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La forma más inteligente de probar el Onboard Charger para VEH/VE

Una solución de evaluación de conversión de potencia compacta, regenerativa y de 2 cuadrantes con elementos de seguridad integrada que acelera el tiempo de prueba y protege a su personal y sus dispositivos de pruebas.

La inclusión de baterías en los vehículos sigue aumentando para lograr los objetivos fijados de emisiones y la mayor fiabilidad que los componentes eléctricos normalmente proporcionan. El cambio más relevante es la adición de baterías de alta tensión y alta potencia a una plataforma que tradicionalmente era de 12 voltios. Estas baterías de alta tensión y alta potencia en VEH/VE (vehículos eléctricos híbridos/vehículos eléctricos) de 300 V y más acumulan costes y riesgos de pruebas. Es necesario una nueva metodología en las pruebas para abordar los entornos de alta tensión y potencia en los VEH/VE.

La necesidad de conversión energética

La batería es el corazón de un vehículo eléctrico. Su tensión y potencia deben ser altos para proporcionar la energía de larga duración necesaria para mantener encendido el vehículo eléctrico durante más tiempo. Los conversores de potencia son necesarios para transformar la tensión de DC de la batería y convertirla en los respectivos voltajes y corrientes necesarios para dar energía a los distintos sistemas dentro del VEH/VE, tal y como se muestra en la Figura 1. No todos los sistemas en el vehículo trabajan con la misma tensión que la batería. Los faros, los sistemas de info-entretenimiento y la asistencia a la conducción funcionan a 12 V DC. Las cargas de gran consumo como la calefacción, dirección asistida eléctrica/ hidráulica (EPS/EHPS) y estabilización axial funcionan a 48 V CC. El cargador a bordo (Onboard Charger, OBC), que carga la batería de un VEH/VE desde la red eléctrica, es un sistema CA/CC. Convierte la energía CA de la red eléctrica a energía CC, tal y como requiere la batería. En el vehículo también hay componentes de CA, como por ejemplo el motor y el generador. La energía CC de la batería se convierte en CA para el motor. Del mismo modo, la energía CA generada por el freno regenerativo se convierte en energía CC, para ser almacenada en la batería.

Por qué es importante la alta eficiencia de la conversión de potencia

La eficiencia de la conversión de potencia evalúa lo bien que se implementa la conversión de una forma de energía a otra. La eficiencia se mide simplemente dividiendo la potencia de salida en watios por la potencia de entrada, y se expresa como un porcentaje. La eficiencia de los conversores energéticos es normalmente mayor del 90%. Cuanto más alta es la eficiencia del proceso de conversión de potencia, menos energía se pierde. Maximizar la eficiencia en la conversión de potencia es importante porque la energía perdida supone muchos costes. La alta eficiencia en la conversión de potencia se traduce en pagar menos por energía consumida, una recarga más rápida y menos frecuente, una mayor duración de la marcha del vehículo, una menor huella ecológica y un mayor respeto medioambiental. Los rápidos avances en los mercados de VEH/VE están conduciendo a la necesidad de técnicas de conversión energética más eficientes a medida que los vehículos eléctricos son cada vez más populares. Estos desarrollos contribuyen a la necesidad de medir y gestionar adecuadamente el consumo energético de su diseño. La medición precisa de la conversión energética es un elemento clave para reducir el consumo energético y mejorar la eficiencia en la conversión energética.

Retos en las pruebas de conversión energética

Los semiconductores avanzados de banda prohibida ancha tales como el carburo de silicio (SiC) o el nitruro de galio (GaN) permiten las operaciones de alta tensión y alta potencia en los VEH/VE. Como con toda nueva tecnología, hay una serie de nuevos retos que afrontar. Los ingenieros deben considerar las implicaciones de los diseños con alta tensión y alta potencia y realizar pruebas para minimizar costes, cumplir con las regulaciones de seguridad, evitar fallos en los circuitos, interferencias electromagnéticas (EMI), problemas térmicos, etcétera. El equipamiento adecuado para la realización de pruebas de alta tensión y alta potencia puede ser mucho más caro que el equipamiento de baja potencia. Los gastos de funcionamiento aumentarán puesto que la cantidad de electricidad consumida por una fuente de energía de 10 kW es diez veces mayor que la de 1 kW, alimentando a plena potencia. Toda esta energía crea una enorme cantidad de calor que debe ser disipada. El sistema de refrigeración ayuda a mitigar el calor pero tiene el precio de aumentar la huella ecológica. Para cumplir con las regulaciones de seguridad del alto voltaje debe tomarse en considera ción un sistema de desconexión de seguridad. Los planes de asistencia técnica y mantenimiento se complicarían aún más si estos sistemas se aplicaran a nivel mundial. Todo esto conlleva a un alto coste. Los conversores de potencia en los VEH/VE tienen un flujo energético bidireccional. Los sistemas y dispositivos de energía regenerativa y bidireccional en prueba requieren una solución de 2 cuadrantes para suministrar y drenar, como una batería. En un entorno de diseño y pruebas, una batería no es un instrumento de pruebas efectivo, ya no se puede configurar el voltaje u otras características para la prueba específica que se tenga que realizar. Algunas de las soluciones actuales utilizan equipos independientes para generar y drenar corriente con suministros de CC y cargas electrónicas, ya que existe una falta de instrumentos disponibles para afrontar adecuadamente estas necesidades de las pruebas. Este acercamiento común no solo es difícil de implementar, sino que además deben coordinarse el control y la adquisición de datos de los instrumentos. También existen discontinuidades en la transición entre el suministro y el drenaje, lo que causa una potencial “banda muerta” al conectar una fuente de CC y una carga electrónica para probar dispositivos bidireccionales. A veces es incluso necesario el uso de un diodo de bloqueo del suministro de energía para aislar e impedir que la corriente inversa fluya de vuelta hasta la fuente de CC cuando el dispositivo está suministrando energía activamente, con lo que disminuye el control y la precisión de las pruebas.

Nuevos retos de medida y nuevas soluciones

La nueva forma de realizar pruebas de los convertidores de potencia debería abordar los retos y limitaciones del acercamiento común de las pruebas. Un ejemplo de esto es la Solución en Pruebas de Conversores Energéticos de Keysight EV1003A, que es ideal para poner a prueba convertidores de potencia de VEH/VE como el OBC, tal y como se muestra en la Figura 2. El EV1003A consta de tres instrumentos: el Sistema de Alimentación Regenerativa de la Serie RP7900, que toma el sitio de la batería en la prueba; el Analizador de Energía IntegraVision de la Serie PA2200, que realiza la medición de la energía; y la Solución de Desconexión de Seguridad SD1000, que elimina posibles errores y asegura que la salida sea segura.

Un emulador de batería de alta tensión y alta potencia con una pequeña huella ecológica

El EV1003A solo necesita 3U de espacio de almacenamiento para 10 kW de suministro y carga, comparado con la unidad típica de 4U a 6 kW y 12 kW a 6U. La Figura 3 muestra la característica de salida autorregulable del RP7900. Esta característica elimina la necesidad de múltiples fuentes de alimentación porque expande la curva energética, ofreciendo al usuario más combinaciones de voltaje y corriente en una sola fuente de alimentación. Cuando se necesita más energía, es posible crear un sistema de hasta 150 kW a través de una sencilla conexión paralela. El núcleo de la solución EV1003A es el RP7900. Este proporciona las capacidades de emulación de batería para las pruebas de vehículos eléctricos, tales como el funcionamiento de 2 cuadrantes (suministro/ drenaje) y una resistencia de salida programable. Por ejemplo, el RP7900 puede usarse como fuente de alimentación para probar los sistemas del vehículo y como sistema de drenaje de la energía para probar el sistema de carga a bordo del vehículo y el freno regenerativo. Comparado con el acercamiento usual, la precisión y el rendimiento dinámico de la CC son optimizados en lugar de quedar comprometidos. El rendimiento de las mediciones mejora mucho al tener un solo sistema de medición para todas las corrientes.

Ahorro en costes y “verde” con regeneración limpia

Las capacidades regenerativas del RP7900 también permiten que la energía consumida vuelva al sistema. El coste y el uso de la electricidad se reducen, con una eficiencia de más del 85% al suministrar y drenar/regenerar. Se disipa menos calor, por lo que se requiere menos refrigeración al drenar. La interferencia con otros dispositivos electrónicos se minimiza con la energía limpia que vuelve al sistema. El rendimiento de la regeneración es típicamente inferior al 3% de la distorsión armónica total a plena carga.

Análisis energético preciso y rápido

El Analizador de energía IntegraVision hace que la medición de energía CA y CC de las pruebas en VEH/VE sea muy simple. Mide la energía de cualquiera de los conversores energéticos del vehículo, como por ejemplo la eficiencia de la conversión de energía CA-a-CC del cargador a bordo.

Seguridad del personal de pruebas y de los dispositivos bajo prueba

El sistema de desconexión de seguridad está diseñado para funcionar exclusivamente con la Serie RP7900. En respuesta a un fallo, la desconexión de seguridad cortará el voltaje de salida en menos de 15 ms. Los fallos pueden generarse por el RP7900 o el usuario a través del interruptor de emergencia. También cumple con las normas de seguridad y de EMC.

Conclusión

Keysight ha diseñado una solución dirigida específicamente a los problemas de seguridad, normativos y medioambientales a los que hace frente el mercado de VEH/VE. Esta solución es el único sistema de regeneración de energía disponible de venta al público (COTS) con características de alta seguridad integradas que protegen al personal de pruebas y a los dispositivos bajo prueba. Las capacidades regenerativas permiten que la energía consumida regrese al sistema de forma limpia, lo que ahorra gastos en el consumo energético y la refrigeración, a la vez que no interfiere con la red eléctrica. La solución de Keysight, con soporte a nivel mundial, le da la confianza que necesita para implementar soluciones en alto voltaje y potencia que cumplan con las demandas de alto crecimiento y rápido ritmo del mercado de los VEH/VE.

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