El mercado automotriz global está experimentando una transición masiva hacia los vehículos eléctricos. Hasta ahora, los motores de combustión interna han ido mejorando su tren de potencia para adaptarse lo mejor posible a normas sobre emisiones. Las normas sobre emisiones, las tecnologías de comodidad y la conducción autónoma han llevado a más electrificación dentro de los automóviles. Con el aumento del número de unidades electrónicas se ha producido también el aumento del consumo de energía para un vehículo; las tensiones de las baterías han evolucionado para cumplir con requerimientos de consumo y vienen combinadas con eficientes sistemas de alimentación. Descubra los MLCC automotrices de alta tensión de Samsung Electro-Mechanics que abarcan las últimas exigencias de tren de potencia en el vídeo Tech Snacks a continuación. En este artículo, destacaremos la utilización de aplicaciones de alta tensión dentro de la tecnología de vehículos eléctricos.
Electrificación del vehículo y tensiones de la batería
El aumento de la tensión de la batería del automóvil está relacionado con la tendencia a la electrificación. Para entender la tendencia a la electrificación, primero debemos recordar cómo ha cambiado la tensión de la batería de un automóvil. Antes de mediados de los años 50, la tensión de funcionamiento de un vehículo era de 6 V. Desde entonces, las cilindradas de los motores aumentaron y requirieron un gran motor de arranque eléctrico. El sistema de 12 V se estandarizó ante la necesidad de más dispositivos electrónicos. Históricamente, los primeros automóviles solo necesitaban una pequeña batería para arrancar el motor y encender la radio.
Sin embargo, a medida que el número de dispositivos electrónicos en el vehículo ha aumentado con el tiempo, también lo ha hecho la necesidad de más potencia. Para resolver este problema, se discutió la posibilidad de aumentar la tensión de 12 V a un sistema de mayor tensión capaz de hacer frente a la demanda de potencia adicional. En la década de 1990, se propuso el sistema de 42 V, y en 2011, los fabricantes de automóviles alemanes convirtieron los 48 V en el estándar. Desde entonces, los automóviles híbridos y los vehículos eléctricos han empezado a utilizar tensiones más altas. Potencia (watt) es tensión (V)*corriente (A). Para aumentar la potencia, es más eficaz aumentar la tensión que la corriente. Cuando se aumenta la corriente, se necesitan cables más gruesos y también hay que cambiar los pines de los conectores. Ambas cosas repercuten en el costo del hardware. Por eso, se aumentó la tensión de la batería en lugar de la corriente.
Aumento de la tensión de la batería, sistema híbrido suave de 48 V
La principal razón por la que surgió el sistema de 48 V en la década de 2010 fue la regulación de las emisiones. Los fabricantes de automóviles que producen motores de combustión interna tuvieron que alcanzar sus objetivos de emisiones y aumentar la eficiencia del combustible mediante la mejora de los trenes motrices. Se dice que el híbrido suave (MHEV) es un sistema híbrido sencillo y económico. La razón por la que los fabricantes de automóviles prefirieron el MHEV es su facilidad de fabricación. El sistema MHEV se puede fabricar añadiendo un sistema de 48 V a la cadena cinemática del motor de combustión interna existente, lo que permite reducir las emisiones con un costo inferior al de un híbrido completo. Pero la pregunta sigue siendo: ¿por qué se eligió el sistema de 48 V? La razón es que, en muchos países, 60 V se considera una tensión baja y no peligrosa para el cuerpo humano. Además, las líneas telefónicas han utilizado sistemas de alimentación de 48 V durante los últimos 100 años, lo que demuestra aún más el aspecto de seguridad de los sistemas de 48 V en los vehículos.
Aplicación de la alta tensión en el automóvil eléctrico
La configuración básica de la cadena cinemática de los vehículos eléctricos consta de batería de alta tensión, inversor y motor eléctrico. Las cadenas cinemáticas de los VE utilizan alta tensión. La eficiencia de un VE está ligada a la eficiencia del convertidor CC/CC. Los automóviles eléctricos tienen varias aplicaciones de conversión de potencia, como LDC, OBC e inversor. Se están aplicando diversas topologías de convertidores CC/CC para integrar aplicaciones similares. Por ejemplo, se están desarrollando OBC (On Board Charger) y LDC (Low-Voltage DC/DC Converter) para la integración de sistemas que tienen la ventaja de reducir componentes y ahorrar espacio.
Estructura MLCC de alta tensión para garantizar la fiabilidad
¿En qué se diferencia la estructura de los MLCC de alta tensión de la de los MLCC generales? La fiabilidad debe estar garantizada en entornos de alta tensión. Los MLCC aplicados a aplicaciones de alta tensión están expuestos al riesgo de sobrecarga por arco y puede producirse un cortocircuito en el interior del MLCC. Bajo alta tensión, se forma un fuerte campo eléctrico alrededor del MLCC, que ioniza el aire circundante. En particular, se concentra un fuerte campo eléctrico en ambos terminales del MLCC. Si supera la tensión de inicio del aire ionizado, se producen arcos eléctricos que, en última instancia, provocan un cortocircuito en el interior del MLCC. La estructura que evita este fenómeno es un diseño de blindaje en el interior del MLCC.
El diseño flotante es un diseño que reduce el riesgo de cortocircuito cuando se produce una fisura en el MLCC, pero también es útil para productos de alta tensión. La estructura flotante distribuye la tensión de modo que la tensión en el interior del MLCC es solo la mitad de la tensión aplicada a los terminales finales. Por ejemplo, cuando se aplican 1000 V a ambos extremos del MLCC, si se utiliza el diseño flotante solo se aplican 500 V a la capa dieléctrica del MLCC, que es la mitad de 1000 V. Es una ventaja desde el punto de vista de la fiabilidad porque el campo eléctrico aplicado entre las capas dieléctricas disminuye. La tensión junto con la temperatura son factores clave para determinar la vida útil de los MLCC.
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