En el gran esquema del transporte humano, los vehículos eléctricos (EV) son un desarrollo relativamente reciente. Los vehículos eléctricos y la tecnología de carga de vehículos eléctricos se han desarrollado juntos, en su mayor parte. Sin embargo, para que los vehículos eléctricos se conviertan realmente en algo común, la tecnología de carga debe ser más rápida. Este artículo explora los componentes básicos del hardware de carga de vehículos eléctricos y cómo las nuevas soluciones de STMicro pueden ayudar con la próxima generación de innovación.
Comprender la tecnología de carga para vehículos eléctricos con batería
Los ingenieros de diseño automotriz se encuentran en una confluencia de tecnologías muy interesante a medida que entramos en una nueva década. La tecnología de baterías ha llegado a un punto en el que se pueden desarrollar vehículos eléctricos con cantidades significativas de energía almacenada para llevar a los ocupantes del vehículo de A a B, ofreciendo al mismo tiempo una experiencia de conducción emocionante y familiar. Paralelamente, la tecnología de semiconductores proporciona niveles cada vez mayores de precisión de medición, incorporada en los sistemas de administración de la batería (BMS) actuales, mientras que la tecnología de conmutación de próxima generación nos permite alcanzar los últimos puntos porcentuales de mejora de la eficiencia en los sistemas de conversión de energía a medida que fluye la energía a los neumáticos durante la conducción y a la batería durante la carga. Esto garantiza que más energía que nunca contribuya de manera útil.
A pesar del crecimiento de la capacidad de las baterías a medida que los vehículos eléctricos de batería (BEV) han madurado, la ansiedad por la autonomía sigue siendo la mayor barrera para su adopción, según los gestores de flotas del Reino Unido. El 80 % afirma que esta es su principal preocupación, lo que les lleva a considerar los BEV solo para determinados conductores dentro de sus flotas. Además, el 41 % afirmó que la infraestructura de carga era un problema a adoptar, a pesar de que solo el 3 % de la carga se realiza en la carretera (en comparación con el 60 % en el trabajo y el 30 % en casa).
Sin embargo, hablar con usuarios reales revela una imagen diferente. Los conductores describen haber realizado viajes largos en sus BEV entre ciudades y no estar más preocupados por llegar a su destino que en un vehículo con motor de combustión interna (ICE). Las redes de estaciones de carga de alta velocidad garantizan que una parte importante de la batería pueda cargarse en un tiempo razonable, compatible con el tiempo de recarga en las gasolineras mediante un cargador CC ultrarrápido. Y, por supuesto, los fabricantes de vehículos integran planificadores de viajes en sus sistemas de navegación que garantizan que el tiempo y el lugar necesarios para la carga se reflejen en la ruta elegida y la duración del viaje.
El estado de carga de BEV
Como ya se destacó, muchos BEV se cargan mientras están estacionados cuando sus propietarios están en casa o en el trabajo. Esto garantiza que la carga se pueda realizar sin presión de tiempo, lo que significa que se puede utilizar la toma de CA estándar para cargar el vehículo (Figura 1). Las soluciones de carga de este tipo se encuentran en el Nivel 1 de la clasificación de equipos de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE). La solución consiste en un convertidor CA/CC integrado en el vehículo, que garantiza que se genere la tensión CC correcta para cargar la batería y, al mismo tiempo, monitorea fallas para proteger el vehículo. Estos se conocen comúnmente como cargadores de a bordo (OBC). Esto supone una alimentación monofásica de 120 VCA capaz de suministrar hasta 16 A (<2 kw).="" suponiendo="" que="" se="" trate="" de="" una="" toma="" de="" corriente="" doméstica,="" esto="" significaría="" que="" una="" batería="" de="" 35="" kwh="" necesitaría="" mucho="" más="" de="" medio="" día="" para="" cargarse="" completamente="" desde="">
Figura 1: Las opciones de carga de HEV y BEV enchufables se dividen en cargadores de CA a bordo y cargadores de CC externos
Las soluciones de nivel 2 utilizan suministros bifásicos de 240 VCA que pueden suministrar hasta 80 A (< 20="" kw).="" esto="" requiere="" acceso="" a="" estaciones="" de="" carga="" exclusivas,="" pero="" reduce="" los="" tiempos="" de="" carga="" a="" unas="" seis="">
Para ofrecer niveles de potencia superiores a esto es necesario pasar a la carga de CC. Aquí la CA entrante se convierte en CC en una solución permanente, conocida como pila de carga y de diseño similar a una bomba de combustible, que entrega hasta 1000 VCC a 400 A (máx. 400 kW). En estos niveles de potencia, la capacidad del sistema de batería para aceptar la carga disponible se convierte en el factor limitante, por lo que un automóvil familiar de tamaño mediano podría cargarse a 50 kW y ganar 90 millas (144 km) por media hora.
Todos estos enfoques estandarizados están cubiertos en las normas SAE J1772 "Acoplador de carga conductivo para vehículos eléctricos híbridos enchufables y vehículos eléctricos SAE" y SAE J3068 "Sistema de transferencia de energía para vehículos eléctricos mediante un acoplador con capacidad trifásica" que cubren el mercado de Norteamérica. Así también define el 'J Plug', el conector eléctrico utilizado en este mercado.
Por supuesto, los proveedores de soluciones de carga preferirían tener una especificación única con la que puedan diseñar, construir y probar cargadores para BEV. Esto debería cubrir no solo las tensiones y potencias soportadas, sino también los conectores e interfaces de comunicación para detectar las necesidades de batería del vehículo y soportar la facturación.
Para satisfacer esta necesidad, CharIN e incluye enfoques de carga tanto de CC como de CA. La especificación del Sistema de Carga Combinada (CSS) del grupo V., un estándar abierto que fomenta un sistema de carga universal a nivel mundial. Esto incorpora todos los estándares existentes, tanto los mencionados anteriormente como IEC 61851 e IEC 62196. Esto también ha llevado a la estandarización de los conectores utilizados. Norteamérica se ha unido en torno al sistema Tipo 1 y Combo 1, mientras que Europa ha seleccionado el Tipo 2 y el Combo 2, con el enchufe/enchufe proporcionando solo CA y soporte CA/CC respectivamente.
CSS todavía se está desarrollando activamente con la organización contactando sobre temas como la carga inalámbrica, la carga de potencia alta para vehículos comerciales (HPCCV) y los dispositivos de conexión automatizados (ACD) para soluciones de conexión debajo de la carrocería.
Otras regiones y proveedores han adoptado enfoques diferentes. Los proveedores automotrices japoneses han definido su sistema CHAdeMO, mientras que GB/T es el sistema comúnmente utilizado en China. Algunos fabricantes de automóviles tienen su propio sistema patentado.
Implementación de carga rápida de CC
Para que cargar nuestro BEV sea tan fluido y sencillo como repostar nuestros vehículos actuales, los cargadores rápidos de CC deben proporcionar cantidades significativas de energía. A su vez, esto exige que también estén provistos de fuentes de energía trifásicas adecuadas para poder lograrlo. Es probable que esta clase de cargador BEV de mayor rendimiento se ubique en estaciones de servicio de autopistas, proporcionando el rápido impulso de carga necesario a lo largo de la ruta de viajes más largos. Los BEV de mejor rendimiento del mercado actual son capaces de alcanzar el 80 % de su carga con un cargador de CC de 150 kW en solo 33 minutos (alcance máximo de 420 km) y, con un límite superior definido de 350 kW para este tipo de cargador, todavía hay potencial para velocidades aún más rápidas.
En estos niveles de potencia, la eficiencia será clave y los desafíos no deben subestimarse. Las pérdidas serán importantes no solo en el sistema eléctrico sino también en el cable entre la pila de carga y el vehículo. Esto puede incluso requerir refrigeración líquida desde el cargador hasta el enchufe, algo que deberá tenerse en cuenta en el diseño general.
Los cargadores rápidos de CC normalmente se implementan de dos maneras: ambas utilizan una etapa de CA/CC seguida de un convertidor CC/CC. El primero toma la CA trifásica entrante y la convierte en una tensión de CC fijo, alrededor de 800 V, con la etapa del convertidor CC/CC configurando la salida para satisfacer las necesidades de la batería integrada en el vehículo. En el segundo enfoque, la etapa CA/CC negocia la tensión requerida por el vehículo, generando una salida CC variable que es utilizada por el convertidor CC/CC (Figura 2). Se considera que ningún enfoque proporciona una ventaja clara sobre el otro; en cambio, la clave es más bien la implementación de cada etapa, específicamente con un enfoque en la mayor eficiencia. La unidad de carga completa estará formada por varias subunidades que, combinadas, entregan la potencia de carga objetivo. Esto facilita la construcción, garantiza que la pila de carga siga funcionando si falla una subunidad y simplifica las reparaciones y actualizaciones.
Figura 2: Arquitectura de un diseño de cargador de CC rápido, con un enlace de CC de tensión fija o variable
Se puede considerar una variedad de topologías que ofrecen una eficiencia superior para la etapa CA/CC, pero el rectificador Viena para la rectificación y corrección del factor de potencia (PFC) es un fuerte competidor. También puede generar una tensión de salida variable si es necesario. El diseño es robusto, incluso en condiciones de falla, capaz de mantener su rendimiento incluso con una pérdida de fase. Si falla el circuito de control de conmutación, tampoco existe riesgo de que se produzca un cortocircuito. El diseño de tres niveles modulado por ancho de pulso (PWM) se puede implementar con dos diodos en la ruta entrante (Tipo 1) o un solo diodo (Tipo 2).
El enfoque Tipo 1 solo requiere dispositivos con clasificación de 650 V, lo que genera un costo general más bajo para los interruptores seleccionados pero, debido a los dos diodos en la ruta de corriente principal, la máxima eficiencia posible se ve afectada. En comparación, el diseño Tipo 2 puede lograr mayores eficiencias con su diseño de diodo único, pero esto exige que se utilicen diodos con capacidad de 1200 V (Figura 3). Esto puede obligar a seleccionar la tecnología de carburo de silicio (SiC), algo que afectará el costo total.
Figura 3: El rectificador Viena destaca por su alta eficiencia y robustez como rectificador PFC y CA.
En el diseño Tipo 2, un diodo como el STBR6012W es muy adecuado. Un dispositivo de silicio (Si), soporta una tensión repetitiva inversa (VRRM) de 1200 V y una corriente directa promedio (IF(AV)) de 60 A. Se suministra en un™ paquete ECOPACK para cumplir con los requisitos ambientales, el esquema DO-247 es fácil de acomodar en diseños con refrigeración tanto pasiva como activa. También se podría considerar el diodo Schottky de potencia de SiC STPSC40H12C de 1200 V. Alojado en un paquete LL TO-247, proporciona un IF(AV) de 2 x 20 A. Gracias a la estabilidad del SiC sobre la temperatura, sus características de conmutación permanecen notablemente consistentes, mientras que la alta capacidad de sobretensión directa es ideal durante las fases transitorias.
Los interruptores se pueden implementar utilizando la serie HB de alta velocidad de IGBT (STGW40H65DFB-4) que proporciona una conmutación más rápida gracias a un pin Kelvin que separa la ruta de alimentación y la señal de conducción. Alternativamente, se podrían utilizar los MOSFET de alimentación de la serie M5 de 650 V que utilizan tecnología MDmesh™. Este innovador proceso vertical reduce la resistencia, ideal para las altas potencias y el objetivo de alta eficiencia que se exige aquí. Finalmente, los MOSFET de potencia de SiC de 650 V, como el SCTW90N65G2V-4, con sus 18 mΩ RDS (encendido) puede manejar cómodamente 90 A de corriente de drenaje a 100 °C.
Estas opciones pueden ofrecer eficiencias máximas de hasta el 99,4 % en frecuencias de conmutación de 20 kHz (simuladas a 125 °C, solo pérdidas de semiconductores), superando marginalmente el enfoque Viena Tipo 1 gracias al diodo único en la ruta de corriente principal (Figura 4).
Figura 4: Las simulaciones muestran que los MOSFET de SiC proporcionan la mayor eficiencia en el diseño Viena Tipo 2.
Otros enfoques incluyen el uso de tres impulsores de PFC monofásicos o un diseño de PFC Totem Pole (Figura 5). El amplificador monofásico es elegante por su simplicidad y es capaz de alcanzar >98 % de eficiencia a 1200 W para una entrada de 230 VCA. La CA entrante se rectifica mediante un rectificador (STBRxx12W) o tiristores (SCR), alimentando un interruptor, un inductor y un diodo. Los MOSFET y diodos de SiC proporcionan la combinación óptima, proporcionando la tensión operativa de 1200 V necesario para las altas tensiones del enlace de CC involucrados. El control se puede implementar utilizando un controlador PFC en modo de corriente continua (STNRGPF01) o, si se exige más inteligencia, un microcontrolador STM32.
Más exigente en el lado del control, el Totem Pole PFC requiere un microcontrolador, especialmente cuando se implementa una pata MOSFET o SCR en lugar de solo diodos. La MCU (STM32 o SPC58) se puede acoplar con un STGAP2S, un controlador de puerta única de carril a carril con capacidad de 4 A y un retardo de propagación de 80 ns, lo que permite una alta precisión de control PWM. También proporciona una función de abrazadera Miller para evitar picos en la puerta durante conmutaciones rápidas.
Figura 5: Los enfoques alternativos para la etapa AC/DC incluyen Booster PFC (izquierda) y variaciones en Totem Pole PFC (derecha – SCR sin relé)
La etapa DC/DC
La tensión del enlace CC pasa a la etapa CC/CC. Una solución a esto podría ser el uso de un convertidor LLC resonante. La implementación adicional de conmutación de tensión cero (ZVS) contribuye a su conocida eficiencia superior y ofrecen una densidad de potencia alta. Este enfoque admite un suministro de enlace de CC variable e integra uno de los inductores del lado primario en el transformador que también proporciona aislamiento galvánico. A partir de aquí se pueden alcanzar normalmente tensiones de batería en el rango de 200 V a 500 V.
Alternativamente, se podría considerar un puente activo dual (DAB) con LLC bidireccional. Cada vez más, se promociona el vehículo a la red (V2G) o el vehículo al edificio (V2B) como una forma de utilizar la masa pendiente de baterías BEV para complementar la red eléctrica durante los momentos de máximo uso o momentos de corte de energía. Esta topología tiene más sentido en cargadores de CC de potencia media que cargan BEV en aparcamientos a lo largo del día.
La MCU mencionada anteriormente (STM32 o SPC58) y los dispositivos controladores aislados también son muy adecuados para el control del sistema y como controlador de interruptor. Gracias a su bajo RDS (encendido), los MOSFET de SiC, 600 V o 1200 V dependiendo de la tensión de salida objetivo, se prestan a esta etapa CC/CC, siendo robustos y adecuados para diseños compactos. Luego, el LLC resonante puede utilizar diodos de SiC de 1200 V en una configuración ZVS o diodos de recuperación suaves y ultrarrápidos de 600 V, como el STTH30RQ06, que proporciona capacidad de temperatura de unión alta y resistencia térmica y de corriente inversa baja.
STMicroelectronics está desarrollando una placa de evaluación de cargador de 7 kW que se puede apilar con dos placas más del mismo diseño para demostrar una solución de carga de CC de 21 kW (Figura 6). Este diseño particular se basa en un PFC de tótem entrelazado, que utiliza MOSFET de SiC, y un convertidor CC/CC LLC de puente completo entrelazado, que utiliza MOSFET de silicio de superunión de 650 V (Figura 7). Con la carga a bordo como una de las aplicaciones objetivo, la placa utiliza un microcontrolador de rendimiento SPC58 N Line calificado para automóviles. Además de estar diseñado para cumplir con el nivel de seguridad ASIL-D, lo que lo hace ideal para aplicaciones BEV, admite una amplia gama de interfaces de redes automotrices. El módulo de seguridad de hardware (HSM) integrado también podría usarse para brindar protección y seguridad para las actualizaciones inalámbricas (OTA) o incluso el sistema de facturación para las pilas de carga.
Figura 6: El módulo de cargador integrado de 7 kW demuestra la capacidad de las tecnologías de microcontrolador SPC58, controlador, tiristor y MOSFET de silicio y SiC
Figura 7: Esquema del diseño del cargador a bordo de 7 kW, incluidos PFC e Interleaved FB LLC
Los BEV están alcanzando la mayoría de edad, pero todavía hay cierta oposición por parte de los consumidores debido a la percepción de falta de infraestructura de carga y de tiempos de carga. Organizaciones como CharIN están reuniendo a expertos relevantes de la industria para garantizar que se definan estándares y que el mayor número posible de países los firmen. Esto ayuda a garantizar que el tamaño del mercado de soluciones de carga de BEV sea lo suficientemente grande como para lograr economías de escala. Al mismo tiempo, los avances en el diseño de MOSFET, junto con la introducción de SiC tanto para interruptores como para diodos, están permitiendo a los ingenieros de diseño diseñar e implementar las soluciones de carga rápida de CC que la industria automotriz necesita, al mismo tiempo que garantizan los niveles más altos posibles de eficiencia que cumplen con especificaciones desafiantes. Socios como STMicroelectronics no solo proporcionan la electrónica más moderna necesaria Componentes pero, a través de sus juntas de evaluación, conocimientos y conocimientos técnicos muy necesarios sobre esta apasionante tecnología automotriz.