Cargar en el futuro

Por Joseph A. Thomsen, Vicepresidente de la Unidad de Negocio MCU16

Dado que muchos países pretenden prohibir la venta de vehículos nuevos con motores de gasolina y diésel a partir de 2030, el desarrollo de vehículos eléctricos (VE) está llamado a crecer enormemente. Esto está impulsando la necesidad de diseños de vehículos eléctricos más eficientes y rentables, con mayor autonomía y menor coste, para ayudar a los consumidores a hacer el cambio. Sin embargo, se subestima el impacto global de los vehículos eléctricos en el mundo. Se tiende a pensar que la transición es tan fácil como cambiar los depósitos y motores de gasolina por baterías y motores eléctricos, pero la realidad es mucho más compleja.

Tecnologías emergentes para el tren de potencia

Las nuevas tecnologías de MOSFET de potencia son una parte clave de este cambio al funcionamiento eléctrico para que los inversores de tracción de los vehículos eléctricos soporten una mayor eficiencia y tensiones más altas. Se habla mucho del uso de nuevas tecnologías de banda ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), para el tren de potencia de los vehículos eléctricos. Están surgiendo nuevos diseños de SiC para satisfacer las crecientes necesidades de alta potencia de los vehículos eléctricos. La tecnología de GaN está creciendo, pero aún necesita generar confianza para demostrar su fiabilidad y bajar los precios para poder penetrar en el mercado de los inversores para vehículos eléctricos. Tanto el SiC como el GaN son más caros que las soluciones tradicionales, pero ofrecen características convincentes como una mayor eficiencia debido a las menores pérdidas de conmutación, así como un menor tamaño y peso del sistema, debido a las mayores frecuencias de conmutación y a los menores sistemas de refrigeración. Los diseños con estas nuevas tecnologías pueden ser más complicados para garantizar un funcionamiento seguro y robusto. Es probable que se produzca una larga transición de los dispositivos de potencia de silicio a las tecnologías emergentes, y que la potencia de silicio se siga diseñando en las aplicaciones más sensibles a los costes.

Aumento de las tensiones en los cargadores de a bordo

En el futuro habrá una tremenda batalla tecnológica en los cargadores de a bordo (OBC), utilizados para recargar la batería de tracción de alto voltaje desde la red mientras el vehículo está aparcado. Hay un gran impulso de los sistemas de 400V a 800V, lo que favorece a la tecnología SiC, pero la mayor velocidad de conmutación del GaN hace que el cargador sea más eficiente. Al final, es probable que ambas tecnologías triunfen en distintas partes del mundo y que ambas coexistan.  Lo que sí es seguro es que los voltajes de carga de los vehículos eléctricos seguirán subiendo. La nueva tecnología desarrollada para las estaciones de carga de alta potencia se trasladará a los cargadores de a bordo para acelerar los tiempos de carga.

Aprovechar los diseños de los centros de datos

La industria de los centros de datos aporta una gran experiencia en el diseño de sistemas de alimentación. Los diseñadores pueden aprovechar las topologías desarrolladas para los centros de datos a hiperescala, añadir seguridad y protección funcional e idear un buen cargador o convertidor CC-CC de 48V a 400V u 800V para el tren de potencia. La mayor diferencia entre el diseño para un centro de datos y la alimentación de un vehículo eléctrico es que el enfoque del centro de datos que utiliza dispositivos dsPIC33 utiliza un bucle de control digital en lugar de filtros analógicos y un bucle de retroalimentación. Esto permite un diseño de la plataforma en el dominio digital, detectando la tensión y la corriente de salida, convirtiéndola en digital y ajustando el PWM para controlar todos los FET de potencia con bucles de retroalimentación de baja latencia. Esa experiencia de los centros de datos es la que ayuda a gestionar la complejidad de una mayor potencia en los vehículos eléctricos. Emparejar un controlador de señal digital con dispositivos GaN de conmutación de alta velocidad requiere un rendimiento de 250MHz, y nuestras hojas de ruta del controlador dsPIC33 están diseñadas para satisfacer esa necesidad en un futuro próximo.  Además, la oferta de dsPIC33 incluye controladores multinúcleo para separar los algoritmos de control compactos del resto del software necesario para las aplicaciones VE. Aspectos como los requisitos de la automoción, la seguridad funcional, las capas de abstracción, los controladores y Autosar conducen rápidamente a requisitos de memoria superiores a 1 MB, con una clara ventaja para los dispositivos multinúcleo que utilizan un núcleo para el bucle de control y otro núcleo para las funciones de automoción y mantenimiento. Estos requisitos conducen a chips controladores más complejos, con las herramientas de software asociadas y el nivel adecuado de soporte de seguridad ASIL, para apoyar a los diseñadores de sistemas de VE.

Infraestructura de carga

La implicación más amplia de la creciente popularidad de los vehículos eléctricos es mucho más que los propios coches. Toda la infraestructura de la red eléctrica tendrá que cambiar. Veremos cómo se desarrollan más energías sostenibles y microrredes locales en muchos lugares en los que no se puede simplemente duplicar la cantidad de electricidad de los proveedores, por lo que los consumidores generarán algo en casa a través de la energía solar u otros medios.

Con grandes cantidades de energía moviéndose para permitir la carga rápida, es posible que se introduzcan modelos de negocio en los que aún no hemos pensado. Tal vez, en lugar de que todos los hogares tengan capacidad de carga rápida, veamos el intercambio rápido de baterías, dejando más tiempo para cargar completamente la batería «de reserva».

O tal vez, a largo plazo, la carga estará más omnipresente y habrá menos necesidad de baterías. En Corea y Suecia ya existen bobinas inductivas en las carreteras para cargar un vehículo mientras circula. Esto reduce los requisitos de tamaño de la batería y los requisitos de energía y reduce la necesidad de cargadores.

Conclusión

Dado que los vehículos eléctricos se convertirán en la tendencia dominante del transporte durante la próxima década, los proveedores de tecnología están prestando mucha atención a las arquitecturas de los sistemas que utilizan los desarrolladores. Los dispositivos flexibles que ofrecen el rendimiento necesario para la próxima generación, serán fundamentales para permitir la innovación a medida que el mercado de los vehículos eléctricos se expande. Pero también hay que prestar mucha atención a la innovación en el diseño de la infraestructura, tanto en la recarga en carretera como en la integrada, para evitar las limitaciones de autonomía que los consumidores temen en la actualidad.