Las innovadoras arquitecturas de alimentación basadas en módulos de potencia aportan redundancia a la alimentación, mejoran la seguridad total y el rendimiento del sistema.  Las ventas de vehículos eléctricos (VE) siguen creciendo en todo el mundo. En marzo de 2023, la suma de las ventas de vehículos eléctricos e híbridos enchufables superó las 322.000 unidades en toda Europa equivalente a un incremento interanual del 29%.

Además, los vehículos totalmente eléctricos experimentaron un aumento interanual del 44% y representaron una cuota del 16% de todos los coches vendidos en Europa. 1
Estas cifras son positivas para todos los fabricantes de vehículos tras las pésimas ventas registradas durante 2020-2021 debido a la pandemia de COVID-19. La recuperación de las ventas totales y el crecimiento significativo de las ventas de VE son un buen presagio para el futuro. Sigue habiendo reticencias entre los consumidores respecto a la infraestructura de carga y la autonomía de la batería. Como respuesta, los fabricantes ya disponen de modelos de VE de segunda generación en fase de producción que abordan las preocupaciones de estos consumidores.

Tendencias que caracterizan a la segunda generación de VE
Hay varias tendencias que vale la pena destacar.
1. Mejora del tiempo de carga y reducción del peso del vehículo. El peso influye directamente sobre la autonomía de un VE. Por tanto, toda reducción de peso del vehículo aumenta su carga útil y su máxima autonomía.
2. La eliminación de la tradicional batería primaria de 12VCC resulta muy ventajoso en cuanto al peso. En la actualidad es posible reducir su tamaño o incluso retirarla.
3. La adopción de una arquitectura zonal de 48V reduce la necesidad de cableados voluminosos, pesados y costosos. La implementación de una arquitectura de 48V para el equipamiento secundario (asientos con calefacción, movimiento de los asientos, etc.) también aprovecha las ventajas de la reducción del tamaño y el peso del cable.
4. El aumento de la tensión de la batería de 400V a 800V se está produciendo con rapidez. Esta tendencia permite disminuir el peso del cable y el tiempo de carga pero exige modernizar la infraestructura de carga para que suministre ambas tensiones.
También es necesario introducir otras importantes mejoras en la seguridad y la fiabilidad. Es inevitable que, puesto que el VE obtiene toda su alimentación de una sola fuente, como es la batería de tracción de alta tensión, cualquier interrupción resulte muy problemática y pueda amenazar la seguridad. Por tanto, si bien las comodidades pueden atraer a los consumidores e incentivar las ventas actualmente, la viabilidad de los VE a largo plazo depende de los exigentes protocolos de seguridad incorporados al vehículo. En un automóvil totalmente eléctrico, la alimentación redundante es primordial.

El diseño de una alimentación redundante es imprescindible para la seguridad y la fiabilidad
La incorporación de una fuente redundante de energía a un VE garantiza la seguridad y la fiabilidad al conductor, a los pasajeros y a otros usuarios de la vía pública. La alimentación redundante es necesaria para tres tipos de cargas:
• Sistemas de sensores de dirección, frenado y seguridad
• Comunicación continua a través de la red el vehículo (bus CAN, Ethernet, etc.)
• Las cargas no esenciales se deben desconectar durante situaciones críticas de la alimentación
Por ejemplo, los diseñadores de arquitecturas de alimentación para VE podrían disponer de una fuente de batería de tracción de 800V conectando dos baterías de 400V en serie, de manera que la configuración de cada batería tenga un convertidor CC/CC (400V a 800V) por separado. Esta configuración (Figura 1) se denomina un sistema doble de 400V apilado en serie.

Figura 1. Sistema doble de 400V apilado en serie. La conexión de dos baterías de 400V en serie, con convertidores CC/CC separados en una arquitectura apilada, funciona con una tensión más baja y divide la carga en dos o más partes (Fuente: Vicor)

Algunos fabricantes ya están utilizando el sistema doble de 400V apilado en serie por varias razones. La principal razón es que la carga es más fácil con un cargador de 400V porque muchos de los cargadores públicos instalados no admiten 800V. En cambio, los nuevos cargadores que se están instalando son compatibles con baterías de 400V y 800V. La segunda razón es que si un fabricante ya ha diseñado y certificado una batería de 400V, es más rápido y sencillo añadir dos en serie.
Otro método es la configuración de doble batería de 800V en paralelo (Figura 2) que consiste en utilizar dos baterías de 800V en paralelo. De nuevo, dos convertidores CC/CC separados proporcionan redundancia.

Figura 2. Configuración de doble batería de 800V en paralelo. Esta configuración funciona con una corriente más baja y es un método más sencillo para implementar una redundancia N + 1 (Fuente: Vicor)

Ambas configuraciones presentan ventajas e inconvenientes.
Estos son los inconvenientes cuando se utiliza un sistema doble de 400V apilado en serie:
• Los convertidores CC/CC de 400V necesitan más espacio libre hasta la tierra de la carcasa porque el convertidor CC/CC superior está a 800V.
• La toma central entre las dos baterías de 400V debe ser accesible en el conector de alta tensión.
• Un desequilibrio de las dos baterías de 400V conectadas en serie puede provocar que el regulador pase a modo de protección por sobretensión e interrumpa la alimentación
Estas son las ventajas del sistema:
• Si falla una hilera, la otra asumirá la carga.
• Los componentes del sistema funcionan con tensiones más bajas y por tanto son menos costosos.
• Es más fácil crear una salida de 24V conectando las dos salidas en serie.
La configuración de doble batería de 800V en paralelo también tiene ventajas e inconvenientes.
Ventajas
• Ofrece más estabilidad que con 400V
• Es más fácil de cargar porque la configuración en paralelo verá toda la fuente de 800V. En una configuración en paralelo, las baterías tienen las mismas tensiones, de ahí que sea menos complicada de cargar.

Inconvenientes:
• Desde el punto de vista del diseño, los componentes necesitan más espacio libre hasta la carcasa por seguridad frente a alta tensión.
• Un cortocircuito en el potencial de 800V apagará todo el sistema.
Si bien aún son relativamente pocos los vehículos que utilizan en la actualidad una plataforma de doble batería de 800V, la redundancia que ofrece es importante para la seguridad. Sin ella, los sistemas más importantes del coche están a un cortocircuito de un fallo catastrófico. Las arquitecturas de alimentación de los VE se mueven en esta dirección. La fiabilidad y la seguridad son las principales razones que explican esta evolución, pero los nuevos cargadores son compatibles con 400V y 800V, un dato que indica la tendencia del mercado hacia los 800V.
Son varios los factores que pueden llevar a optar por una u otra configuración, pero en la mayoría de los casos es preferible la configuración de doble batería de 800V por una sencilla razón: en este sistema, los módulos de potencia facilitan la incorporación de redundancia porque las baterías se encuentran en paralelo. Esto permite establecer una segunda vía de conexión con la carga en caso de cortocircuito, protegiendo así el sistema para que no se apague por completo.
Hay que tener en cuenta el peso y la autonomía, además de la necesidad de espacio físico para instalar dos baterías. Si bien es preciso añadir otros circuitos para los sistemas de gestión de la batería, la seguridad y la fiabilidad lo compensan con creces.

 Las muchas caras de la alimentación redundante: ¿cuál es mejor?
La redundancia se puede implementar de varias maneras (Figura 3). La carga puede ser compartida por dos o más convertidores CC/CC y un solo convertidor es capaz de asumir toda la carga en el caso de que fallen una de las fuentes de alimentación o de los convertidores. Diseñar una arquitectura de alimentación robusta y fiable para un vehículo eléctrico es una tarea compleja. No obstante, gracias a la redundancia, los fabricantes pueden mejorar la seguridad y la fiabilidad del vehículo y, lo que es más importante, la confianza del consumidor.
La redundancia puede adoptar diversas formas. Observemos toda la cadena de alimentación desde la fuente hasta la carga y preguntémonos: Si se produjera un fallo en este punto o en esta parte de la circuitería:
• ¿A qué afectaría?
• ¿Seguiría circulando el vehículo?
• ¿Qué funciones quedarían anuladas?
El objetivo es que el viaje continúe o que sea posible salir de la carretera de manera segura.
La redundancia en un convertidor CC/CC puede adoptar varias formas (Figura 3), como por ejemplo N + 0, N +1, 2N + 1, etc. Cada configuración tiene ventajas e inconvenientes en cuanto a tamaño, coste y complejidad. Es necesario estudiar con detalle el funcionamiento para la arquitectura de cada vehículo.

Figura 3. Diversas combinaciones de arquitecturas redundantes con sus niveles de potencia y estructuras de alimentación en el sistema de propulsión de un VE. La N + 1 alcanza una mayor potencia y por tanto puede ser una solución más grande y cara. De izquierda a derecha, la redundancia mejora y la fuente de alimentación cubre mejor los requisitos de la carga, pero también aumenta el número de componentes y la complejidad del sistema. (Fuente: Vicor)

La utilización de un convertidor CC/CC bidireccional y la separación de las cargas del vehículo permite que la alimentación pase de una zona a otra. Al llevarlo a cabo mediante un regulador se obtiene una fuente sólida para alimentar la carga o incluso para cargar una batería.
Sin embargo, la tecnología de los convertidores de corriente actuales no es capaz de lograr que los convertidores CC/CC sean lo bastante pequeños y ligeros como para instalar varias unidades en paralelo en los VE.

Figura 4. Este convertidor CC/CC de 4kW utiliza dos BCM6135 y dos DCM3735 de Vicor (instalados en la parte inferior de la placa) para convertir de 800V a 12V en una unidad que pesa 0,08 kg y cuyo volumen es de solo 0,8575 l. Se puede configurar en dos fuentes de alimentación redundantes de 2 kW cada una o bien en paralelo con otra unidad para crear una fuente de alimentación redundante de 4 kW.

Los módulos de potencia BCM® y DCM™ de Vicor facilitan la conexión en paralelo. Su pequeño tamaño reduce el tamaño total del convertidor CC/CC, mientras que su eficiencia y su densidad impulsan el rendimiento (Figura 4). Esto incrementa a su vez la autonomía del vehículo y permite que las nuevas arquitecturas mejoren la seguridad.
Los módulos de potencia de alta densidad abren oportunidades creativas y ofrecen unos niveles de rendimiento y escalabilidad muy superiores si se comparan con las soluciones discretas. Los módulos de potencia llegan a triplicar la densidad de potencia, facilitan la escalabilidad y son capaces de manejar transitorios de mayor velocidad que pueden asumir la reducción de la estructura o la eliminación de la batería auxiliar de 12V/48V. El BCM (Figura 5) disminuye la tensión en el lado de alto potencial y multiplica la corriente además de proporcionar aislamiento en un convertidor muy eficiente y con una elevada densidad de potencia.

Figura 5: convertidor de bus BCM®. Los BCM son módulos convertidores CC/CC aislados de alta densidad, alta eficiencia y de relación fija (sin regulación). Esta familia de dispositivos admite entradas de 800V o 400V a 48V con varios factores K para cubrir una gran variedad de aplicaciones. El BCM proporciona la densidad de potencia más alta para la conversión de baterías de alta tensión a redes de baja tensión. La familia de productos BCM se basa en la tecnología Vicor Sine Amplitude Converter™, que proporciona una alta eficiencia en módulos miniaturizados. Vicor desarrolla BCM para baterías de 400V o 800V. Los BCM de Vicor se pueden utilizar en matrices para cubrir los requisitos de alimentación necesarios.

El BCM es un dispositivo cuya salida es igual a la entrada multiplicada por un factor K. Por ejemplo, si la fuente es de 800V en una configuración en paralelo, el factor K sería 1/16. Por tanto, la tensión en el lado de bajo potencial es la tensión en el lado de alto potencial dividida entre 16, ya la corriente de salida es la corriente en el lado de alto potencial multiplicada por 16. El sistema doble de 400V apilado en serie emplea un BCM similar, pero su factor K es 1/8.

Figura 6. El DCM3735 es un convertidor CC/CC no aislado y regulado con un rango de entrada de 35-58V. Ofrece un funcionamiento con corriente constante para cargar la batería, se suministra en un encapsulado compacto (36,6 x 35,4 x 7,4mm) y se puede utilizar en una matriz.

El regulador DCM3735 toma la tensión del BCM y proporciona una salida regulada de forma precisa que puede cargar un condensador o una batería (Figura 6). La combinación de BCM y DCM ofrece a los diseñadores la flexibilidad necesaria para crear redes de alimentación redundantes, que ocupan poco espacio y pesan poco, destinadas a VE. La tecnología de Vicor puede proporcionar 4kW de alimentación entre 800V a 12V en menos de 0,9 l. Como puede verse en la Figura 4, este sistema pesa menos de 1 kg y puede ser aún más ligero pues permite eliminar la batería de reserva de 12V.
Los consumidores quieren comprar VE, pero muchos tienen reticencias; las principales son la autonomía y la comodidad de carga. No son problemas fáciles de resolver, pero las innovaciones introducidas en las arquitecturas de alimentación y la densidad de potencia son de enorme ayuda. Las innovaciones compactas ahorran peso, lo cual a su vez puede mejorar la autonomía. El desarrollo de nuevos módulos de potencia también aporta creatividad y maneras más sencillas de disminuir el peso y el tamaño, que de nuevo puede prolongar la autonomía.
El módulo de potencia es importante para aspectos como la autonomía, la fiabilidad y la seguridad. Su escalabilidad y su pequeño tamaño añaden una enorme flexibilidad al diseñar un sistema de alimentación. Cuando se combinan con arquitecturas innovadoras, los módulos de potencia son catalizadores que aceleran la adopción a largo plazo de los vehículos eléctricos actuales.

Fuentes:
Kane, Mark (May 10, 2023) “Europe: Plug-In Car Sales Accelerated In March 2023”, INSIDEEVS

Autor: Patrick Kowalyk, Automotive FAE, Vicor