exigen funciones de seguridad como límites de corriente que afectan a su capacidad para funcionar más allá de sus niveles nominales. La potencia máxima de estos convertidores CC/CC suele ser igual a la potencia continua, lo cual significa que si el sistema demanda puntualmente 100A y el convertidor debe estar dimensionado para manejar 100A en todo momento, incluso si la corriente media es mucho más baja. El sobredimensionamiento de los convertidores para eventos transitorios aumenta el coste, el tamaño y el calor generado.

Los módulos de potencia de alta densidad están limitados desde un punto de vista térmico, aunque no en cuanto a su potencia; esto significa que pueden suministrar picos de potencia que superan su potencia nominal continua. Si un convertidor CC/CC modular tiene una corriente nominal de 80A en modo continuo, también puede alcanzar picos de 100A durante < 20ms o con un ciclo de trabajo del 25%.

Gracias a la capacidad de funcionar con estos niveles de transitorios, los OEM pueden dimensionar correctamente el suministro eléctrico alrededor de la corriente media, no de pico, y conseguir un ahorro significativo en el coste y el peso del vehículo. Esto es valioso para manejar cargas inductivas como motores y actuadores, que a menudo sufren transitorios en el arranque, especialmente en sistemas zonales cuyas cargas son intermitentes y no coincidentes.

Adiós a las antiguas limitaciones de potencia

La transición de plataformas de 800V a arquitecturas zonales de 48V ha puesto de manifiesto las limitaciones del diseño de un convertidor tradicional, como una respuesta deficiente a transitorios, un volumen excesivo y la dependencia del almacenamiento local de energía.

A los diseñadores de potencia, el módulo de potencia basado en SAC BCM6135 de Vicor permite replantear la conversión de HV a SELV al nivel del sistema. Los módulos de potencia de alta densidad ofrecen a los diseñadores la posibilidad de eliminar la batería de 48V, reducir el peso y el coste, y permitir el flujo bidireccional de energía en tiempo real con los máximos niveles de densidad y velocidad frente a transitorios.

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