Artículo escrito por Ralf Hickl, Product Sales Manager Automotive Business Unit (ABU) de Rutronik
Todos los vehículos completamente eléctricos tienen uno y determina el tiempo de carga en el punto de recarga para pared (Wallbox) de corriente alterna (CA): se trata del cargador de a bordo (onboard charger – OBC). Los componentes de alto rendimiento resultan necesarios para hacer que sea compacto, ligero, eficiente y silencioso.
Para los BEV (battery–electric vehicles – vehículos eléctricos de batería), resulta obligatorio garantizar un bajo consumo de energía (kWh/km). A menudo, su cálculo no sólo incluye la potencia de la batería, sino también la energía requerida por el punto de recarga de pared de CA para recargar la propia batería. Las pérdidas de carga en el OBC, por lo tanto, afectan directamente al valor resultante. Para sacar el máximo rendimiento a un BEV de bajo consumo es esencial contar con el cargador de a bordo más eficiente posible.
El diagrama de bloques (Figura) muestra un cargador de a bordo trifásico y bidireccional. Aparte de la carga de batería, los cargadores bidireccionales también permiten el flujo de energía inverso desde la batería del vehículo a la red. Así pues, los BEV pueden ayudar a “cargar” la red en los momentos de pico de demanda de electricidad. Otra opción más es usar el vehículo como un generador eléctrico en una operación aislada, un método que, por ejemplo, Sono Motors estaba persiguiendo en su modelo Sion.
En este caso, se recomienda el uso de un OBC con cuatro bloques principales.
Bloque 1: filtro y PFC
El Bloque 1 incluye el filtro para suprimir la interferencia electromagnética conducida (filtro EMI). En lo que se refiere a los impactos en la red, el OBC debe cumplir el estándar IEC 61851-21-1 (Requisitos de EMC del cargador a bardo en el vehículo eléctrico para la conexión conductiva a una alimentación en CA/CC).
En combinación con los transistores del inversor de la red eléctrica, los inductores también forman parte del factor de corrección de potencia (PFC).
Bloque 2: inversor de red eléctrica
El Bloque 2 consta del inversor de red. En función de la dirección del flujo de alimentación, trabaja como un rectificador o como un inversor. Mediante la modulación por ancho de pulso (PWM) de los transistores de entrada, garantiza simultáneamente una PFC alta en interacción con los inductores en las líneas de fase.
Básicamente, la tendencia se dirige hacia frecuencias de conmutación superiores (frecuencia portadora de PWM). Cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación,
- más pequeños pueden ser los componentes pasivos,
- más silencioso puede ser el vehículo (cualquiera que haya pasado cerca de un StreetScooter en modo inactivo o un cargador activo de alta potencia de primera generación sabe lo que significa),
- mayor puede ser la densidad de potencia de todo el sistema,
- y, desafortunadamente, mayores pueden ser las pérdidas de conmutación.
Las frecuencias de conmutación elevadas están habilitadas para los semiconductores de banda prohibida, esto es, diodos y MOSFET de carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN). Por ejemplo, Rohm e Infineon ofrecen MOSFET basados en SiC con la calificación para el sector de la automoción (Tabla 2).
Se encuentran disponibles con valores de RDSon cada vez más bajos y una relación de capacidad de puerta-drenador a capacidad de puerta-fuente inferior. Las RDSon pequeñas contrarrestan las pérdidas de conductividad, mientras que las capacitancias parásitas pequeñas en el MOSFET benefician las pérdidas de conmutación y el comportamiento de conmutación. La posible eliminación de tensiones de puerta negativas contribuye a simplificar el diseño de la circuitería para el controlador de puerta y mantener el presupuesto.
Rohm respalda la última generación de los MOSFET SiC con una tarjeta de evaluación de medio puente (half–bridge) como, por ejemplo, la P04SCT4018KE-EVK-001, que se puede configurar de manera flexible para varias tensiones de puerta.
Los MOSFET SiC requieren controladores de puerta adecuados con aislamiento galvánico entre el potencial de conmutación y de control. Dotan de las tensiones y las corrientes de puerta necesarias para encender o apagar con fiabilidad el MOSFET. Algunos modelos también incorporan funciones adicionales como, por ejemplo, monitorización de sobrecarga o desaturación (DESAT) con retroalimentación del diagnóstico a la electrónica de control (Tabla 3).
El inversor de red alimenta el enlace en CC (DC link) en el lado de la red. También existe un enlace en CC en el lado de la batería, es decir, el del inversor de tracción. Las tensiones en ambos DC links se suavizan y amortiguan con condensadores. Las corrientes alternas (corrientes de rizado) provocadas por el inversor de red y el convertidor CC/CC corren a través de estos condensadores de enlace en CC. Los criterios de selección importantes para disminuir la pérdida de potencia y la generación de calor son, por lo tanto, una resistencia serie equivalente (ESR) baja en el rango de frecuencia de conmutación y una inductancia serie equivalente (ESL) baja. Como alternativa, se encuentran disponibles unos nuevos condensadores de cerámica con un dieléctrico especial de TDK Epcos (CeraLink). A diferencia de los condensadores cerámicos convencionales, su capacitancia no se ve reducida por una carga elevada con tensión en CC (polarización de CC – DC bias), pero aumenta hasta el nivel de la tensión nominal (Tabla 4).
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Tabla 4
Bloque 3: convertidor CC/CC
El Bloque 3 lo constituye el convertidor CC/CC en topología CLLC. Consiste en un medio puente, un transformador de pulso con acople en CA y un rectificador activo (half–bridge) en el lado de la batería.
El convertidor CC/CC ajusta los niveles de tensión del enlace de CC del lado de la red y la batería, llevando la energía desde el lado primario al secundario (carga) o viceversa (generador / operación aislada o alimentación de red). El transformador de pulso también aísla galvánicamente el sistema eléctrico de la red pública. Junto con los condensadores de los circuitos resonantes en serie, el transformador de pulso tiene un impacto significativo en la eficiencia y la pérdida de potencia del convertidor, ya que toda la potencia transmitida fluye a través de ambos componentes. Por ende, un criterio de selección importante de los condensadores resonantes es su factor de pérdida tan δ. Cuanto menor sea el factor de potencia, menor también será la pérdida de potencia del condensador y mayor será la eficiencia. Además de la capacitancia requerida para la frecuencia de resonancia, estas condiciones generalmente conducen a una buena elección de los condensadores de película (Tabla 5).
Al igual que sucede con el condensador resonante, el transformador de pulso también es un componente fundamental. Para lograr una eficiencia alta, también debe generar el mínimo calor posible, a saber, ofrecer una pérdida de potencia baja. Esta pérdida de potencia se compone de las pérdidas de núcleo y core. Mientras que las pérdidas de corriente de Foucault y de re-magnetización afectan a las pérdidas de núcleo, las pérdidas de cobre quedan determinadas por la resistencia óhmica de la bobina, de acuerdo a P = I²R. Debido al efecto skin, la resistencia depende de la frecuencia y crece al aumentar la frecuencia.
El material del núcleo del transformador de pulso debe caracterizarse por elevada intensidad de campo de saturación y baja remanencia con alta permeabilidad. Cuanto mayor es la permeabilidad del material del núcleo, menor número de devanados requiere una bobina para lograr una determinada inductancia. Los alambres más cortos, que tienen una menor resistencia, resultan suficientes para una bobina con menos devanados. Una intensidad de campo de saturación alta permite que el material del núcleo se diseñe de una manera controlada. En consecuencia, resulta posible transferir una gran parte de la energía por período. La elevada resistencia eléctrica del núcleo contrarresta las pérdidas de corriente Foucault. Su diseño también garantiza las inductancias de fuga definidas en el lado primario y secundario. Junto al condensador resonante, la inductancia de fuga conforma el circuito resonante. Como alternativa, también se puede emplear un núcleo de baja fuga. Sin embargo, en este caso, es necesario contar con inductancias resonantes separadas.
Un devanado lo más denso posible, una sección transversal del conductor rectangular o una banda dan como resultado una longitud de conductor corta y un alto grado de relleno del formador de bobina.
Un transformador de pulso con un diseño compacto es beneficioso para el ensamblaje automático de la tarjeta de circuito impreso. Rutronik ayuda a sus clientes a encontrar el transformador de pulso que mejor se adapta a los requisitos de diseño individuales. A veces, es necesario realizar un diseño a medida. Fabricantes, como TDK, Vishay y Pulse, se encuentran disponibles como socios para el desarrollo de este tipo de transformadores de pulso.
Bloque 4: electrónica de control
El Bloque 4 muestra la electrónica de control. Basado en valores medidos, un microcontrolador genera las señales de control para los semiconductores de alimentación en el inversor, el convertidor CC/CC y el rectificador activo. Dependiendo de los requisitos de seguridad funcional, las versiones de la serie Traveo T2G (hasta ASIL B) o la serie Aurix A2G series (hasta ASIL D) de Infineon son idóneas (Tabla 6).
En el camino desde el lado de alta tensión hacia el lado de control con baja tensión “no peligrosa”, las señales tienen que estar aisladas galvánicamente. Los componentes para el aislamiento galvánico de las señales son, por ejemplo, optoacopladores de Vishay o Toshiba. El modelo VOA300 de Vishay es un optoacoplador para la transmisión de señales analógicas y posee una versión para el sector de automoción, conocida como IL300. Incluye un led de transmisión y par de leds de recepción emparejados. Si uno de los leds de recepción se incorpora en un circuito de feedback negativo en el lado de control, se consigue una buena linealidad de la característica de transferencia de corriente entre el led de transmisión y el segundo led de recepción (Tabla 7).
Tabla 5
Tabla 6
Tabla 7
Tabla 8
Conectores HV
Aquí hay que mencionar los conectores HV de Amphenol (Tabla 8), ya que aseguran la compatibilidad con el Vehicle Interface Box de Webasto que, a su vez, es utilizado por numerosos OEM y especialistas en tecnología de conversión.
Tarjetas de evaluación
Como ocurre con el diseño de un interruptor HV bidireccional para 800 V/50 A, Rutronik Automotive está colaborando con sus socios en un diseño de referencia para un OBC. El diseño del interruptor HV combina las funciones de un fusible convencional con aquellas de un interruptor. Los MOSFET SiC de 1.200 V con los últimos avances tecnológicos reducen todavía más las pérdidas de conductividad y potencia y, por lo tanto, hacen que la refrigeración pasiva sea suficiente. Hasta que llegue el nuevo diseño de referencia de Rutronik para el OBC, el REF-DAB11KIZSICSYS de Infineon ilustra la implementación de un convertidor CC/CC de 11 kW bidireccional en una topología CLLC con MOSFET CoolSiC de 1.200 y 1.700 V.
Resumen
El desarrollo a largo plazo del OBC es algo bastante interesante: ¿migrará al cable de carga como una especie de fuente de alimentación enchufable, gracias a componentes modernos con alta densidad de potencia? o ¿será sólo una opción de equipamiento en el futuro?, ya que, debido al desarrollo y la expansión de la infraestructura de carga, durante el viaje es básicamente un lastre poco útil. Compite con las estaciones de carga de CC que lo evitan y con la tecnología de cambio de batería. Pero mientras sea necesario, debe ser lo más eficiente posible.
