La industria de automoción está atravesando una transformación hacia los vehículos eléctricos e híbridos, impulsados por la necesidad de soluciones de transporte más limpias y sostenibles. Los fabricantes de automóviles están aumentando continuamente el número de cargas eléctricas en sus vehículos.

Funciones como asientos y volantes con calefacción, sistemas de infoentretenimiento de gama alta y suspensión activa están incrementando la demanda eléctrica que debe suministrar el sistema de alimentación del coche. Esto no solo ocurre en las marcas de lujo sino en todos los modelos.

La alimentación por medio de un alternador de 12V ha bastado durante décadas para cubrir la demanda eléctrica en un automóvil. En la actualidad, la tradicional arquitectura eléctrica de 12V en el automóvil, diseñada originalmente para los vehículos con motor de combustión interna, está demostrando ser insuficiente para cubrir la creciente demanda por parte de los modernos vehículos eléctricos e híbridos. La necesidad de aumentar la eficiencia del consumo, mejorar la recuperación de energía y la integración de sistemas de asistencia avanzada al conductor (advanced driver assistance systems, ADAS) y componentes electrificados son los principales aspectos que promueven el desarrollo de sistemas de alimentación que pueden proporcionar grandes cantidades de energía de manera eficiente con el fin de asumir el cambio de paradigma hacia plataformas eléctricas e híbridas.

Migración al sistema de alimentación de 48V

Los fabricantes de automóviles avanzan con firmeza hacia la transición a una red de alimentación de 48V. Al utilizar una red 48V se minimiza eficazmente la disipación de energía debida a la resistencia, lo cual permite transmitir de corrientes más altas y mejora la alimentación en general. Una arquitectura de 48V, que usa un cableado más fino, da como resultado un sistema de alimentación distribuida más ligero, económico y de instalación más sencilla en el vehículo.

La adopción de 48V proporciona las siguientes ventajas:

• Cubre la mayor demanda eléctrica del vehículo — Los vehículos eléctricos (VE) e híbridos (VH) necesitan más potencia para los sistemas de propulsión y auxiliares, superando así las capacidades de los sistemas convencionales de 12V.
• Recuperación de energía — El frenado regenerativo y otras tecnologías de recuperación de energía son más efectivas en un sistema de 48V ya que mejoran la eficiencia energética y aumentan la autonomía de VE y VH.
• Reducción de las emisiones de CO₂ — La transición a sistemas de 48V contribuye a aumentar el consumo eficiente de combustible y a reducir las emisiones de carbono en cumplimiento de los objetivos medioambientales globales.
• Mayor eficiencia — Un sistema con una tensión más alta disminuye los niveles de corriente, minimiza las pérdidas resistivas y mejora la eficiencia de la alimentación distribuida.

Valoración de una red de alimentación zonal de 48V

Un sistema con una arquitectura zonal de 48V es un cambio de paradigma para la industria que aprovecha la Ley de Ohm: la conversión CC/CC se realiza más cerca de los puntos de carga y no en el interior de una caja centralizada. De esta manera, la conversión de alta tensión a 48V permite distribuir 48V de forma segura por todo el vehículo. La conversión de 48V a 12V se efectúa en el punto de carga. Al transportar una corriente a 48V en lugar de 12V, los cables pueden ser más finos, ligeros y económicos (Figura 1). Este cable más pequeño y flexible también se instala con mayor facilidad en el vehículo. Este método también distribuye de manera uniforme las pérdidas por calor generadas por los convertidores CC/CC en todo el vehículo, permitiendo así el uso potencial de la conducción de calor montada en el chasis y la refrigeración por convección de aire.

Figura 1. Los automóviles actuales utilizan dos tipos de redes de alimentación. La arquitectura centralizada de 12V (izq.) y la arquitectura zonal de 48V (dcha.), que crece con rapidez. La primera depende de cables gruesos de 12V, mientras que la segunda puede recurrir a cables finos de 48V, que son mucho más ligeros, reducen las pérdidas por calor y su corriente es cuatro veces menor.

Implementación de una arquitectura de alimentación zonal de 48V

La implementación de la arquitectura zonal de 48V se puede realizar con varios métodos. Por ejemplo, en los sistemas híbridos ligeros se puede emplear una batería de 48V con la batería existente de 12V. En el caso de VE que utilicen una o varias baterías de 800V o 400V es posible usar módulos de potencia para transformar esta tensión a 48V y crear una batería simulada o “virtual” de 48V.

Tesla, al igual que otras importantes compañías, está adoptando esta tecnología y planea introducir los 48V en toda su flota. El primer modelo en hacerlo es el Cybertruck. Gracias a una arquitectura zonal de 48V y modernos convertidores CC/CC, la mayor eficiencia de conversión de Tesla ayuda a reducir el volumen y el peso del cableado. Una arquitectura zonal de 48V distribuye la tensión de 48V por todo el vehículo y la convierte a 12V en los extremos.

Cálculo del ahorro ofrecido por la arquitectura zonal de 48V

La arquitectura zonal de 48V admite mejor la mayor demanda de los VE y disminuye el peso del vehículo de tres maneras principales.

1. Reduciendo el peso del cableado un 85%
   La actualización a una arquitectura zonal de 48V significa sustituir los cables tradicionales de 12V, de calibre 4 y 273g/m, por cables de 48V, de calibre 10 y 27g/m. Esto disminuye el peso del cableado en un 85% aproximadamente.
2. Eliminando la batería auxiliar
   Los módulos de potencia en una arquitectura zonal proporcionan una respuesta muy rápida frente a transitorios que permite crear una batería virtual. Los módulos de potencia replican las características de las baterías de baja tensión de 12/48V añadiendo la oportunidad de eliminar la batería física de 12V, recortando así 13kg o más.

Figura 2. La estructura centralizada se puede reducir con módulos de potencia y una arquitectura zonal porque el calor se puede disipar con más eficiencia en los extremos al convertir 48V en cargas de 12V.

 3. Ahorrando un 33% al disminuir el tamaño de la caja
La sustitución de un sistema centralizado por uno zonal lleva la conversión de 48V a 12V de la caja a los puntos de carga. La nueva caja del sistema de alimentación para módulos de potencia de alta densidad que suministran 48V puede ser hasta un 33% más pequeña. Por tanto, su peso se puede reducir hasta un tercio (33%).

En el tradicional sistema centralizado de 12V, los componentes discretos elevan la temperatura ambiente dentro de la caja. La caja del sistema de alimentación con módulos de potencia de alta densidad genera menos calor y los módulos en el punto de carga pueden refrigerar el aire de manera eficiente en el chasis. Estas mejoras permiten que el peso del sistema de refrigeración por líquido disminuya alrededor del 7%.

Los convertidores CC/CC de 48V a 12V son fundamentales para optimizar la red de alimentación zonal de 48V. Los módulos de potencia de alta densidad son compactos, ligeros y muy eficientes. Los módulos de potencia de alta densidad de Vicor ayudan a los fabricantes de automóviles a aprovechar las ventajas de los 48V minimizando el espacio y el peso. El catálogo de Vicor está constituido por convertidores relación fija y regulados para cargas de 48V y 12V que funcionan en modo reductor (buck) o elevador (boost). Estos convertidores se pueden instalar en una sola carcasa o se pueden distribuir por el vehículo para crear una red de alimentación más compacta y ligera de 48V.

Estos módulos, cuando se utilizan junto con una arquitectura zonal descentralizada, optimizan la red de alimentación del vehículo.

Los módulos de potencia pueden disminuir el peso del vehículo hasta 18 kg (Tabla 3). Si este peso se sustituye por 18 kg de celdas de baterías, la autonomía del VE puede aumentar en unos 6.400 km al año sin un aumento neto del peso.

Esto es importante porque, por ejemplo, un conductor estadounidense recorre una media de 23.000 km en 2023, según la Administración Federal de Carreteras. Por tanto, una arquitectura zonal de 48V puede incrementar la distancia recorrida anualmente en un 28% y reducir el tiempo de recarga al año hasta un 30% (Figura 4).

Reducción de peso obtenida con la arquitectura zonal

Figura 3. El uso de una arquitectura zonal de 48V junto con módulos de potencia de alta densidad recorta hasta 18 kg en el peso de un SUV eléctrico compacto.

El deseo de confort y estilo del consumidor forma parte de la mayor demanda eléctrica. Los VE exigen un consumo eléctrico más eficiente con el fin de cubrir la demanda eléctrica en todo el vehículo. 48V es en la práctica la única opción actual para satisfacer esta creciente demanda. Si bien la conversión supone un coste, una arquitectura zonal de 48V con módulos de potencia permite mucho más a largo plazo y obtiene un mayor rendimiento de la inversión.

Un 30% menos de tiempo de recarga al año

Figura 4. La mayor autonomía proporciona más distancia por carga y disminuye el número de cargas al año.

Las arquitecturas zonales más eficientes utilizan convertidores pequeños y ligeros en el punto de carga. Los módulos de alta densidad y alta eficiencia son la mejor opción para la conversión de 48V a 12V. Vicor, el líder en módulos de potencia de alto rendimiento, facilita la innovación y la creatividad. Los compactos módulos de potencia, las arquitecturas y las topologías de Vicor ofrecen a los fabricantes de automóviles unas soluciones de alimentación flexibles y escalables para la conversión de potencia de alta tensión en todo el vehículo.

En la carrera hacia los 48V, el Cybertruck de Tesla es el que marca el camino a seguir a los demás fabricantes. Tesla ha pasado con éxito de 12V a 48V y otros la seguirán e introducirán mejoras por el camino. Los módulos de potencia se instalan con facilidad y son la alternativa a los diseños tradicionales de tipo discreto que se utilizan en los sistemas de alimentación centralizados. Los módulos de potencia de alta densidad son pequeños y compactos, de ahí que se hayan convertido en la opción más obvia y en un complemento natural para una arquitectura zonal de 48V, que es la red de alimentación del futuro para la industria de automoción.

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