Figura 1. El convertidor CC/CC de Vicor (BCM y PRM) se integra en el paquete de baterías de 800V. Esto permite ahorrar espacio y peso en el diseño del vehículo además de aprovechar el sistema de refrigeración de la batería para cubrir las necesidades de tipo térmico. Este innovador enfoque elimina el coste y el peso que representa añadir un sistema de refrigeración a un convertidor CC/CC remoto. El encapsulado del CC/CC es lo bastante pequeño como para integrarlo sin desplazar las celdas de la batería. El BCM6135 de alta densidad junto al regulador PRM3735, también de Vicor, se ajustaron a las estrictas limitaciones de espacio para que INFAC pudiera diseñar el nuevo paquete de baterías.
INFAC aumenta la autonomìa al integrar la conversión CC/CC directamente en el paquete de baterías del vehiculo electrico
La empresa surcoreana INFAC Corporation ha presentado un innovador diseño modular de paquete de baterías de 800V para vehículos eléctricos (VE) que integra un convertidor CC/CC aislado y regulado de alta potencia de 800V a 48V. El nuevo diseño mejora el rendimiento del vehículo y la eficiencia energética, además de aumentar la autonomía al reducir el uso de los cables y los conectores de alta tensiòn.
En lugar de tratar la etapa de conversión CC/CC como un subsistema autónomo distribuido, INFAC diseñó la alimentación de manera que reduce la tensión en la fuente para distribuir una baja tensión de seguridad (SELV) por el vehículo. Este enfoque optimizado permite aplicar unos diseños zonales más limpios, flexibles y modulares de 48V para varias plataformas de VE sin desplazar las celdas de la batería ni reducir la autonomía del vehículo.
Replanteamiento de las posibilidades entre las baterías y los convertidores CC/CC
INFAC observó que las soluciones tradicionales de alimentación entraban en contradicción con los objetivos de la industria de reducir el peso, optimizar el coste y simplificar el diseño.
Los convertidores CC/CC de alta tensión se suelen instalar fuera del sistema de baterías de alta tensión (800V o 400V), por lo que se necesita un mayor nivel de seguridad y sistemas de gestión térmica. El motor los vehículos eléctricos y los sistemas inversores demandan cientos de kilovatios de potencia y requieren cables, soportes y carcasas de alta tensión. Otros subsistemas de propulsión y de tipo electrónico de la carrocería y el chasis necesitan 3,5 – 12kW y se pueden alimentar fácilmente desde una red distribuida zonal SELV de 48V.
La separación física de la fuente de alta tensión y el sistema de potencia de conversión CC/CC duplica de manera innecesaria los sistemas de gestión y distributciòn de energía, lo que desperdicia espacio, peso y costes, y duplica los sistemas de regrigeraciòn liquida requeridos.
La innovación: integrar la conversión CC/CC junto a la batería
El principal avance de INFAC fue que el paquete de baterías ya incorpora un sistema de refrigeración líquida robusto para gestionar las cargas térmicas. Al integrar el convertidor CC/CC de alto voltaje dentro de la batería y aprovechar de la infraestructura existente INFAC eliminó la necesidad de un circuito de refrigeración independiente que tradicionalmente se ubica fuera del paquete de baterías para el convertidor CC/CC. Esto rompe con los enfoques de diseño convencionales de tipo “caja independiente (silver-box)”, al posicionar el paquete de baterías como un núcleo de potencia central e inteligente en lugar de una fuente de energía pasiva.
Figura 2. El formato del sistema tenía que ser muy pequeño para introducirlo en el paquete de baterías del coche. El sistema de INFAC mide 215 x 45 x 82mm (An/Prof/Al). El volumen es de 793cm3 y pesa aproximadamente 1,5kg.
El cambio se realizó mediante convertidores CC/CC BCM6135 y reguladores PRM3735 de alta densidad de Vicor, que proporcionan conversión y regulación de alta tensión a 48V y permiten disponer de un bus aislado y regulado de alta potencia para la arquitectura zonal. Con anterioridad no era viable integrar la función de conversión CC/CC en el paquete de baterías porque las limitaciones de tamaño obligaban a los diseñadores a abordar problemas relacionados con la gestión del consumo, el aislamiento eléctrico, los requisitos de seguridad y la robustez del encapsulado del módulo de potencia.
Ventajas de la conversión CC/CC integrada con la batería
Al colocar el convertidor CC/CC en el paquete de baterías, INFAC obtuvo una serie de ventajas que aumentaron el rendimiento del sistema:
- Gracias a la red de refrigeración líquida de la batería, el módulo de potencia elimina los bucles redundantes de refrigerante y reduce las interfaces térmicas.
- La longitud y el grosor del cable de alta tensión se reducen de forma significativa, simplificando así el trazado y el diseño del cableado de alta tensión.
- La menor cantidad de soportes, carcasas y componentes de refrigeración reduce el peso y los costes de la lista de materiales (BOM).
- La minimización de las conexiones y las vías de refrigeración reduce los puntos de fuga y los riesgos de fallo eléctrico.
- El menor número de interfaces externas agiliza y uniformiza los procesos de fabricación.
La arquitectura de alimentación modular de alta densidad de Vicor proporciona la eficiencia, la escalabilidad y el formato compacto que se requieren para que la distribución de 48V integrada con la batería resulte práctica a gran escala. De este modo sitúa el paquete de baterías en el centro de la gestión y la distribución de la alimentación para los vehículos eléctricos de la próxima generación y permite que INFAC elabore sus diseños de paquetes de baterías para vehículos eléctricos en consonancia con la transición del sector hacia arquitecturas de alimentación zonal de 48V.
