Las arquitecturas de potencia de vehículos eléctricos (VE) e híbridos almacenan y distribuyen varias tensiones con el fin de alimentar una amplia variedad de subsistemas de detección, control, seguridad e infoentretenimiento. Esto supone un reto en cuanto a coste, espacio y peso para al almacenamiento y el suministro de energía que los vehículos híbridos resuelven con una batería de 48V y un sistema de distribución de 48V,

mientras que los VE recurren a baterías de alta tensión (800V, 400V) y un sistema de distribución de 48V. Si bien una batería de 48V puede suministrar al instante la potencia requerida, toda batería intermedia en las arquitecturas de VE afectará negativamente al peso, el espacio y el coste.

La oportunidad de introducir innovaciones en las arquitecturas de potencia en VE se concreta en utilizar una batería de alta tensión para aprovechar las ventajas del almacenamiento de energía de alta tensión y acabar con la necesidad de una batería intermedia, usando para ello un convertidor CC/CC para alimentar dentro de un rango SELV , es decir, con una tensión baja de seguridad. Un convertidor convencional puede encargarse de convertir la tensión pero carece de la rapidez de respuesta exigida para cubrir los requisitos de alimentación de los diversos subsistemas.
El BCM de Vicor se caracteriza por su baja impedancia y su rápido tiempo de respuesta, por lo que es capaz de transformar la batería de alta tensión en lo que parece una batería de 48V con el fin de alimentar la red, acabando de este modo con la necesidad de una batería intermedia de 48V.

Este artículo explica con detalle las características del convertidor BCM de Vicor, su funcionamiento y sus capacidades, lo compara con un convertidor CC/CC convencional y sugiere una implementación de su arquitectura cuando se emplea en la arquitectura de potencia para un VE.

El convertidor BCM

El convertidor BCM funciona como un convertidor de relación fija cuya tensión de salida (también denominada tensión del secundario) es una fracción fija de la tensión de entrada (también llamada tensión del primario). Esta fracción fija, denominada factor K, puede ser superior, igual o inferior a uno y se define como la tensión a la entrada dividida entre la tensión a la salida (V_PRI / V_SEC). Cuando el factor K es inferior a uno, las tensiones de entrada disminuyen pero las corrientes de entrada aumentan. Cuando el factor K es superior a uno, las tensiones de entrada aumentan y las corrientes de entrada
disminuyen.

El funcionamiento interno del convertidor BCM consta de tres etapas: 

1. Una etapa de conmutación en el primario que convierte la entrada CC del primario en una señal sinusoidal.
2. Un transformador ideal que convierte CA a CA y varía la tensión dependiendo de la relación de vueltas entre el primario y el secundario (el factor K).

Una etapa de conmutación en el secundario que convierte la señal sinusoidal del transformador ideal en una salida CC. Las etapas de conmutación conmutan cuando la señal sinusoidal pasa por corriente cero y tensión cero en el transformador, minimizando así las pérdidas ocasionadas por la conmutación.

La simetría, junto con las secuencias y el control apropiados, permiten que el BCM sea reductor o elevador. Esta innata capacidad bidireccional permite que el BCM convierta la potencia con la misma eficiencia en cualquier dirección. Esto abre la posibilidad de convertir la potencia en aplicaciones caracterizadas por una rápida carga y descarga desde un elemento de almacenamiento, por ejemplo, si bien este artículo se centrará en la conversión reductora.

Gracias a la conmutación a corriente cero y tensión cero (ZCS/ZVS), los convertidores BCM funcionan a frecuencias más elevadas que los convertidores convencionales. Por ejemplo, el BCM6135 funciona a 1,2MHz y, a diferencia de un convertidor resonante ZV/ZC convencional, el BCM trabaja en una estrecha banda de frecuencias. La alta frecuencia de funcionamiento del BCM ofrece una respuesta rápida a los cambios de las corrientes de carga y una baja impedancia de la entrada a la salida. La conversión de relación fija, el funcionamiento bidireccional, la respuesta rápida frente a transitorios y una baja impedancia son las cualidades que permiten al BCM que la batería de 384V parezca una batería de 48V, a lo cual llamaremos transformación. Esta capacidad de transformar una fuente de alimentación constituye la ventaja principal y la mayor diferencia si se compara con los convertidores convencionales.

Transformación de la fuente de alimentación

El BCM transforma una tensión de entrada en una tensión de salida según una relación fija y se puede expresar matemáticamente como V_OUT = K ∙ V_IN. Pensemos en un sistema de alimentación distribuida de 48V conectado a una batería de alta tensión cargada a 384V. Las cargas en el bus de 48V tienen un rango de tensión de entrada que es una fracción fija de la salida de la batería. Un BSM aislado (1/8) convierte la salida de la batería de CC de alta tensión en un conjunto de tensiones compatibles con la distribución de 48V. El rápido tiempo de respuesta del BCM hace que, desde la perspectiva de cualquier carga en el lado de bajo potencial (low side), la batería de 384V parezca una batería que se descarga a 48V. En la práctica, el convertidor BCM ha transformado la batería de alta tensión, permitiendo así que el sistema disfrute de todas las ventajas de una batería con una tensión más elevada para almacenamiento de energía, como un tiempo de carga más rápido y una densidad de energía mejorada si se compara con una batería de 48V cuyo almacenamiento de energía sea equivalente.

Planteemos ahora la misma aplicación con un convertidor convencional, que regula la entrada en el rango de tensión a una determinada tensión de salida desligada de los cambios a la entrada. Las fluctuaciones de tensión a la entrada no se propagan a la salida regulada. El bajo ancho de banda del convertidor regulado evita que el sistema de distribución suministre la potencia con tanta rapidez como una conexión directa a la batería. Desde el punto de vista del lado de bajo potencial solo hay una tensión de alimentación ideal de 48V. Si bien esta conversión resulta útil, tiene dos puntos débiles. Primero, el menor ancho de banda necesita un cierto almacenamiento intermedio de energía adicional (bien sea capacitivo una batería más) con el fin de suministrar corriente durante una descarga con una alta dI/dt. Segundo, no se precisa una etapa de regulación ya que la tensión de entrada de las cargas en el lado de bajo potencial es una fracción fija de la batería en el lado de alto potencial. El convertidor convencional regula sin necesidad, por lo que desperdicia energía, incrementa los costes y reduce la eficiencia del sistema. Además, el limitado ancho de banda del convertidor regulado empeora el tiempo de reacción frente a demandas rápidas de potencia en el sistema de distribución.

Al diseñar el rango de tensión de una fuente de alimentación para que sea una fracción fija del rango de entrada de las cargas en la distribución de potencia, las altas tensiones (con su ventaja correspondiente en cuanto a bajas pérdidas) se pueden aprovechar para distribuir la potencia sin las etapas de regulación innecesarias que se utilizan en los sistemas equipados con convertidores convencionales. Dando un paso más, el diseño de un sistema en el que todos los rangos de tensión, para fuentes, cargas y varias rutas de distribución son relaciones fijas entre sí permite una selección óptima de la mejor tecnología para almacenamiento y distribución de potencia, así como para las capacidades del subsistema. Esto se logra mediante arquitecturas de potencia de alto rendimiento para VE. Estos sistemas usan baterías de Li-ion (dispuestos en función de su capacidad y alta tensión para obtener una carga rápida), distribuyen la potencia a 48V (según la especificación LV148V para distribución SELV) y recurren a diversos subsistemas antiguos y económicos de 12V junto a la tecnología más avanzada de 48V con IA. Los BCM unen todas estas tensiones a un solo sistema de alta eficiencia. 

Una arquitectura de batería virtual de 48V

Las arquitecturas de potencia para VE pueden utilizar los BCM para crear un sistema de alimentación de alta eficiencia y peso ligero. Los bancos de baterías de alta tensión, que constituyen la unidad de almacenamiento primario de energía, reducen la tensión hasta el valor más eficiente para la distribución. Esta configuración presenta ventajas (densidad de energía y tiempo de carga) respecto a soluciones de menor tensión, pero también inconvenientes (no SELV) que las hacen aconsejables para aplicaciones de VE pero peligrosas para la alimentación distribuida de cargas a lo largo del vehículo. En lugar de ello, la implementación de un sistema de alimentación distribuida según la especificación LV148 permite distribuir la potencia a una tensión segura (SELV) que se podría mantener más fácilmente que la alta tensión de la batería y requeriría menos cobre para la menor corriente que si se distribuyera a 12V como antes.

El convertidor BCM refleja las características de descarga de la batería de alta tensión en función del factor K de 1/8.  Esta batería virtual alimenta el sistema de distribución compatible de LV148 de modo tan efectivo como cualquier batería física de 48V, pero con la densidad de energía y las ventajas asociadas a una batería de alta tensión en el sistema.

El convertidor BCM6135 de Vicor está aislado, por lo que ofrece la protección necesaria cuando conecta a una fuente de alta tensión a una distribución SELV. Además alcanza una eficiencia superior al 97% y de más del 96% cuando funciona por encima del 30% de la corriente nominal. Los convertidores BCM6135, que son capaces de suministrar hasta 65A (más de 3000W de potencia) continuamente, pueden crear etapas de conversión de alta potencia entre rangos de alta tensión CC y SELV. El BCM6135 tiene un rango de entrada de 260 a 410V y una conversión de relación fija de 1/8 para proporcionar una salida compatible con una distribución de 48V.

El BCM6135 mide 61x35x7,5mm, está disponible en versiones para montaje en chasis o por inserción y pesa 68g. Esta elevada densidad de potencia (3400 W/pulgada³) facilita su óptima colocación para la arquitectura de potencia y la distribución del peso en el vehículo. Su encapsulado está diseñado para funcionar en sistemas refrigerados por conducción y mediante líquido, y su disipación térmica es similar en la parte superior e inferior del encapsulado con el fin de aumentar la flexibilidad para su montaje y refrigeración.

Figura 6: Eficiencia del BCM6153 respecto a la corriente de carga de salida.    

Figura 7: Imagen del BCM6135 para montaje sobre chasis.

Extender la distribución de 48V

Si bien la potencia del sistema de puede obtener a partir de una batería virtual de 48V, aun así se debe distribuir por el vehículo hasta un gran número de cargas en subsistemas con diferentes requisitos en cuanto a potencia y entradas de 48V y 12V. Si bien están claras las ventajas que conlleva alimentar a 48V frente a 12V (eficiencias más altas y cables más ligeros), no lo es tanto cómo cambiará este conjunto a lo largo del tiempo. Dado que la tensión de 12V está pasando a un segundo plano, la arquitectura de potencia del vehículo debe ser lo bastante flexible como para adaptarse a nuevos subsistemas y seguir optimizando el peso y el coste de todo el cableado requerido.

La solución ideal consiste en extender la distribución de 48V lo máximo que sea físicamente posible y convertir a 12V únicamente cuando sea imprescindible. Dado que el rango operativo de la especificación LV148 se puede transformar en una entrada compatible con una distribución de 12V con una conversión de factor K 1/4, un convertidor BCM es la solución ideal para alcanzar la máxima eficiencia. Además, dado que ambas tensiones con SELV no se necesita aislamiento y se puede utilizar un convertidor no aislado para convertir de 48V a 12V en todo el sistema. Un BCM no aislado se denomina NBM y sus otras características son idénticas, por lo que ofrecen las mismas ventajas antes descritas: respuesta rápida a transitorios, baja impedancia y funcionamiento bidireccional.

Figura 8: Eficiencia del NBM2317 respecto a la corriente de carga de salida.

Esta arquitectura de potencia distribuida aporta todas las ventajas de la distribución de 48V y conserva al mismo tiempo la flexibilidad para que la plataforma adopte nuevos subsistemas, tanto con entradas de 48V como de 12V. El NBM transforma la entrada de 48V en lo que parece una fuente de 12V para los sistemas antiguos de 12V. El NBM se puede integrar en cualquier punto del vehículo ya que es lo suficientemente pequeño como para alimentar los subsistemas antiguos allí donde estén. También facilitan al máximo su posible eliminación en el caso de que el sistema se modernice en el futuro instalando subsistemas de 48V.

El NBM2317 de Vicor, que mide 23 x 17 x 7,4mm y pesa 12g, se puede colocar en cualquier lugar en el lugar óptimo para extender la distribución de 48V. Su eficiencia máxima es superior al 97,5% cuando funciona por encima del 30% de la corriente nominal. El NBM2317, capaz de suministrar hasta 60A (800W de potencia) continuamente, está diseñado para una óptima flexibilidad de refrigeración, tanto en la parte superior o inferior y su encapsulado es compatible con el montaje superficial, por lo que se adapta fácilmente a un trazado existente. Su elevada densidad de potencia (4500 W/pulgada³) está muy por encima de los módulos de la competencia y también se puede integrar más que ninguna solución discreta cuyo nivel de potencia sea equivalente.

Figura 9: Imagen del NBM2317 para montaje superficial.

Cuando se usan juntos, el BCM6135 y el NBM2317 ofrecen flexibilidad de las arquitecturas de potencia para VE con el fin de adoptar la combinación óptima de subsistemas de 48V y 12V, así como de aprovechar al máximo las ventajas de la distribución de 48V SELV y el almacenamiento de CC de alta tensión, cumpliendo de este modo los objetivos de alto rendimiento de los diseños de VE.

Conclusión

La capacidad de los BCM de transformar las fuentes de alimentación, especialmente una batería, es la principal ventaja y la principal diferencia al comparar los BCM con los convertidores convencionales. Dado que la tensión de salida de la fuente de alimentación primaria de la arquitectura de potencia es una relación fija con cualquier tensión de entrada de un subsistema conectado a continuación, la alimentación se puede distribuir a la tensión óptima más alta y luego convertirla en función de las necesidades mediante los BCM sin las pérdidas ocasionadas por etapas de regulación innecesarias. La ventaja aprovechada por las arquitecturas de VE es la eliminación de cualquier batería intermedia debido a la transformación de la batería de almacenamiento de energía de alta tensión en un rango compatible con SELV para su suministro por todo el vehículo. Si bien tanto los BCM como los NBM se están implementando en sistemas de alimentación de VE, cualquier otro sistema alimentado desde una batería, desde vehículos aéreos ultraligeros no tripulados hasta robots industriales autónomos y plataformas informáticas distribuidas de inteligencia artificial pueden sacar provecho a sus capacidades transformadoras.

Para más información visite www.vicorpower.com o llame al representante de Vicor en su país.