El aumento de la adopción de vehículos eléctricos (VE) está dando lugar a nuevos retos de ensayo para optimizar los diseños, reducir costes y hacer que los vehículos sean más eficientes. Los distintos convertidores de potencia e inversores de tracción constituyen el núcleo del subsistema de la cadena cinemática del VE y son uno de los bloques críticos que hay que probar para lograr la máxima eficiencia. Las tecnologías de banda prohibida ancha, como SiC/GaN, contribuyen positivamente a estos esfuerzos, pero al mismo tiempo plantean sus propios retos en materia de pruebas.

La introducción de la arquitectura de la cadena cinemática de 800 V supone un gran paso adelante. Echemos un vistazo a los retos de diseño y ensayo asociados a la arquitectura de tren de potencia de 800 V para vehículos eléctricos.

Liberar el potencial de los sistemas de 800 V

La arquitectura de cadena cinemática de 800 V hace referencia al sistema eléctrico de un vehículo eléctrico (normalmente camiones eléctricos y vehículos de construcción) que funciona a una tensión nominal de 800 voltios. Se trata de un aumento significativo con respecto a la arquitectura de cadena cinemática de 400 V que se utiliza actualmente en los vehículos eléctricos de batería (BEV). Estos requieren tiempos de recarga de entre 40 y 120 minutos en un cargador rápido de CC (DCFC) público. Estos tiempos están limitados por el tamaño práctico del cable necesario para transportar la corriente requerida al paquete de baterías. Los BEV de 800 V son una alternativa prometedora para alcanzar velocidades de carga ultraelevadas de 350 o 400 kilovatios.

La transición a los BEV con arquitectura de 800 voltios ofrece una solución al kilometraje, o "ansiedad de autonomía". Duplicar el voltaje manteniendo la misma corriente supone duplicar el aporte de energía al vehículo. Con la capacidad de recargar el vehículo un 50% más rápido (en otras palabras, una reducción del 50% en los tiempos de carga), este avance disminuye significativamente la preocupación por el agotamiento de la batería durante viajes prolongados.

Gráfico de barras del crecimiento de la cuota de producción de sistemas de 800 V entre 2020 y 2030. Fuente: Yole market research

Aumento de la autonomía de los BEV

Como resultado, estos vehículos tienen el potencial de cargarse del 5% al 80% del estado de carga, lo que equivale a unos 320 km de autonomía, en menos de 23 minutos. Esto contrasta con los 40 a 120 minutos que suelen tardar los sistemas de baterías de 400 V disponibles en la actualidad.

Además, el elevado voltaje permite suministrar la misma potencia con una corriente más baja, lo que permite utilizar cables y conectores de menor diámetro dentro del sistema de propulsión, lo que se traduce en un vehículo eléctrico más ligero y, en última instancia, en una mayor autonomía para un paquete de baterías comparable.

Otras ventajas de la transición de 400 a 800 voltios son la mejora de la eficiencia general y una gestión térmica más sencilla en todo el subsistema de la cadena cinemática.

Según la agencia de estudios de mercado Yole, se prevé que en 2023 la industria del automóvil empiece a adoptar los sistemas de 800 V como solución general. Este cambio está impulsado por las numerosas ventajas mencionadas anteriormente, en particular en los segmentos de vehículos premium, con fabricantes de automóviles como Audi, Porsche, Hyundai y Kia a la cabeza de la comercialización temprana. Aunque actualmente sólo un pequeño número de estaciones públicas de DCFC pueden aprovechar plenamente la arquitectura de 800 V, ese número aumenta día a día, y probablemente no estemos tan lejos de que la mayoría de las estaciones públicas de DCFC tengan 150 kW o más en los próximos 5 años.

Ventajas térmicas de los dispositivos de banda ancha

En cuanto a los enfoques de hardware, se hace hincapié en el empleo de semiconductores de banda ancha (WBG) como los interruptores de SiC y GaN. Esta elección se debe a su rápida capacidad de conmutación y su elevada tolerancia a la temperatura. Estos componentes funcionan eficazmente a temperaturas elevadas, lo que mejora la eficiencia y reduce la distorsión armónica total (THD). El rango de temperatura de funcionamiento ampliado de los dispositivos de banda prohibida ancha también puede simplificar el diseño de los inversores y minimizar la necesidad de sistemas de gestión térmica. En nuestra colaboración con organizaciones de normalización como JEDEC e IEC, nos centramos en normas relacionadas con el análisis de conmutación y las mediciones de recuperación inversa de diodos, que son fundamentales para caracterizar el rendimiento de los dispositivos de banda ancha.

Los osciloscopios desempeñan un papel crucial en la validación

Los osciloscopios desempeñan un papel crucial en la validación y el diagnóstico de problemas con motores de tracción de vehículos eléctricos y diseños de inversores. Permiten a los diseñadores alcanzar ambiciosos objetivos de eficiencia. Sin embargo, es esencial reconocer que un osciloscopio por sí solo puede no ser suficiente para todas estas mediciones.

Las soluciones de sondeo y el software de análisis desempeñan un papel fundamental. Las sondas de tensión con aislamiento óptico ayudan a los diseñadores a realizar mediciones en el accionamiento de compuertas de alta tensión

Tektronix ofrece una solución de prueba de doble pulso (DPT) de banda prohibida ancha, o prueba de doble pulso, en los osciloscopios Serie 4 B MSO, Serie 5 B MSO y Serie 6 B MSO, que ayuda a los ingenieros a lograr mediciones precisas y repetibles en los diseños de convertidores de potencia de última generación.

El software especialmente adaptado, como la oferta IMDA (Inverter Motor Drive Analysis) de Tektronix, complementa estas capacidades al permitir mediciones trifásicas para PWM y datos mecánicos, mejorando la utilidad general de la solución.

Para medir las magnitudes y frecuencias adecuadas en los puntos cruciales, son indispensables las sondas dedicadas de corriente y tensión. Los osciloscopios MSO de las series 5 y 6 son una excelente solución para los ingenieros que se dedican al diseño de cadenas cinemáticas de vehículos eléctricos, ya que ofrecen un elevado número de canales, software de análisis de inversores y versátiles opciones de sondeo.

Ingeniero utilizando el osciloscopio de señal mixta Tektronix Serie 5 B para realizar pruebas de trenes de potencia de vehículos eléctricos.

AUTOR: Denis Solomon, Tektronix