Hongfa allana el camino a la suspensión activa en los automóviles

Los módulos de potencia de alta densidad y las redes de alimentación de 48V superan un antiguo reto de diseño

La electrificación de los vehículos sigue acaparando los titulares sobre la tecnología para automoción, pero los sistemas de suspensión activa están transformando la experiencia de conducción a millones de propietarios de coches. La tecnología de suspensión activa, que se suma a los frenos antibloqueo, las alertas por salidas de carril y las cámaras de soporte, se encuentra disponible de momento en los vehículos de lujo pero está a punto de entrar rápidamente en el mercado de automóviles de gama media.

Xiamen Hongfa Electroacoustic Co., Ltd. (Hongfa), uno de los mayores fabricantes mundiales de relés de potencia, lleva casi tres décadas introduciendo avances en el mercado de automoción. Hongfa, que cuenta con más de 30 filiales en todo el mundo, está especializada en la gestión y la distribución de la alimentación en el automóvil. Los relés de Hongfa son fundamentales para diseñar vehículos eléctricos (VE) y permiten desarrollos revolucionarios basados en redes de 48V que sustituyen a los sistemas de 12V para mejorar la eficiencia y reducir el tamaño y el peso del vehículo.

Los coches eléctricos representan más de mitad de las ventas en China, y Hongfa está implementando sus conocimientos sobre diseño de hardware eléctrico, software y diseño estructural para impulsar la próxima generación de VE de todo tipo. Entre otras innovaciones, Hongfa ha diseñado el sistema de alimentación de suspensión activa con el mayor rendimiento y el menor tamaño del mercado. Este sistema hará que una función limitada durante mucho tiempo al segmento de lujo se generalice en las flotas de vehículos de gama media.

Simplificación de un sistema de alimentación sofisticado y muy complejo

Los sistemas de suspensión activa utilizan una red de sensores, actuadores electromecánicos y software avanzado para ajustar la suspensión del vehículo tiempo real, proporcionando así un mejor manejo y una marcha más suave y segura con menos ruido de rodadura, tanto si el vehículo circula sobre una carretera en mal estado, un camino sin asfaltar o una calle bacheada.

Figura 1. Hongfa ha diseñado el sistema de suspensión activa más pequeño y ligero del mercado mediante la combinación de una arquitectura de 48V y módulos de potencia de alta densidad. Se usan cuatro convertidores de bus CC/CC de 800V-48V BCM6135 de relación fija de Vicor para convertir la alta tensión a 48V y alimentar cada rueda. El BCM6135 es bidireccional y ofrece una respuesta más rápida frente a transitorios que cualquier otro convertidor CC/CC del mercado. Esta velocidad de conmutación simétrica permite una regeneración óptima de la energía cuando se conecta directamente al convertidor CC/CC.

Entre los primeros esfuerzos de la industria en la década de 1970 había una complicada solución electromagnética que exigía el máximo rendimiento a los sistemas de alimentación mediante baterías de 12V y requería cuatro motores electromagnéticos de unos 100kg.

Las baterías de alta tensión y una red de alimentación de 48V revolucionan la concepción de la suspensión activa por parte de Hongfa

Pese a tratarse de cargas que se han venido caracterizando por su alto consumo y peso, los sistemas de suspensión activa pueden aprovechar en la actualidad las baterías primarias de mayor tensión (400V o 800V) y adoptar redes de alimentación de 48V en el sector. Esta combinación ya se está empleando de manera efectiva en los vehículos híbridos enchufables y los VE.

Estos son los principales desafíos técnicos para la suspensión activa en la actualidad:

1. Pequeño tamaño del sistema. Los sistemas actuales de suspensión activa necesitan unos
   10 – 15kW de potencia que suele exigir un convertidor CC/CC muy grande y pesado.
2. Altas velocidades del convertidor CC/CC regenerativo. La suspensión activa exige una capacidad de conmutación de potencia muy dinámica. Es imprescindible que la dirección de la corriente cambie rápidamente para alcanzar el máximo rendimiento en cada dirección.
3. Rápidos tiempos de respuesta frente a transitorios. La suspensión activa precisa un convertidor CC/CC con una baja pendiente de salida. De lo contrario se debe añadir una batería o supercondensadores para compensar el rendimiento inadecuado frente a transitorios.

La solución de Hongfa para resolver estos retos consistió en aprovechar al máximo las ventajas de una red de alimentación de 48V. Se ha demostrado que la tensión de 12VCC es inadecuada para alimentar los motores de la suspensión activa sin añadir tamaño, peso y coste. Además, algunos convertidores CC/CC convencionales pueden proporcionar alimentación sin necesidad de una batería intermedia, pero son voluminosos y no ofrecen el tiempo más rápido de respuesta frente a transitorios, que es necesario para cubrir las necesidades regenerativas con el fin de recuperar y almacenar potencia.

En cambio, los módulos convertidores de bus CC/CC de 800V-48V de relación fija de Vicor son inherentemente bidireccionales y se caracterizan por su rápida respuesta dinámica para inversión de potencia y frente a transitorios. También ofrecen los mayores niveles de densidad de potencia y eficiencia en el mercado y están especialmente diseñados para una arquitectura de alimentación centralizada de 48V. Su avanzado encapsulado plano simplifica el diseño de los sistemas de gestión térmica, reduciendo así aún más el espacio que ocupa y su peso. Los convertidores de bus de relación fija de Vicor son únicos entre los convertidores CC/CC porque ofrecen un rendimiento simétrico y son capaces de aumentar o reducir la tensión con el mismo nivel de potencia.

Hongfa ha aprovechado al máximo estás ventajas para diseñar y desarrollar un sistema compacto que incluye comunicación CAN, protección de alta tensión y filtrado de EMI. Su innovador montaje mecánico optimiza la disipación térmica en muy poco espacio.

Figura 2. La velocidad de respuesta del convertidor CC/CC BCM6135 de Vicor frente a transitorios es de 8 millones de amperios por segundo, por lo que ofrece una pendiente de salida incomparable que es fundamental para optimizar la recuperación y el almacenamiento de energía en el sistema de suspensión activa de Hongfa.

La conexión directa entre la suspensión activa y la batería principal con un convertidor de potencia bidireccional permite optimizar la recuperación de energía. De modo similar al funcionamiento de un muelle cuando absorbe y libera energía, la suspensión activa utiliza amortiguadores regenerativos para recoger energía cinética que es devuelta a la batería. Si bien esto se puede llevar a cabo con un convertidor CC/CC convencional, unos pocos fabricantes pueden diseñar un sistema con el rendimiento necesario para responder a transitorios, una elevada pendiente de salida (unos 8 millones de amperios por segundo) y un consumo eficiente para gestionar el flujo bidireccional entre el convertidor ya la fuente de la batería.

En la aplicación de suspensión activa regenerativa, la batería de 800V suministra corriente cuando el vehículo circula sobre superficies muy lisas y el motor de actuación de la suspensión es la carga de 48V. Cuando el vehículo se mueve sobre una calzada bacheada, los motores lineales del sistema de suspensión pasan momentáneamente a ser generadores (compresión) e incrementan la tensión en el lado de bajo potencial del convertidor, que se multiplica por la relación de conversión del convertidor (en este caso 16/1) e incrementa la tensión a la entrada por encima de la tensión de la batería de 800V. Esta diferencia de tensión invierte la dirección del flujo de corriente sin que intervenga el controlador de lazo interno. La batería de 800V pasa a ser momentáneamente la carga (rebote) y recupera energía cargándose a través de su sistema de gestión de la batería.

Cuando finaliza el desplazamiento sobre la calzada bacheada, el convertidor de bus volverá a reducir la tensión a partir de los 800V de la batería y suministrará corriente a los motores lineales de la suspensión, todo ello sin que intervengan los procesadores instalados a bordo del vehículo.

Hongfa presenta el sistema de suspensión activa más pequeño utilizando módulos de potencia y 48V

Para Hongfa, el diseño de la suspensión activa se define por la necesidad de equilibrar tamaño, peso y disipación térmica frente a la exigencia de elevar la eficiencia, mejorar la respuesta frente a EMI y aumentar el rendimiento térmico. Los requisitos de este sistema llevaron a Hongfa y Vicor a desarrollar conjuntamente un convertidor CC/CC de 800V-48V para construir el sistema de suspensión activa definitivo.

La solución de Hongfa aprovecha la alta densidad de Vicor para crear fuentes de alimentación compactas (197 x 201 x 71mm) de 5kW para cada actuador. El sistema puede procesar hasta 6kW de potencia en cada dirección. El diseño del convertidor se ve enormemente simplificado mediante un par de módulos BCM6135 de Vicor que funcionan en paralelo en lugar de varios cientos de componentes discretos.

Figura 3. El sistema de suspensión activa de Hongfa (Power System Specs HF3661 800V-48V DC/DC System) está refrigerado por líquido y es el más pequeño del mercado: pesa 2,6kg y mide 197 x 201 x 71mm.

El convertidor está optimizado para funcionar con sistemas de baterías de 800V y tiene un rango de funcionamiento de 520V a 920V. Con refrigeración líquida es capaz de suministrar hasta 100A de corriente con una eficiencia del 97,3%. El volumen del sistema es inferior a 1,8l y pesa 2,6 kg, una importante reducción del peso.

“Por lo que se refiere a la suspensión activa, nuestros clientes precisan un convertidor CC/CC cuyo tiempo de respuesta sea del orden de milisegundos”, declaró Peter Li, Director de Investigación y Desarrollo de Hongfa. “De lo contrario hay que añadir otra batería. Los módulos de potencia BCM6135 de Vicor aportan el rendimiento competitivo que necesitamos”.

Hongfa y Vicor han colaborado para desarrollar el sistema de suspensión activa más pequeño en la actualidad: casi la mitad que su competidor más cercano y con la respuesta más rápida para conversión de potencia en el mercado.

Figura 4. El BCM6135 es inherentemente bidireccional y su rápida velocidad de respuesta frente a transitorios de corriente es de 8 millones de amperios/segundo, perfecta para el rango de potencia de la suspensión activa y la regeneración de energía. El BCM6135 es un convertidor de bus con una eficiencia del 97.3% y una potencia máxima de 3,5kW que convierte los 800V de la batería de tracción a 48V.

En el extremo inferior de su rango de tensión de funcionamiento, la potencia máxima garantizada del modelo BCM6135 es de 3,1kW durante 20ms con un ciclo de trabajo del 25 por ciento. Como Hongfa puede atestiguar, el desarrollo de un sistema de alimentación para suspensión activa es complejo ya que el estado de la calzada y los métodos de refrigeración, junto con las limitaciones de tamaño, peso y coste pueden variar enormemente.

“Los módulos de potencia de Vicor no solo proporcionan el rendimiento que necesitamos sino que además acortan significativamente nuestro tiempo de desarrollo y nos facilitano mucho el diseño de un sistema de este tipo”, declaró Li, de Hongfa.

La combinación de 48V y módulos de potencia de alta densidad permite alcanzar nuevos niveles de innovación en la electrificación del automóvil al disminuir el espacio y el peso, y ofreciendo un rendimiento superior. Hongfa y Vicor están aprovechando sus conocimientos especializados sobre automoción para presentar el sistema de suspensión activa más pequeño y de mayor rendimiento en el mercado. Como líder en sistema de alimentación para automoción, Hongfa ayudará a desarrollar el mercado con su tecnología avanzada y seguirá contribuyendo a la evolución de los vehículos eléctricos de altas prestaciones.