El transporte por carretera representa casi una quinta parte de las emisiones globales de CO2, y eso hace que la electromovilidad, que por lo general se refiere al uso de vehículos eléctricos para el transporte, sea un escenario tecnológico crítico. Dado que la ansiedad por la autonomía está en el centro de la electromovilidad, los ingenieros han centrado su atención en los principales componentes de la infraestructura de recarga de los vehículos eléctricos: los cargadores integrados (OBC), los convertidores de CC/CC y los cargadores rápidos de CC.
Para empezar, la electromovilidad se ha enfrentado a la carga como uno de los principales retos, junto con el almacenamiento de energía y el costo. Los vehículos eléctricos (VE) de primera generación tenían el tipo de carga más lento, con 3,7 kW de potencia, lo que requería un mínimo de ocho horas para recargar un paquete de baterías de 25 kWh. Sin embargo, con los avances tecnológicos, la potencia nominal se ha elevado a 6,6: 22 kW para permitir la carga rápida de CA.
Otro cambio notable en la infraestructura de recarga de los vehículos eléctricos está relacionado con el aumento de la tensión de las baterías de 400 a 800 voltios, impulsado por Porsche, Hyundai y otros fabricantes de automóviles. En consecuencia, la tensión del cargador aumenta de 500 V a 1000 V, y los cargadores empiezan a utilizar componentes de potencia de 1200 V.
En los diseños de vehículos eléctricos e híbridos que evolucionan a gran velocidad, los cambios mencionados tendrán un impacto significativo en la selección de componentes, como los IGBT, los controladores de compuerta de alta tensión, los rectificadores de superunión, los MOSFET de alta tensión y los convertidores de CC/CC de alta tensión.
Este artículo ofrece un vistazo a las necesidades actuales y futuras de la infraestructura de recarga de vehículos eléctricos desde el punto de vista de los semiconductores de potencia, los microcontroladores y los componentes de los controladores.
Cargador incorporado
Un cargador integrado (OBC) se ocupa de la carga cuando un vehículo eléctrico (VE) se conecta a una estación de recarga a través de un cable adecuado. Proporciona la función esencial de cargar los paquetes de baterías de CC de alta tensión de los vehículos eléctricos a partir de una red eléctrica de infraestructura. Es un dispositivo convertidor similar a los inversores de tracción, pero hace lo contrario, convierte la corriente alterna (CA) de la pared en corriente continua (CC) para adaptarse a la batería.
El OBC convierte la tensión de suministro de CA de la red en el nivel de tensión de CC que necesitan los paquetes de baterías de los VE. (Fuente: Wolfspeed)
El diseño de un OBC se compone de dos bloques principales: una interfaz activa (AFE) para la conversión de CA/CC y un convertidor de CC/CC. La interfaz activa (AFE) obtiene energía monofásica o trifásica de la red y la envía a tensiones intermedias de CC, convertidas a la tensión que se requiere para la carga rápida de las baterías del vehículo eléctrico (VE).
El tiempo de recarga, el tiempo que tarda un vehículo eléctrico en cargarse, dependerá en gran medida de la potencia nominal del OBC. Por tanto, no es de extrañar que los OBC se hayan convertido en un campo de batalla de diseño crucial a la hora de decidir el tiempo de carga en función de las especificaciones que ofrecen los OEM. En este caso, una nueva generación de semiconductores de potencia permite una carga mucho más rápida que antes.
También hay OBC bidireccionales que pueden ayudar a reponer la red cuando sea necesario. Un OBC bidireccional, que mueve la energía de un lado a otro de forma eficiente con una pérdida mínima, puede equilibrar una alta densidad con una alta eficiencia y proporcionar un amplio rango de tensión de salida, tanto en el modo de carga como en el de descarga.
La carga bidireccional es justo lo que su nombre indica: la electricidad fluye en ambos sentidos. (Fuente: Wallbox)
De la carga de CA a la carga rápida de CC
En la actualidad, la mayoría de las estaciones de carga utilizan corriente alterna debido a las escasas barreras técnicas, el bajo costo y la gran adaptabilidad, en especial en lugares residenciales, oficinas y comercios. Sin embargo, a medida que la tecnología de recarga evoluciona, los puntos de recarga eficientes de corriente continua (CC) se popularizan poco a poco en las carreteras y en las estaciones de recarga públicas, donde los conductores de vehículos eléctricos no tienen mucho tiempo para recargar.
Las soluciones de carga de corriente continua (CC) se abren paso incluso en la carga doméstica, lo que ofrece nuevas posibilidades a los usuarios, ya que permiten una carga rápida, así como bidireccional. Estos cargadores pasan por alto el OBC instalado en los vehículos eléctricos y proporcionan de forma directa una carga rápida de corriente continua (CC) a la batería.
En el caso de la carga rápida de CC, si bien el estándar era de 150 kW, ahora vemos capacidades de 350 kW y más. Es probable que estas mejoras sigan aumentando la capacidad de las estaciones de carga rápida de corriente continua (CC). Por consiguiente, los vehículos eléctricos se cargarán más rápido, lo que a su vez contribuirá a que los cargadores no sean el cuello de botella para que haya más automóviles eléctricos en la carretera. Además, como los cargadores rápidos de CC permiten niveles de potencia más elevados, las estaciones de carga pueden instalar múltiples de estos puntos para que se puedan recargar varios vehículos a la vez.
En los diseños de cargadores rápidos de CC, minimizar el tiempo de carga al tiempo que se optimiza la eficiencia del sistema es un objetivo principal, esto hace que el rango de tensión y los requisitos de carga sean consideraciones de diseño clave en la selección de componentes. En otras palabras, la densidad de potencia y la eficiencia del sistema son vitales, tanto para los componentes de energía como para los módulos que se utilizan en los cargadores rápidos de CC.
Tomemos el caso de WolfPACK, el módulo de potencia de Wolfspeed diseñado en torno a MOSFET de carburo de silicio (SiC) de 1200 V. Al mismo tiempo que sirve para aplicaciones de carga rápida de VE, su objetivo es maximizar la densidad de potencia y la eficiencia, así como reducir el factor de forma del producto y la complejidad del diseño.
Los dispositivos SiC son el corazón y el alma del módulo de potencia de WolfPACK. (Fuente: Wolfspeed)
Además, mientras que cada conmutador necesita un controlador y cada controlador necesita que lo controlen, los microcontroladores desempeñan un papel importante en el control de la temperatura y la tensión de los diseños de carga de los vehículos eléctricos. Estas MCU funcionan a la par con los controladores de compuerta y los dispositivos de energía para aumentar la eficiencia de la carga.
Carga superrápida de vehículos eléctricos (VE)
Es evidente que las estaciones de carga de vehículos eléctricos ahora son una parte esencial de la infraestructura de la electromovilidad. Aunque está claro que el interés se centra en el SiC, los diseñadores de sistemas de carga de VE pueden seguir utilizando MOSFET de silicio de 650 V para la etapa principal de CC/CC en lugar de los costosos dispositivos de SiC de 1200 V para muchas aplicaciones de carga de vehículos eléctricos. También es importante señalar que los IGBT, como el IKW75N65EH5XKSA1 de Infineon, siguen estando en juego, sobre todo por su ventaja de precio.
Sin embargo, los MOSFET de SiC de 1200 V, como el FF8MR12W2M1B11BOMA1 de Infineon, están optimizados para los diseños de carga de VE. Si añadimos a la mezcla los diodos Schottky basados en SiC, como el IDWD20G120C5XKSA1, tenemos el SiC escrito en todo el mapa de diseño de la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos.
Asimismo, los MOSFET de SiC y los diodos Schottky de Wolfspeed, por ejemplo, el C2M0160120D y el E3D20065D, están diseñados y optimizados para aplicaciones de alta tensión, como la carga de vehículos eléctricos y los convertidores de CC/CC. Estos semiconductores de potencia se adaptan al cambio de la red de supercargadores de 400 V de Tesla a la implementación de la carga rápida de 800 V de CC en el Taycan de Porsche, el EV6 de Kia y los vehículos eléctricos Hummer de General Motors. El fabricante de vehículos eléctricos de lujo Lucid ha superado incluso ese nivel con su arquitectura de 900 V.
Ese aumento de la tensión de la batería ha inclinado sin duda la balanza a favor de los componentes de SiC. También muestra por qué la infraestructura de carga de VE, en especial la tecnología de los cargadores de CC, evoluciona con rapidez.
La ansiedad del conductor, el mayor obstáculo de la electromovilidad, está intrínsecamente ligada a la infraestructura de carga del vehículo eléctrico. Por lo tanto, las innovaciones de diseño en este ámbito, la carga superrápida de los VE que se traduce en un menor tiempo de carga, conducirán de forma inevitable a un aumento de las ventas y la adopción de este tipo de automóviles. De todos modos, los componentes y los elementos esenciales del diseño están ahí.