Soluciones integrales de carga rápida DC de alta potencia

La carga rápida de corriente continua (DC) permite que las baterías se carguen a niveles de potencia más altos, ofreciendo ventajas como una mayor velocidad de carga, menores pérdidas y mayor eficiencia. Puede adaptarse a baterías de gran capacidad, mejorando la usabilidad y conveniencia de los vehículos eléctricos (EV). Con el creciente auge y desarrollo de los vehículos eléctricos, la carga rápida de DC se ha convertido en la tecnología dominante en las aplicaciones de carga actuales para EV, prometiendo un prometedor panorama en el mercado. Este artículo presentará las tendencias de desarrollo en la aplicación de la carga de DC y las soluciones relacionadas introducidas por Arrow Electronics en colaboración con socios como Infineon, ST y otros.

Las perspectivas globales para la carga rápida de corriente directa son prometedoras

El análisis del mercado indica que para 2034 los cargadores rápidos de corriente continua (DC) ocuparán un 33% de la cuota del mercado de estaciones de carga pública. En los Estados Unidos, por ejemplo, la Ley Bipartidista de Infraestructura incluye un programa Nacional de Infraestructura para Vehículos Eléctricos (NEVI) de $5 mil millones durante cinco años.   En Europa, Oriente Medio y África (EMEA), el objetivo es establecer 3.5 millones de puntos de carga para 2030, con inversiones aprobadas de 15 mil millones de euros para infraestructura de combustibles alternativos, incluyendo instalaciones de carga rápida para vehículos eléctricos a lo largo de las Redes Transeuropeas.   En la región de Asia-Pacífico, McKinsey estima que para 2030 el mercado de ASEAN necesitará 95,000 puntos de carga pública de corriente alterna (AC) y 40,000 puntos de carga de corriente continua (DC), lo que representa un aumento de 30 veces en comparación con los números actuales, con China representando más del 90% de esta cuota de mercado.   Las aplicaciones de carga DC cubrirán rangos de potencia típicos de 50 kW a 350 kW. A nivel mundial, el número de cargadores DC alcanzó los 868,000 en 2023, lo que supone un aumento de más del 60% con respecto a los 330,000 en 2022. Según la hoja de ruta para 2030, se proyecta que los EE. UU. tendrán 500,000 cargadores rápidos, mientras que la UE tendrá 3.5 millones de puntos de carga, lo que indica un potencial sustancial de crecimiento del mercado.

Soluciones integrales para cargadores de vehículos eléctricos de 30kW

eInfochips, una subsidiaria de Arrow, es optimista sobre el desarrollo del mercado de carga rápida de corriente continua (DC fast charging) y ha lanzado una solución integral para un cargador de vehículos eléctricos de 30 kW. El diseño del cargador rápido DC de eInfochips es inteligente, conectado y preparado para el futuro.   El cargador rápido DC de eInfochips cuenta con una pantalla HMI grande de 10 pulgadas (brillo de 1000 nits) capaz de emitir notificaciones a través de LEDs y un altavoz. Los LEDs pueden indicar el estado de energía, fallas y el estado de carga, e incluye una salida de altavoz de 3 W para notificaciones al usuario. La gestión remota está habilitada mediante EVWER (propiedad intelectual de eInfochips). El cargador es compatible con los estándares de carga CCS1/CCS2, incorpora un sistema de medición energética de huella ultra compacta y cumple con los estándares OCPP 1.6J/ISO15118 para aplicaciones de carga inteligente/V2G. Incluye protecciones integradas contra sobretensión, sobrecorriente, picos de corriente y otros mecanismos de seguridad del sistema, con una potencia nominal de 30 kW/60 A.   El cargador rápido DC de eInfochips es modular y está compuesto por módulos de potencia y unidades SECC. Ofrece protecciones de entrada como sobretensión/subtensión, sobretemperatura, sobrecorriente, fallas de tierra, dispositivos RCD/CCID, cortocircuito, picos de corriente y apagado de emergencia. Las protecciones de salida incluyen sobretemperatura, sobrecorriente, alta corriente directa (entrada/salida), aislamiento galvánico y monitorización de aislamiento contra choques eléctricos (DC). Cuenta con interfaces de red Ethernet Gigabit y Wi-Fi, soporta comunicación en red OCPP 1.6J, comunicación con vehículos bajo ISO15118, IEC 61851-23 y -24, e integraciones CCS1/CCS2 con capacidades de medición energética.   Esta solución integral de carga para vehículos eléctricos incluye el desarrollo de software/plataformas digitales en soluciones independientes de la nube (Azure, AWS, GCP), la implementación de funciones avanzadas de carga, notificaciones, alertas push, generación de informes y dashboards, así como capacidades de agregación y análisis de datos. Se somete a pruebas de pre-cumplimiento y certificación (CE, FCC, UL, RoHS, REACH) y admite pruebas funcionales, EDVT, pruebas térmicas, pruebas mecánicas, incluyendo IP67, golpes, lavado a presión y radiación UV, además de garantizar calidad y realizar pruebas automatizadas.   Asimismo, esta solución de carga de vehículos eléctricos admite el desarrollo de aplicaciones móviles/web basadas en una plataforma web multi-tenant que permite el desarrollo de aplicaciones móviles multiplataforma para Android/iOS. Incluye diseño full-stack, UI/UX, análisis de aplicaciones y soporte multilingüe. En cuanto al desarrollo de firmware, es compatible con el desarrollo/personalización/pruebas de BSP para sistemas operativos como Linux, RTOS y Android, habilitando aplicaciones de firmware, actualizaciones OTA, ciberseguridad, controladores de dispositivos, HAL, middleware y bibliotecas.   La solución también ofrece servicios de fabricación integrales bajo el modelo de "Diseño a fabricación" (Manufacturing as a Service, MaaS), asistiendo en el diseño de fabricación/ensamblaje, la navegación de la cadena de suministro de componentes y el acceso a más de 15 fabricantes por contrato. Su diseño de hardware cumple con estándares OCPP para el diseño de cargadores de vehículos eléctricos, soportando diseño embebido, industrial, mecánico, así como componentes/BoM, arquitectura, esquemas de PCB, diseño de layouts, integridad de señales, puesta en marcha de placas, diseño de prototipos, DFA/DFM y otros recursos. También ofrece servicios de gestión como la gestión del ciclo de vida del producto, modernización de activos heredados, soporte de niveles L1/L2/L3, NOC 24x7, gestión de SLA, DevOps/CloudOps, etc.

Compatibilidad con soluciones de carga de baterías de alto voltaje de más de 1200V DC

A medida que los voltajes de las baterías de vehículos eléctricos aumentan de 400 V a 800 V, la clasificación de voltaje nominal de los dispositivos de potencia también está aumentando a 1200 V y más para reducir la masa de los cables de cobre y mejorar la densidad de potencia. Para satisfacer esta demanda, Infineon ha introducido la placa de evaluación EVAL-FFXMR20KM1HDR CoolSiC™; Módulo Half-Bridge SiC MOSFET de 2 kV de 62 mm, una placa de driver diseñada para manejar módulos de 62 mm en una configuración de medio puente utilizando la última tecnología CoolSiC™ MOSFET de Infineon. Esta incorpora el driver de compuerta compacto 1ED3890MC12M y dispositivos de etapa de refuerzo para mejorar la potencia de salida del driver con confiabilidad y capacidad de control rápida.   Esta placa de evaluación de módulo medio puente cuenta con un módulo de 62 mm y 2 kV con tecnología CoolSiC™ Trench MOSFET para una conducción de compuerta optimizada con conexiones de compuerta de fuente y sumidero separadas. Utiliza el circuito integrado de driver 1ED3890MC12M o 1ED3890MU12M (X3 digital) con bus I2C para ajustes de parámetros y admite protección de bloqueo por subtensión (UVLO) por hardware. Un diseño de PCB adecuado puede limitar el calentamiento de la PCB durante el funcionamiento, con características como apagado en dos niveles (TLTO) con pendientes ajustables, tiempo de meseta y nivel de meseta, y prevenir ajustes de voltaje negativo en un rango de -5V a 0V. Este dispositivo es una solución lista para usar y plug-and-play, ofreciendo ventajas como ajustes de voltaje positivo alto para frecuencias de conmutación elevadas, con diseño de PCB para limitar el calentamiento durante el funcionamiento, adecuado para aplicaciones en carga de vehículos eléctricos, fotovoltaica y sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), entre otros.   El EiceDRIVER™ 1ED38x0Mc12M Enhanced utilizado en esta placa de evaluación es un circuito integrado de driver de compuerta aislado de canal único de 5.7 kV (rms) con configurabilidad I2C, adecuado para DESAT, apagado suave, UVLO, abrazadera Miller y apagado en dos niveles opcional. Este driver de compuerta es compatible con IGBT, MOSFET SiC y Si de 650 V, 1200 V, 1700 V y 2300 V.   El driver de compuerta admite un voltaje de suministro de salida absoluto máximo de 40 V y corrientes de salida pico típicas de ±3 A, ±6 A y ±9 A para fuente y sumidero, adecuado para conmutación dura o apagado en dos niveles opcional y abrazadera Miller activa. El bus I2C se utiliza para la configuración de parámetros y la lectura de registros de estado, soportando una detección precisa, ajustable y compensada por temperatura de VCEsat (DESAT) con salidas de falla y un apagado suave ajustable del IGBT después de la detección de desaturación, capaz de operar a altas temperaturas ambientales de hasta 125 °C, con apagado por sobretemperatura a 160 °C (±10 °C).   Este driver de compuerta admite una coincidencia estricta de retraso de propagación IC-a-IC (tPDD, máx. = 30 ns), con protección de bloqueo por subtensión en los lados de entrada y salida y una función de apagado activo. El comparador ADC integrado puede generar retroalimentación configurable o comportamiento de apagado por falla, con una alta inmunidad a transitorios en modo común (CMTI) de 200 kV/μs. Está empaquetado en un pequeño y compacto encapsulado DSO-16 de paso fino con una gran distancia de creepage (mayor a 8 mm) y está certificado para cumplir con los requisitos de aplicaciones industriales según las certificaciones de seguridad UL 1577 y VDE 0884-11.

Solución integral de módulo de potencia para cargador de vehículo eléctrico de 30 kW

ST también ofrece una solución completa para cargadores de vehículos eléctricos de 30 kW, que incluye el diseño de referencia de rectificador Vienna PFC de 30 kW con control digital - STDES-30KWVRECT. Este diseño de referencia está diseñado para aplicaciones de rectificadores activos de alta potencia de tres fases (AFE) basados en la topología Vienna de tres niveles, ofreciendo una solución integral de potencia digital.   Utilizando el SCTWA90N65G2V-4 y el STPSC40H12C, la plataforma alcanza una eficiencia máxima superior al 98,5%. Emplea el microcontrolador de alto rendimiento de señales mixtas STM32G474RE para un control digital completo, permitiendo un control integral sobre el factor de potencia, el voltaje de DC y los procedimientos de inicio suave. El STDES-30KWVRECT logra una distorsión armónica total (THD) baja (menos del 5% a plena carga) y un alto factor de potencia (superior a 0,99 a plena carga), mientras proporciona regulación de corriente en modo de conducción continua (CCM) de alto ancho de banda.   Este diseño de referencia incluye un convertidor de potencia CA-CC de tres fases y tres niveles, compatible con un voltaje nominal de CC de 800 V y un voltaje nominal de CA de 400 V con una potencia máxima de 30 kW, y un factor de potencia superior a 0,99, control de corriente de irrupción y inicio suave con THD inferior al 5% durante la operación nominal.   En la sección de potencia basada en MOSFETs SiC y diodos SiC, admite operación de alta frecuencia a 70 kHz, logrando una eficiencia superior al 98,5%. Los MOSFETs SiC paralelos permiten mayor potencia con un reparto equilibrado de corriente, reduciendo el peso y el tamaño de los componentes pasivos.   La sección de control basada en el microcontrolador STM32G474RE incluye interfaces de control y monitoreo como SWD–UART, I²C y DAC, junto con un conector digital de potencia de 64 pines. Indicadores LED de estado sirven como interfaz de usuario, y cuatro amplificadores operacionales de alto rendimiento integrados proporcionan funcionalidad adicional.   Además, ST ha presentado un convertidor DC-DC de 30 kW con MOSFETs SiC utilizando el STM32G4, adecuado para cargadores de vehículos eléctricos. Este módulo de carga DC controlado digitalmente, el diseño de referencia LLC trifásico de 30 kW (STDES-30KWLLC), tiene una potencia de salida nominal de 30 kW, opera a una frecuencia de conmutación de 100-300 kHz y admite voltajes de entrada DC de 650 VDC – 850 VDC y voltajes de salida DC de 200 VDC – 1000 VDC. Alcanza una eficiencia máxima superior al 98% e integra el microcontrolador de alto rendimiento de 32 bits, STM32G474. Operando en modo PFM, ofrece protecciones de entrada como protección contra bajo voltaje (UVP), sobretensión (OVP) y sobrecorriente (OCP), además de soporte de salida para funciones de protección contra sobretensión (OVP) y sobrecorriente (OCP).   Este convertidor, basado en dispositivos SiC de 1200 V y altas frecuencias de conmutación, logra mayor eficiencia usando menos MOSFETs SiC y puede alcanzar más potencia mediante un único convertidor LLC con un amplio rango y alto voltaje de salida.   Otra oferta de ST es el rectificador Vienna trifásico de 30 kW para estaciones de carga de vehículos eléctricos. Acepta voltajes de entrada trifásicos de 345 VAC a 460 VAC en frecuencias que van desde 47 Hz a 63 Hz, con una corriente máxima de entrada de 55 ARMS. El voltaje de salida DC es de 800 VDC, la potencia nominal de salida es de 30 kW, y opera a una frecuencia de conmutación de 70 kHz con una eficiencia máxima superior al 98,7%. Bajo operación a plena carga, el factor de potencia es 0,99, el THD es inferior al 5%, e integra el microcontrolador de alto rendimiento de 32 bits, STM32G474. Este rectificador Vienna trifásico de 30 kW, basado en dispositivos SiC, logra mayor eficiencia, muy baja distorsión armónica total (THD) y menor complejidad de diseño.   También está disponible el LLC paralelo trifásico de 60 kW con control digital para aplicaciones de calentamiento. Opera con voltajes de entrada DC de 650 VDC – 850 VDC y voltajes de salida DC de 200 VDC – 1000 VDC, logrando una potencia nominal de salida de 60 kW con una eficiencia máxima superior al 98%. Como los demás, integra el microcontrolador de alto rendimiento de 32 bits STM32G474 y es una solución basada en dispositivos SiC, ofreciendo mayor eficiencia mientras el LLC paralelo utiliza menos MOSFETs SiC para aplicaciones de mayor potencia con un amplio rango y alto voltaje de salida.   Las soluciones de ST basadas en el STM32G4 y SiC contribuirán a cargadores de vehículos eléctricos de alto rendimiento, incluyendo soluciones completas para PFC y DCDC para alcanzar alta potencia. También proporcionan a los clientes componentes avanzados (MOSFETs SiC, diodos SiC, STGAP, STM32). La solución trifásica de 30 kW alcanza una eficiencia máxima del 98% a 160 kHz y 700 V de salida bajo condiciones de media carga.

Conclusión

La carga rápida de CC está adquiriendo una importancia cada vez mayor y evolucionando rápidamente en las aplicaciones de vehículos eléctricos, desempeñando un papel fundamental en la tecnología moderna de vehículos eléctricos. Los sistemas de carga rápida de CC pueden entregar mayor potencia de carga a las baterías y cargarlas más rápidamente en comparación con la carga de CA. Este avance proporciona un soporte crucial para la proliferación y desarrollo de los vehículos eléctricos, mejorando la experiencia general del usuario y la funcionalidad. Las soluciones descritas en este artículo acelerarán el proceso de diseño de productos de carga rápida de CC para los clientes. Para obtener más información sobre estas tecnologías, por favor contacte directamente con Arrow para explorar más detalles técnicos y discutir cómo estas soluciones pueden integrarse en sus proyectos.