La función más importante de la batería de 12V ha sido proporcionar una reserva de energía eléctrica para cargas elevadas.
Pat Kowalyk, Ingeniero de Aplicaciones de Campo
Quien mire bajo el capó de un vehículo eléctrico se sorprenderá al encontrar una batería convencional de ácido-plomo de 12V u otra batería de 48V. Puede que se pregunte por qué un vehículo eléctrico (VE) necesita una batería convencional si hay una batería de 400V o 800V ya instalada para alimentar los motores. En la actualidad las baterías de 12V o 48V alimentan los restantes sistemas del vehículo pero añaden costes y peso, además de ocupar un espacio valioso. ¿Por qué eliminar la batería de 12V y utilizar la batería de 400 – 800V para alimentar todo el coche?
La respuesta sencilla es que muchos sistemas del automóvil, en especial los sistemas de seguridad, deben responder con rapidez a cambios repentinos de la energía demandada, e históricamente las baterías ofrecen unos tiempos de respuesta mucho mejores que los convertidores de potencia CC/CC. Hasta hace poco, los ingenieros de sistemas de potencia no tenían más opciones para convertir de manera segura y fiable de 800V o 400V a 48V o incluso 12V con una respuesta rápida a transitorios sin añadir un volumen o un peso no deseados.
Además, la potencia de los nuevos VE es hasta 20 veces mayor (desde 3kW hasta más de 50kW) que en los motores de combustión. Esto aumenta la exigencia sobre la red de alimentación cuando utiliza topologías de conversión CC/CC de conmutación dura, dando como resultado un considerable incremento de la electrónica de potencia convencional, que consume más espacio, incrementa el peso y limita la autonomía. Ante las necesidades de potencia de los VE, ha llegado el momento de replantear la mejor manera de suministrar la potencia requerida en lugar de intentar rediseñar la arquitectura del motor de combustión interna. Si recurren a convertidores de potencia CC/CC tradicionales, los VE no pueden multiplicar su potencia unas 20 veces sin perder rendimiento y funcionalidad, lo cual disminuye su atractivo. Este replanteamiento no es un simple ejercicio de remodelación.
Se trata, por el contrario, de un proyecto de derribo y reconstrucción que se ha explorar a través de una lente de innovaciòn en lugar de convencional. El avance logrado por medio de la electrificación ha venido impulsado añadiendo baterías cada vez más potentes a los coches. Estas baterías son pesadas y grandes. Los modelos más recientes incorporan baterías de 800V, pero el mismo vehículo también transporta una batería de 12V y quizás una de 48V. Dado que el espacio y el peso son muy valiosos, tres baterías son ineficientes e innecesarias.
Las soluciones convencionales añaden baterías, mientras que un planteamiento totalmente nuevo e innovador elimina una batería, deja espacio libro y reduce peso, todo ello incrementando al mismo tiempo la muy necesaria respuesta a transitorios de potencia.
¿El fin del camino para las baterías de 12V?
La conversión de potencia de alto rendimiento es primordial para retirar una batería. En concreto, la respuesta más rápida de un convertidor frente a transitorios es la variable más importante. Si un convertidor de potencia de alto rendimiento puede lograr una respuesta tan rápida o mejor que una batería de 12V (250A/ms) será factible retirar la batería de 12V con su peso y espacio correspondientes.
La función más importante de la batería de 12V ha consistido en proporcionar una reserva de energía eléctrica para las cargas más elevadas. La carga típica en un vehículo consume corriente de dos formas: una para el arranque y otra para su funcionamiento en estado estacionario. Cuando se alimenta al principio una determinada carga, o bien se aplica la alimentación directamente o ya está presente y solo se necesita una señal de activación.
Las cargas que se alimentan directamente consumirán mucha corriente, bien sea para cargar un condensador o un inducido. A continuación, una vez alimentada la carga (arranque), la corriente desciende y la carga funciona de manera continua (estado estacionario). Este consumo de corriente inicial es el que hace que la batería sea una buena opción para un vehículo con un motor de combustión interna, pero no para un VE cuyo peso afecta enormemente a la autonomía y al rendimiento. Por tanto tiene sentido eliminar la pesada batería de 12V de ácido-plomo o litio y sustituirla por un convertidor CC/CC más ligero, pequeño y de alto rendimiento con una respuesta muy rápida frente a transitorios.
Batería de 12V frente a módulos de potencia de alto rendimiento
Sustituir la batería de 12V en un vehículo por un convertidor tradicional puede provocar una caída de la tensión de la carga lo bastante grande como para desconectar la carga, provocando así la parada del vehículo. Un parámetro clave a observar es la desviación de la tensión de la carga durante un cambio en la corriente respecto al tiempo. Esto se conoce como respuesta a transitorios; cuanto menor es la desviación de la tensión, mayor es el rendimiento del sistema.
Al diseñar un nuevo vehículo eléctrico hay que tener en cuenta un gran número de soluciones nuevas de alta tecnología. Una solución de alimentación modular junto con topologías propietarias, como SAC™ (Sine Amplitude Converter) de Vicor, permite superar con creces la pendiente de salida, es decir, la respuesta a transitorios, de una batería de ácido-plomo de 12V. La solución modular basada en SAC puede manejar miles de amperios entre la batería de alta tensión y la carga, eliminando cualquier caída de tensión o que las cargas dejen de estar reguladas. Los ensayos demuestran que la alimentación modular puede proporcionar un tiempo de respuesta tres veces más rápido que una batería típica de 12V (Figura 1).
Figura 1: Comparación entre pruebas de respuesta a transitorios: 48V-12V a 75A frente a una batería de 12V. La respuesta del módulo de potencia NBM2317 de Vicor frente a una carga de 50A es tres veces más rápida que una batería convencional de 12V.
Los fabricantes de automóviles suelen necesitar 250A/ms para sus cargas más rápidas, algo que pueden lograr las baterías de 12V (75A/30μs). La solución modular de Vicor puede proporcionar una respuesta más rápida a transitorios (75A/10μs), creando una “batería virtual” que responde tres veces más rápido.
Sustitución de la batería de 12V por un convertidor de potencia más rápido, ligero y pequeño de alto rendimiento
La alimentación modular y la topología SAC forman parte de esta solución óptima para la alimentación del automóvil. SAC tiene una relación de vueltas, denominada factor K, que es la relación entre las vueltas del primario y el secundario. Una ventaja clave de esta topología es que cualquier capacidad en el primario se multiplica por el factor K al cuadrado. Para una conversión de 12V a 48V, el factor K es ¼, lo cual significa que la capacidad secundaria efectiva es cuatro al cuadrado, es decir, 16 veces la capacidad del primario.
El NBM de Vicor es un convertidor ideal para transferir energía a la carga a partir de una fuente mecánica, que está conectada en todo momento, a una fuente eléctrica de energía que se conecta y desconecta, mejorando así el control y la eficiencia. El NBM, junto con SAC, permite que un ingeniero pueda crear una batería virtual que recrea las principales propiedades de una batería física y añade todas las ventajas de una batería sin las limitaciones de peso, tamaño o temperatura de una batería (Figura 2).
Figura 2: Los módulos de potencia de Vicor, junto con el filtrado de EMI, un mínimo número de componentes y una carcasa, podrían sustituir una batería de ácido-plomo o iones de litio de 12V, eliminando así entre 7 y 18 kg de peso.
Una solución modular permite al diseñador dividir la fuente de alimentación en diferentes zonas. En lugar de una sola arquitectura centralizada, el diseñador puede colocar un NBM en el tablero de instrumentos, en el maletero y/o cerca de las cuatro ruedas. Al acercar la fuente a la carga se reducen las inductancias parásitas y las resistencias en serie en un sistema de alimentación de alto rendimiento. Se puede aplicar el mismo principio a la conversión de alta tensión a 48V, que ofrecería un rendimiento parecido creando una batería virtual de 48V (Figura 3).
Figura 3: Una arquitectura descentralizada ofrece una mayor flexibilidad de diseño y puede reducir el peso del cableado en el vehículo, lo cual deja más espacio libre y aumenta la autonomía.
Tiene sentido utilizar la batería del motor de tracción, que es la mayor fuente de energía en el vehículo, para convertirla y reducirla a diferentes tensiones seguras. La batería del motor de tracción en un vehículo eléctrico suele ser de 400V o 800V y será sustituida rápidamente por 1200VCC o 1400VCC.
Una solución modular elimina cualquier inductancia interna en serie a la entrada o la salida y puede manejar fácilmente 700.000 A por segundo o 700 A por milisegundo. Se puede conectar en paralelo de manera sencilla en forma de matriz para crear un sistema de procesamiento de alta potencia y tiene aislamiento respecto a cualquier tensión del bus primario, que es de 60V o superior.
En teoría, el NBM solo se ve limitado desde un punto de vista térmico por su capacidad de potencia y, si se refrigera de forma correcta, puede manejar una potencia muy elevada. Ofrece la ventaja añadida del funcionamiento bidireccional y puede arrancar en cualquier dirección.
Revolucione su electrificación con la alimentación modular
En esta nueva era de electrificación, los fabricantes de equipo original (OEM) saldrán beneficiados si se replantean por completo el modo de electrificar los coches. Al diseñar la red de alimentación desde cero y evaluar todas las necesidades eléctricas de los vehículos se puede disfrutar de muchas más ventajas y alcanzar un rendimiento muy superior. En resumen, adoptando la alimentación modular se puede eliminar la batería de 12V y mejorar la repuesta a transitorios, disminuir el peso y liberar espacio, todo lo cual contribuye a prolongar la autonomía y mejorar el rendimiento en general.
