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La industria del automóvil se halla en plena transición hacia los vehículos eléctricos (VE), de ahí que los ingenieros afronten los desafíos que conlleva el desarrollo de las necesarias arquitecturas eléctricas. Por ejemplo, las grandes cargas capacitivas en los inversores de motores de tracción de 800V requieren una circuitería de precarga especializada para evitar las dañinas sobrecorrientes de entrada.
Al mismo tiempo, los diseñadores de VE se esfuerzan continuamente por reducir el tamaño, el peso y el coste del sistema.
El reto estriba en diseñar arquitecturas robustas y fiables que exijan el mínimo diseño y cuyo coste sea ajustado. Para lograr este equilibrio, los ingenieros han de abrir la posibilidad de aplicar nuevos métodos al diseño del sistema de alimentación.
A partir de un denso módulo de potencia, los ingenieros pueden diseñar nuevas arquitecturas que equilibren los factores relacionados con la precarga del vehículo. Un módulo convertidor de relación fija es la clave para crear el sistema de precarga más eficiente.
Cómo controlar las sobrecorrientes de entrada
El funcionamiento de un VE necesita cuatro componentes principales: una batería de tracción, convertidores CC/CC, un inversor del motor de tracción y un motor eléctrico. En esta estructura, la batería suministra la alimentación de alta tensión CC (800V) para el inversor del motor de tracción, que a su vez proporciona alimentación de CA para accionar el motor.
La alimentación de la batería de tracción al motor de tracción presenta dificultades desde el punto de vista de la seguridad y la fiabilidad. El inversor del motor de tracción consume una corriente elevada de forma esporádica, por lo que es imprescindible integrar grandes condensadores en enlace de CC para mantener una alimentación estable de CC. En muchos vehículos, la capacidad total del enlace de CC puede ser aproximadamente de 58000µF, un valor que supone una enorme carga capacitiva.
Al arrancar el vehículo, esta capacidad está descargada (0V) por lo que al conectar la batería de tracción directamente al inversor del motor de tracción se generan sobrecorrientes de entrada. Dado que el cableado de la batería tiene una resistencia del orden de microohmios y la batería funciona a 800V, la corriente resultante en amperios se define de acuerdo con la Ley de Ohm:
I = ((800V - 0V))/R
Esta sobrecorriente de entrada supone un riesgo para la seguridad del sistema, como fallos de la conexión a tierra, equipos dañados y fusibles quemados (Figura 1). Además, la alta dV/dt correspondiente a la carga de la capacidad del enlace de CC puede generar oscilaciones que afecten a los componentes.
Figura 1: Al arrancar el vehículo, la carga de la capacidad del enlace de CC de un inversor de tracción puede dar como resultado unas enormes sobrecorrientes de entrada que pueden dañar los equipos.
Consejos prácticos para una precarga correcta
Para resolver estos problemas, los VE recurren a un circuito de precarga, un modo preliminar que limita la sobrecorriente de entrada durante el proceso de encendido del vehículo.
En la mayoría de los VE, la precarga emplea unos contactores especiales y una resistencia limitadora de corriente entre la batería de tracción y el inversor del motor de tracción (Figura 2). Durante la precarga, SW1 está abierto mientras que SW2 y SW3 están cerrados. En este modo, el vehículo precarga la capacidad del enlace de CC a través de la resistencia en serie R1, limitando así de manera efectiva la sobrecorriente de entrada. Cuando los condensadores del enlace de CC han alcanzado 800V, la precarga finaliza, SW3 se abre y SW1 se cierra, permitiendo que el vehículo funcione en condiciones normales.
Si bien este método de precarga funciona, dista mucho de ser ideal. Una de sus principales carencias es que necesita utilizar más componentes, como un contactor de precarga que es robusto pero también grande, pesado y caro. Estos componentes añadidos no son deseables en los VE, cuyo espacio, peso y coste son muy valiosos.
Otro inconveniente es que la precarga desde un bus de alta tensión es propensa a fallar por culpa del calor excesivo. Por ejemplo, los sucesivos ciclos de encendido y apagado del vehículo en un corto período expone la resistencia de precarga a altas corrientes durante más tiempo. Este consumo repetido de potencia hace que la resistencia se sobrecaliente, exponiendo el sistema a cortocircuitos y fallos que pueden destruir los circuitos de alta tensión. Proteger la circuitería de precarga exige unos circuitos de seguridad especializados que incrementan aún más la lista de materiales, el peso y el coste.
Figura 2: Durante la precarga, un contactor especial SW3 conecta una resistencia en serie entre la batería y el inversor. Al acabar, SW3 se abre, SW1 se cierra y la batería se reconecta al inversor.+ç
Nueva técnica basada en convertidores de relación fija
La familia de convertidores de relación fija BCM® de Vicor ofrece un método exclusivo de conversión de tensión que aprovecha una manera nueva y mejorada de realizar la precarga.
Los convertidores de relación fija son convertidores CC/CC no regulados y aislados que alcanzan una eficiencia máxima del 98%. Su funcionamiento se parece al de los transformadores de CA ya que reducen o elevan la tensión siguiendo una relación fija que se establece según el número de vueltas o factor K (Figura 3). Lo más importante es que estos dispositivos son bidireccionales y esto significa que el mismo módulo puede aumentar o disminuir la tensión dependiendo de la dirección del flujo de corriente.
En el ámbito de la precarga de VE, el valor que aportan los convertidores de relación fija es que son los únicos que permiten la precarga desde el bus de baja tensión.
Todos los VE utilizan dos baterías: la batería de tracción principal, que funciona a 400V o 800V, y la batería de baja tensión, que funciona a 12V o 48V. La batería de baja tensión alimenta equipos auxiliares de baja tensión, como radio y controles del sistema, cuando el vehículo no está en marcha. Cuando está en marcha, los equipos auxiliares de baja tensión se alimentan desde la batería de tracción a través de un convertidor CC/CC especial y un regulador (Figura 4). Esta conversión está presente en todos los VE y se suele realizar mediante soluciones unidireccionales como los convertidores de potencia conmutados.
Figura 3: Los convertidores de relación fija aumentan o disminuyen la tensión CC siguiendo una relación predeterminada que depende de la dirección del flujo de corriente y lograr una alta eficiencia.
Diseño de un método de precarga con módulos de potencia de alta densidad
Gracias a la disponibilidad del módulo convertidor de potencia de relación fija, los diseñadores de sistemas de alimentación cuentan con un medio de precarga que no necesita más componentes ni aumenta el coste o el peso.
En lugar de precargar la capacidad del enlace de CC del inversor del motor de tracción directamente desde la batería de tracción, los diseñadores pueden utilizar convertidores de relación fija para la precarga desde la batería de baja tensión (Figura 4). Con este diseño, el convertidor CC/CC estándar utilizado para alimentar el bus de baja tensión desde el bus de alta tensión es sustituido por un convertidor de relación fija como el BCM6135 de Vicor y un regulador CC/CC como el PRM3735 de Vicor. Es importante destacar que el número total de componentes no cambia respecto a la solución original.
Durante la precarga, SW1 y SW2 están abiertos, de modo que desconectan por completo la batería de tracción. En este modo, los 48V procedentes de la batería de baja tensión se regulan mediante el PRM3735 y luego son incrementados por el BCM6135 hasta los 800V necesarios para precargar la capacidad del enlace de CC del motor de tracción. Como la corriente de salida de PRM3735 es controlable, esta arquitectura efectúa la precarga sin que las sobrecorrientes de entrada sean elevadas e incontroladas.
Cuando finaliza la precarga, SW1 y SW2 se cierran. Gracias a la bidireccionalidad de los convertidores de relación fija, ahora el mismo convertidor de relación fija y el regulador CC/CC pueden intercambiar sus polaridades y reducir los 800V de la batería de tracción a 48V para alimentar el bus de baja tensión.
Las ventajas de este método son considerables y numerosas.
1. Precarga sin aumentar el coste ni más componentes
Esta arquitectura permite que los diseñadores de sistemas de alimentación consigan una recarga fiable y controlada sin necesidad de añadir componentes. Con los mismos componentes que ya existen en sistemas más antiguos (el convertidor CC/CC y el regulador CC/CC),los diseñadores pueden precargar y alimentar el bus de baja tensión desde el bus de alta tensión. Si se compara con las técnicas de precarga convencionales, que necesitan más contactores, resistencias y circuitería de protección, este método reduce notablemente la lista de materiales. El menor número de componentes se traduce directamente en una disminución del tamaño, el peso y el coste del sistema.
2. Muy fiable y menos arriesgado
Un convertidor de relación fija es más fiable que la precarga convencional a través de una resistencia en serie y no es propenso a sufrir sobrecalentamientos o fallos.
3. El método con un consumo más eficiente
El método basado en el convertidor de relación fija también es muy eficiente. Como la regulación CC/CC se produce sin conversión de tensión (regulación de 48V a 48V), toda la conversión de tensión se lleva a cabo en el convertidor de relación fija. El convertidor de relación fija, que logra alcanzar una eficiencia de hasta el 98%, casi no registra pérdidas por lo que garantiza un desperdicio mínimo de energía en el proceso. Este ahorro proporciona una mayor autonomía al vehículo y disminuye la necesidad de gestión térmica.
Figura 4: El uso simultáneo de un convertidor de relación fija y un regulador de tensión permite precargar desde la batería de baja tensión durante la precarga y alimentar el bus de baja tensión desde la batería de tracción durante el funcionamiento normal.
Los módulos de potencia reducen la lista de materiales, el coste y el peso
La transición de los vehículos con motores de combustión interna a los VE sigue su curso, por lo que existe una creciente necesidad de sistemas de alimentación más asequibles, pequeños y ligeros. Esto solamente se puede lograr por medio de técnicas innovadoras con el fin de diseñar mejores redes de alimentación para VE.
Gracias a los convertidores de relación fija de alta eficiencia, Vicor ofrece nuevas arquitecturas que proporcionan unos niveles de flexibilidad de diseño sin precedentes a los diseñadores de sistemas de alimentación. Las técnicas de precarga que emplean componentes ya existentes en una sola aplicación demuestran la capacidad de esta familia de módulos convertidores de potencia de relación fija. Los sistemas de alimentación siguen evolucionando y se han pasado a formar una parte más integral del automóvil y los convertidores de relación fija les ayudarán a lograr un futuro más sostenible y asequible.
Vicor y BCM® son marcas registradas de Vicor Corporation. PRM es una marca de Vicor Corporation.
Autor: Patrick Kowalyk, Ingeniero Jefe de Aplicaciones de Automoción, Vicor
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