La tecnología del vehículo eléctrico (e-mobility) es uno de los retos más importantes a los que se enfrentan las empresas tecnológicas y los consumidores en los últimos años. Garantizar que las nuevas tecnologías ecológicas sean lo más eficientes y efectivas posible en términos de precio y rendimiento, mientras existe una creciente necesidad de encontrar sistemas ecológicos que puedan revolucionar la forma en que nos movemos.
Los OEM automotrices deben cumplir requisitos de CO cada vez más estrictos2 estándares de emisiones mientras mejoran el rendimiento del vehículo para seguir siendo competitivos. Este importante desafío se aborda mediante la electrificación de vehículos eléctricos puros (EV), vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos con motor de combustión interna (ICE). La adición de baterías de alto voltaje como 48 V, 400 V y 800 V para cumplir con los crecientes requisitos de energía aumentó la complejidad de las arquitecturas de suministro de energía y creó nuevas demandas en términos de tamaño y eficiencia.
Los sistemas de vehículos eléctricos híbridos suaves (MHEV) son la puerta de entrada a la electrificación. También conocida como propulsión híbrida ligera, contribuye al crecimiento exponencial de los modelos híbridos. Los sistemas MHEV pueden recuperar la energía del vehículo al frenar y suministrar energía cuando el vehículo vuelve a arrancar, reduciendo así el consumo de gas y CO.2 emisiones
Un segundo enfoque de electrificación para los modelos HEV implica que el motor eléctrico funcione junto con el ICE. Esto permite que el vehículo conduzca varios kilómetros en modo 100% eléctrico. Otra alternativa popular son los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV). El automóvil puede cargar su batería desde la red, extendiendo su rango de cero emisiones a unos 50 kilómetros. En este caso, con decenas de modelos PHEV en el mercado, la electrificación es claramente más cara que los MHEV y la tecnología híbrida, con mayores costes de compra.
Un vehículo eléctrico de batería (BEV) no tiene ICE y, en cambio, es impulsado por una combinación de un inversor y un motor eléctrico. El BEV se puede cargar a través de la red y también se puede cargar durante la recuperación al frenar. Algunos vehículos eléctricos también son vehículos eléctricos de largo alcance (EREV), donde el pequeño motor de combustión interna se usa solo como generador para cargar la batería cuando el nivel es bajo. La última categoría son los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) propulsados por pilas de combustible de hidrógeno.
Figura 1: Pronóstico global por tipo de tren motriz (Fuente: Vicor/HIS)
La solución podría residir no solo en nuevas tecnologías de almacenamiento de energía, como baterías de estado sólido y celdas de combustible de hidrógeno, sino también en aumentar la eficiencia de los vehículos mediante la reducción de peso y nuevas arquitecturas eléctricas.
Los desafíos de la electrificación de hoy
“Los desafíos actuales con la electrificación son: mantener bajos los costos; encuentros agresivos de CO2 objetivos de emisiones, gestión de cambios en los requisitos de energía; Alimenta cargas convencionales de 12 V. Proporciona vehículos más ligeros y de mayor rendimiento. Aumente los niveles de potencia y reduzca el tiempo de carga, dijo Patrick Wadden, vicepresidente global de Desarrollo de Negocios Automotrices, Vicor Corporation.
Los fabricantes de automóviles, camiones, autobuses y motocicletas están electrificando rápidamente sus vehículos para mejorar la eficiencia de combustible de los motores de combustión interna y reducir las emisiones de CO.2 emisiones Hay muchas opciones para la electrificación, pero la mayoría de los fabricantes optan por sistemas híbridos suaves de 48 V en lugar de sistemas de propulsión totalmente híbridos. El sistema híbrido suave agrega una batería de 48 V a la batería convencional de 12 V.
“Los vehículos tienen baterías de 800 V o 400 V”, dice Wadden. “Vicor toma energía de 800 V o 400 V de la batería y convierte esa energía a 48 V para alimentar cargas como turbos eléctricos, parabrisas delanteros, bombas de enfriamiento, etc. Los sistemas alimentados por batería de 800 V o 400 V tienen la opción de eliminar la batería de 48 V por completo y crear una batería virtual de 48 V. Esta eliminación de la batería de 48 V permitirá a los OEM lograr densidades de energía más altas, reduciendo el peso y el tamaño y ampliando la autonomía del vehículo. Estas soluciones son escalables para que puedan cumplir con el nivel de entrada de vehículos de lujo.”
Figura 2: Conversión — Habilitar batería virtual de 48 V (Fuente: Vicor)
Figura 3: Transición de una máquina sobrecargada de 12 V a 48 V (Fuente: Vicor)
Distribución eficiente de energía con tecnología de 48 V
La tecnología de 48 V proporciona un aumento de 4x (P = V x I) en la capacidad de potencia para cargas más pesadas, como acondicionadores de aire de arranque y convertidores catalíticos. Para mejorar el rendimiento del vehículo, el sistema de 48 V alimenta el motor híbrido para una aceleración más rápida y suave mientras ahorra combustible.
“A lo largo de los años, hemos superado nuestra renuencia a cambiar nuestra red de distribución de energía de 12 V de costo optimizado. [PDN] Ese podría ser el mayor desafío”, dijo Wadden. “Para la industria automotriz, los sistemas híbridos suaves de 48 V ofrecen una forma de introducir rápidamente nuevos vehículos con bajas emisiones, largo alcance, alto consumo de combustible y un enfoque práctico. También ofrece nuevas y emocionantes opciones de diseño para un alto rendimiento y funcionalidad.2 emisiones
La mayoría de los convertidores CC/CC centralizados en uso utilizan la antigua topología de conmutación de baja frecuencia PWM, lo que los hace voluminosos y pesados. Una arquitectura más moderna a considerar es la fuente de alimentación distribuida (Figura 4) utilizando el módulo de potencia.
“Los beneficios de usar un modelo distribuido pueden aprovecharse aún más a nivel de sistema, con cables más livianos alrededor del vehículo”, dijo Wadden. “Ubicar el convertidor cerca de la carga tiene algunas ventajas en términos de minimizar la impedancia y la resistencia. Permite la opción de implementar seguridad funcional con más opciones y flexibilidad”.
Esta arquitectura de suministro de energía utiliza un pequeño convertidor de 48 V a 12 V de baja potencia. Las arquitecturas de energía distribuida ofrecen beneficios significativos en la gestión térmica de los sistemas de energía.
“Veamos un diagrama esquemático de sistemas centralizados y distribuidos”, dice Wadden. “A la izquierda hay una caja plateada tradicional de 3 kW que tradicionalmente alimenta una carga de 12 V dentro del automóvil desde una entrada de 400 V a una salida de 12 V. Aquí hay un ejemplo de cómo se usa: el convertidor se coloca en el punto de carga. El modelo distribuido elimina la necesidad de una gran caja plateada y distribuye la distribución de energía en todo el vehículo según sea necesario. Esto también permite implementaciones de ASIL FUSA con fuentes de alimentación redundantes. Las viejas cajas plateadas heredadas no son una opción”.
Los nuevos PDN de 48 V deben soportar cargas heredadas de 12 V, aumentando los requisitos de energía y nuevos sistemas de conducción, dirección y frenado de alta potencia con cables. A medida que aumentan las cargas, la entrega de más energía de 48 V requiere módulos de mayor densidad en comparación con las soluciones discretas voluminosas más grandes. Vicor ofrece varios módulos para alimentación desde 48V. Estos dispositivos incluyen soluciones de conversión regulada y de relación fija que admiten cargas de 48 V y 12 V en modo reductor o elevador. Estos convertidores pueden alojarse en una sola carcasa o distribuirse por todo el vehículo mediante un PDN de 48 V compacto y ligero.
Figura 4: Arquitectura: centralizada frente a distribuida (Fuente: Vicor)
Figura 5: Manejo de la pérdida de energía usando un convertidor convencional con una eficiencia del 94 % (Fuente: Vicor)
Figura 6: Solución Vicor (Fuente: Vicor)
Vicor NBM se usa en arquitecturas distribuidas cuando los OEM necesitan colocar etapas de conversión de voltaje alrededor del vehículo más cercano a la carga para bajar de 48 V a 12 V o subir de 12 V a 48 V.
Con las estaciones de carga de 400 V y 800 V, necesita la solución de conversión más simple pero eficiente posible para que su vehículo sea compatible con cualquier estación de carga. El NBM6123 proporciona 6,4 kW de conversión de 400 V y 800 V de relación fija en un paquete CM-ChiP de 61 × 23 mm, lo que permite una solución escalable, de alta eficiencia y alta densidad para conectar estaciones de carga en la carretera a varios vehículos. Las capacidades bidireccionales de las soluciones de Vicor permiten que se utilice el mismo módulo para la conversión ascendente o descendente. El NBM6123 también se puede usar para alimentar el aire acondicionado del vehículo mientras se carga, lo que minimiza el circuito de equilibrio de la batería.
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