Análisis de la arquitectura de carga de vehículos eléctricos y soluciones de protección de seguridad

El mercado global de aplicaciones para la carga de vehículos eléctricos está experimentando un crecimiento exponencial

Para apoyar los objetivos de neutralidad de carbono ambiental de varios gobiernos, el mercado global de aplicaciones de carga de vehículos eléctricos está experimentando un crecimiento exponencial, y se espera que los cargadores de 250kW y 350kW aumenten en un 33%. Las aplicaciones de carga de vehículos eléctricos tienen requisitos técnicos específicos, como la necesidad de una capacitancia de aislamiento ultra baja, típicamente inferior a 5pF, preferiblemente 3pF. Además, los diseños deben considerar los requisitos de inmunidad a transitorios de modo común (CMTI). Con el aumento continuo de la frecuencia de conmutación, la nueva generación de carburo de silicio (SiC) ahora requiere niveles más altos de inmunidad a dV/dt. En términos de descarga parcial, el SiC debe ser capaz de soportar 1200V, y ciertas aplicaciones incluso pueden aumentar a 1500V.

Además, con la adopción generalizada de los vehículos eléctricos, la tecnología de carga rápida ha mejorado significativamente. Por ejemplo, la tecnología de Carga Rápida de Corriente Directa (DCFC, por sus siglas en inglés) puede cargar completamente una batería en un periodo corto, mejorando la comodidad y la experiencia del usuario.

Por lo tanto, la investigación y aplicación de tecnologías de baterías de alta eficiencia son cruciales. Por ejemplo, la aparición de nuevas tecnologías de baterías, como las baterías de iones de litio y las baterías de estado sólido, han mejorado significativamente la densidad energética y la eficiencia de carga/descarga.

Para atraer a más consumidores a comprar vehículos eléctricos y aprovechar las oportunidades en el mercado de estaciones de carga, los gobiernos y las empresas están aumentando las inversiones en infraestructura de carga. Esto incluye la expansión del número de estaciones de carga y postes de carga para satisfacer la creciente demanda de vehículos eléctricos. Además, la aplicación de sistemas inteligentes de gestión de carga está ganando más terreno, permitiendo maximizar la eficiencia de carga y la gestión inteligente del equipo de carga.

Con el desarrollo y la aplicación de las energías renovables, los sistemas de carga de vehículos eléctricos también están comenzando a integrar fuentes de energía renovable, como las estaciones de carga solar y las instalaciones de carga con energía eólica, reduciendo aún más las emisiones de carbono del proceso de carga. Además, la tecnología de carga inalámbrica es una dirección importante para el desarrollo futuro. A través de sensores y campos electromagnéticos, es posible cargar vehículos eléctricos sin necesidad de conectarlos, mejorando la conveniencia para los usuarios y la seguridad de la carga.

Una arquitectura integral de carga para vehículos eléctricos garantiza una carga rápida y segura

La arquitectura tecnológica para la carga de vehículos eléctricos (VE) incluye varios componentes y tecnologías clave, entre ellos el cargador, el sistema de control de carga, la interfaz de carga, la red de carga, los sistemas inteligentes y la protección de seguridad para el equipo de carga. Estos componentes trabajan juntos para garantizar que la carga de vehículos eléctricos sea eficiente, efectiva y segura.

El cargador es el dispositivo que convierte la corriente alterna (AC) en corriente continua (DC) para cargar la batería del vehículo eléctrico (EV). Los tipos de cargadores incluyen cargadores domésticos, estaciones de carga públicas, cargadores rápidos y cargadores a bordo. Los cargadores domésticos se utilizan típicamente en residencias o lugares de trabajo, con niveles de potencia más bajos y velocidades de carga más lentas. Las estaciones de carga públicas están ubicadas en lugares públicos o áreas comerciales para uso general. Los cargadores rápidos tienen salidas de potencia más altas, lo que permite una carga rápida para mejorar la eficiencia y la comodidad. Los cargadores a bordo están instalados dentro de los vehículos para cargar la batería o dispositivos electrónicos internos.

El sistema de control de carga gestiona la corriente y el voltaje durante el proceso de carga para garantizar una carga segura y el funcionamiento normal de la batería del vehículo eléctrico (EV). Monitorea la temperatura, el voltaje y la corriente de la batería, y ajusta la velocidad de carga según sea necesario para prevenir la sobrecarga o la descarga excesiva.

La interfaz de carga es el punto de conexión entre el vehículo eléctrico y el equipo de carga, generalmente ubicado en la carrocería del vehículo o en el puerto de carga. Las interfaces de carga comunes incluyen Tipo 1, Tipo 2, CHAdeMO, CCS y otros estándares, que pueden variar según la región y el tipo de vehículo.

La red de carga comprende estaciones de carga, puntos de carga y sistemas de gestión de carga, formando toda la infraestructura de carga. Los sistemas inteligentes utilizan conectividad a internet, software y sensores para permitir una gestión inteligente, monitoreo remoto y servicios para los usuarios, mejorando la eficiencia y la comodidad del sistema de carga.

El equipo de carga está típicamente equipado con características de protección de seguridad, como protección contra sobrecorriente, protección contra sobretensión y protección contra sobrecalentamiento, para garantizar la seguridad y confiabilidad durante el proceso de carga. Los sistemas de carga de vehículos eléctricos suelen incorporar diseños para impermeabilidad, resistencia al polvo y prevención de incendios, para satisfacer las diversas demandas de uso en diferentes entornos y escenarios.

Estos componentes y tecnologías forman colectivamente la arquitectura técnica para la carga de vehículos eléctricos, proporcionando la infraestructura y la garantía de seguridad necesaria para la carga de vehículos eléctricos. 

Garantizar la seguridad y fiabilidad de la carga de vehículos eléctricos es importante

Durante el proceso de carga, es necesario considerar y abordar varios aspectos críticos de la seguridad y la arquitectura de protección, incluyendo la seguridad del equipo de carga, la protección de la batería, el diseño de prevención de incendios y explosiones, los métodos adecuados de carga, el entorno de carga y los procedimientos operativos, para garantizar la seguridad y la fiabilidad del proceso de carga.

En cuanto a la seguridad del equipo de carga, es esencial usar dispositivos de carga calificados y certificados, evitando equipos dañados o no autorizados para garantizar la seguridad del proceso de carga. Las inspecciones y el mantenimiento regular del equipo de carga también son fundamentales para asegurar su correcto funcionamiento y rendimiento de seguridad, como verificar el estado de las estaciones de carga, los cables de carga y las interfaces.

La protección de seguridad de la batería también es fundamental. Durante el proceso de carga, es importante asegurarse de que la temperatura y el voltaje de la batería permanezcan dentro de rangos seguros, evitando el sobrecalentamiento, el enfriamiento excesivo, la sobrecarga o la descarga excesiva. Es esencial utilizar equipos de carga equipados con Sistemas de Gestión de Baterías (BMS), ya que estos pueden monitorear y regular la corriente y el voltaje durante la carga, garantizando la seguridad y la longevidad de la batería.

Además, el equipo de carga debe incorporar diseños para la prevención de incendios y explosiones, como medidas de seguridad contra cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones, para reducir el riesgo de incendios y explosiones. El uso de materiales resistentes al fuego y a prueba de explosiones, junto con diseños estructurales, también mejora la seguridad y la fiabilidad del equipo de carga.

Además, es crucial seleccionar el método de carga y el equipo de carga adecuados según el modelo y las especificaciones del vehículo eléctrico para evitar problemas de seguridad causados por métodos de carga inapropiados. Se debe evitar la carga a alta velocidad prolongada o la descarga excesiva para garantizar la seguridad y la longevidad de la batería.

During the charging process, it's important to ensure that both the charging equipment and battery are in a safe environment, avoiding damp, high-temperature conditions, or charging in areas with explosion risks. When operating charging equipment, it's essential to stay focused and follow operational guidelines to prevent safety hazards due to operational errors or improper handling.

Convertidor DC-DC de accionamiento de compuerta para cargadores de vehículos eléctricos

Murata ha introducido una gama de convertidores DC-DC para controladores de puerta específicamente diseñados para circuitos de controladores de puerta, que a menudo se utilizan en soluciones de energía renovable, control de movimiento, movilidad y atención médica. Estos productos cuentan con una capacitancia de aislamiento ultra baja de 3pF, voltajes de salida dual optimizados para controladores de puerta IGBT/SiC y MOS, con una tensión máxima de enlace DC de 3KV. Ofrecen alta fiabilidad frente a descargas parciales y una alta inmunidad a interferencias dv/dt, de hasta 80kV/µS a 1.6kV. Los principales productos adecuados para aplicaciones de carga de vehículos eléctricos incluyen las series MGJ1 SIP, MGJ2B, MGJ1/MGJ2, MGJ3/MGJ6, NXE y NXJ.

La serie MGJ1 SIP recientemente introducida y la serie MGJ2B de Murata son ideales para alimentar circuitos de control de puerta "lado alto" y "lado bajo" para IGBT/MOSFET, SiC y GaN en circuitos de puente. Elegir voltajes de salida asimétricos permite niveles de conducción óptimos, lo que resulta en una eficiencia del sistema óptima y un control de EMI. Las series MGJ1 SIP y MGJ2B se caracterizan por cumplir con los altos requisitos de aislamiento y dv/dt comunes en los circuitos de puente utilizados en accionamientos de motores e inversores. Sus altas calificaciones de temperatura de funcionamiento y estructura robusta ofrecen una vida útil extendida y confiabilidad.

Las series MGJ1 SIP y MGJ2B cuentan ambas con una tensión de resistencia de barrera continua de 2.4kV, junto con distancias de línea de fuga y separación de 6mm. El voltaje de salida optimizado está diseñado para cumplir con los requisitos de los dispositivos líderes IGBT/SiC y MOSFET. La serie MGJ1 SIP admite un aislamiento reforzado con una clasificación de 300Vrms y una potencia de 1W, mientras que la serie MGJ2B admite un aislamiento reforzado con una clasificación de 300Vrms y una potencia de 2W.

Tanto la serie MGJ1 SIP como la serie MGJ2B ofrecen voltajes de salida bipolares optimizados para controladores de compuertas IGBT/MOSFET, SiC y GaN. El aislamiento reforzado cumple con la aprobación UL62368-1, aunque aún está pendiente el cumplimiento de estándares como ANSI/AAMI ES60601-1, 1 MOPP/2 MOOP. La serie MGJ1 SIP se somete a pruebas de resistencia con un voltaje de aislamiento de 5.2kVDC, mientras que la serie MGJ2B se somete a pruebas con un voltaje de aislamiento de 5.4kVDC. Ambas series cuentan con una capacitancia de aislamiento ultra baja y admiten voltajes de entrada de 5V, 12V, 15V y 24V.

La serie MGJ1 SIP ofrece opciones de salida tales como +6V/-3V, +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-9V, +18V/-2.5V y +20V/-5V. La serie MGJ2B ofrece opciones de salida que incluyen +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +15V/-15V, +17V/-9V, +18V/-2.5V, +18V/-5V3, +20V/-3.5V y +20V/-5V. Ambas series operan a temperaturas de hasta 105°C, con una Inmunidad Transitoria de Modo Común (CMTI) que supera los 200kV/µS. También soportan un voltaje continuo de aislamiento de barrera de 2.4kVDC y presentan características de rendimiento de descarga parcial, utilizando factores de forma de paquete SIP.

Conclusión

La seguridad de la carga de vehículos eléctricos es un aspecto crucial para garantizar el funcionamiento normal de los vehículos eléctricos y la seguridad del usuario. Requiere una consideración integral de la seguridad del equipo de carga, la gestión de baterías, el diseño de prevención de incendios y explosiones, y las operaciones de carga correctas. Abordar eficazmente estos aspectos puede mejorar la seguridad y la fiabilidad del proceso de carga. La arquitectura y el sistema de protección de seguridad para la carga de vehículos eléctricos descritos en este artículo pueden implementarse utilizando una serie de convertidores DC-DC de Murata.