MLCC de alta tensión para sistemas de propulsión de VE

El mercado mundial de coches está atravesando una transición generalizada hacia los vehículos eléctricos (VE). Hasta ahora, los vehículos basados en motores de combustión interna han mejorado los sistemas de propulsión para cumplir las normas sobre emisiones. Estas normas, junto con las tecnologías de confort y la conducción autónoma, han aumentado la eficiencia de la electrificación en los automóviles. En paralelo al aumento del número de dispositivos electrónicos se ha incrementado también el consumo eléctrico del vehículo. Las tensiones de la batería han variado para adaptarse a los requisitos de un mayor consumo y están asociados a unos sistemas de alimentación eficientes. Este artículo analiza la tecnología del VE en aplicaciones de alta tensión y presenta los MLCC de alta tensión de Samsung Electro-Mechanics para automoción.

Electrificación del vehículo y tensiones de la batería

El aumento de la tensión de la batería del coche está relacionado con la tendencia hacia la electrificación. Para comprender esta tendencia debemos echar la vista atrás para ver cómo ha cambiado la tensión de la batería de un coche. Hasta mediados de la década de 1950, la tensión de funcionamiento de los vehículos era de 6V. Desde entonces, los desplazamientos del motor fueron aumentando, por lo que se necesitaba un motor eléctrico de arranque más grande. El sistema de 12V se estandarizó por la necesidad de más dispositivos electrónicos, mientras que los primeros coches solo precisaban una pequeña batería para arrancar el motor y encender la radio.

Sin embargo, a medida que aumentó el número de dispositivos electrónicos en el vehículo con el paso del tiempo también lo hizo la necesidad de más potencia. Para resolver este problema se debatió incrementar la tensión de 12V a un sistema con una tensión más alta capaz de asumir la demanda de más potencia. En la década de 1990 se propuso el sistema de 42V y en 2011 los fabricantes alemanes estandarizaron los 48V. Desde entonces, los coches híbridos y los VE han empezado a utilizar tensiones más altas. La potencia (W) es la tensión (V) multiplicada por la corriente (A). Al aumentar la potencia es más eficiente elevar la tensión en lugar de la corriente. Cuando se incrementa la corriente se necesitan cables más gruesos y también se deben cambiar las patillas del conector. Ambos factores influyen sobre el coste del hardware, de ahí que aumenten las tensiones de la batería en lugar de la corriente.

Aumento de la tensión de la batería: sistema híbrido ligero de 48V

La principal razón por la que surgió el sistema de 48V en la década de 2010 fue la aprobación de normas sobre emisiones. Los fabricantes de automóviles que producían motores de combustión interna tenían que cumplir sus objetivos de emisiones e incrementar la eficiencia del combustible, mejorando para ello los sistemas de propulsión. Se dice que el híbrido ligero (Mild Hybrid, MHEV) es un sistema híbrido sencillo y económico. El motivo por el cual los fabricantes de coches prefirieron el MHEV es que era fácil de fabricar. El sistema MHEV se puede fabricar añadiendo un sistema de 48V al sistema de propulsión del motor de combustión interna existente y de este modo se pueden reducir las emisiones con un coste más bajo que en un vehículo totalmente híbrido. Pero la pregunta sigue siendo: ¿por qué 48V? La razón es que en muchos países una tensión de 60V se considera baja y no peligrosa para el cuerpo humano. Además, las líneas telefónicas han venido utilizando sistemas de alimentación de 48V durante los últimos 100 años, lo cual demuestra aún más la seguridad de los sistemas de 48V en los vehículos.

Aplicación de alta tensión en el coche eléctrico

La configuración básica del sistema de propulsión de los VE consiste en una batería de alta tensión, un inversor y un motor eléctrico. Los sistemas de propulsión de los VE utilizan una tensión alta y la eficiencia de un VE está ligada a la eficiencia del convertidor CC/CC. Los coches eléctricos tienen diversas aplicaciones de conversión de potencia, como el convertidor CC/CC de baja tensión, el cargador de a bordo y el inversor. Actualmente se están aplicando varias topologías de conversión CC/CC para integrar aplicaciones similares. Por ejemplo, se están desarrollando cargadores de a bordo (On Board Charger, OBC) y convertidores CC/CC de baja tensión (Low-Voltage DC/DC Converter, LDC) para su integración en el sistema, con la ventaja de reducir el número de componentes y ahorrar espacio.

Estructura de MLCC de alta tensión para garantizar la fiabilidad

¿En qué se diferencia la estructura de un MLCC de alta tensión de un MLCC en general? La fiabilidad debería estar garantizada en los entornos de alta tensión. Los MLCC instalados en aplicaciones de alta tensión se ven expuestos al riesgo de que se produzcan arcos eléctricos o cortocircuitos en el interior del MLCC. Cuando la tensión es elevada se forma un campo eléctrico intenso alrededor del MLCC que ioniza el aire circundante. En concreto se concentra un potente campo eléctrico en ambos terminales del MLCC. Si supera la tensión de activación del aire ionizado se produce un arco eléctrico que puede llegar a provocar un cortocircuito dentro del MLCC. La estructura que evita este fenómeno es un blindaje en el interior del MLCC.

El diseño flotante disminuye el riesgo de cortocircuito cuando se origina una grieta en el MLCC, pero también es útil para productos de alta tensión. La estructura flotante distribuye tensión de tal manera que la tensión dentro del MLCC solo es la mitad de la tensión aplicada en los terminales. Por ejemplo, cuando se aplican 1000V en ambos extremos del MLCC, si se usa el diseño flotante solo se aplican 500V a la capa dieléctrica del MLCC, es decir, la mitad de 1000V. Desde luego es una ventaja desde el punto de vista de la fiabilidad porque reduce el campo eléctrico aplicado entre capas dieléctricas. La tensión y la temperatura son factores clave para determinar la vida útil del MLCC.

El MLCC de alta tensión de Samsung Electro-Mechanics garantiza la fiabilidad en aplicaciones de alta tensión. Se puede encontrar más información detallada sobre sobre este asunto y sobre la gama de productos de la compañía en la web.