Los vehículos eléctricos (VE) existen desde hace tanto tiempo como los vehículos a gasolina, pero solo en años recientes han logrado avances significativos para reemplazar los vehículos tradicionales. Existe un esfuerzo para que los VE sean el vehículo predominante en las calles lo antes posible. La UE ha ordenado específicamente la prohibición de los vehículos de combustión interna para 2035, lo que demuestra la seriedad de su intención. Con avances sustanciales en la tecnología de VE y un apoyo significativo del gobierno, la expectativa es que la demanda de VE se dispare. A medida que los VE se conviertan en el medio de transporte predominante, mejorar la autonomía de la batería y la velocidad de carga serán fundamentales para la economía mundial. La evolución de los sistemas de carga de VE también requerirá avances en diversas áreas, lo que incluye la administración térmica.
Cargadores de VE de CA versus CC
A medida que crece la necesidad de contar con cargadores más rápidos, se han producido algunos importantes cambios en el enfoque. Un cambio significativo es la tendencia hacia los cargadores de CC. Si bien todos los sistemas de baterías funcionan con electricidad de CC, la distinción clave radica en dónde se produce la rectificación de energía de CA a CC. Los cargadores de CA tradicionales, que se encuentran comúnmente en entornos residenciales o comerciales, actúan como conectores que regulan y rastrean el flujo de energía de CA hacia el vehículo, pero luego permiten que la rectificación se realice a bordo del propio VE. Los cargadores de CC, por otro lado, realizan la rectificación de manera externa en una unidad de carga estacionaria, y proporcionan energía de CC de alta tensión de forma directa al vehículo. Este cambio elimina muchas limitaciones de peso y tamaño, al trasladar el hardware de acondicionamiento de potencia fuera del VE, ya que el circuito de carga no será móvil ni una parte integral del vehículo.
Figura 1: Los cargadores de CC son significativamente más rápidos, pero más complejos y generan más calor (Fuente de la imagen: CUI Devices)
Al eliminar estas limitaciones, los cargadores de CC pueden ser más complejos, utilizar más componentes y de mayor tamaño, lo que mejora su producción de corriente y tensión de funcionamiento. Sin embargo, estos cargadores, al manejar mayores cantidades de energía, generan un calor significativo. Si bien los filtros y resistores contribuyen a la generación de calor, el principal disipador de calor en los sistemas de carga de VE es el transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés), que es un dispositivo semiconductor cada vez más usado en décadas recientes. El enfriamiento eficaz de IGBT representa un desafío significativo en los sistemas de carga de VE.
Generadores de calor semiconductores y soluciones de administración térmica
El IGBT, que es una versión híbrida entre un transistor de efecto de campo (FET, por sus siglas en inglés) y un transistor de unión bipolar (BJT, por sus siglas en inglés), es altamente recomendado para aplicaciones de alta potencia, como cargadores de VE. La fabricación de un IGBT le otorga la capacidad de soportar altas tensiones y al mismo tiempo exhibir una baja resistencia en conducción, velocidades de conmutación rápidas y una notable resistencia térmica. Sin embargo, si bien pueden sobrevivir a altas temperaturas de 170 °C, en comparación con los solo 105 °C de la mayoría de las unidades centrales de procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés) de las computadoras modernas, aún pueden superar fácilmente los 170 °C sin el enfriamiento adecuado. Su uso en la mayoría de los circuitos de carga implica la conmutación frecuente de los IGBT, lo que genera un calor considerable. De hecho, el desafío térmico actual surge del aumento exponencial de la disipación de calor de los IGBT, de 1,2 kW hace tres décadas a 12,5 kW en la actualidad, y se prevén nuevos aumentos. Como puede ver en este gráfico, el aumento de potencia por centímetro cuadrado de superficie ha sido drástico y se puede comparar mejor con la potencia comparativamente baja de las CPU modernas de 0,18 kW o solo 7 kW por centímetro cuadrado.
Figura 2: Los IGBT han aumentado su densidad de potencia a pasos agigantados (Fuente de la imagen: CUI Devices)
El enfriamiento eficaz de IGBT se logra con la ayuda de dos factores: su mayor área de superficie y su capacidad para funcionar a temperaturas más altas. Esta mayor área de superficie los hace más adecuados para una de las soluciones de administración térmica más confiables disponibles: una combinación de disipadores de calor y aire forzado. Los disipadores de calor reducen significativamente la resistencia térmica entre el IGBT y el aire ambiente, mientras que el aire forzado que proporciona un ventilador, en comparación con la convección natural, reduce aún más la resistencia térmica. En algunos casos, se considera el enfriamiento líquido y, si bien las opciones de enfriamiento líquido pueden lograr resistencias térmicas aún menores, su mayor costo y complejidad hacen que el enfriamiento directo con disipadores de calor y ventiladores sea un enfoque más deseable. La mayoría de las investigaciones activas realizadas por ingenieros térmicos se centran en mejorar las tecnologías de enfriamiento por aire para IGBT. De hecho, en CUI Devices, hemos desarrollado disipadores de calor que miden hasta 950 x 350 x 75 mm diseñados de manera específica para enfrentar los desafíos térmicos de las aplicaciones de carga de VE.
Figura 3: Los disipadores de calor y los ventiladores son una solución eficaz de control del calor para IGBT (Fuente de la imagen: CUI Devices)
Instalación de componentes y monitoreo térmico
Los sistemas de enfriamiento dependen de la instalación estratégica de los componentes para optimizar el flujo de aire y maximizar la distribución de calor. Si existe un espaciado inadecuado entre los componentes se restringe el flujo de aire y limita el tamaño de los disipadores de calor que se pueden usar. Por lo tanto, los componentes cruciales que generan calor se deben ubicar de manera estratégica dentro del sistema para facilitar que exista un enfriamiento general eficaz. Si bien es importante centrarse en los principales componentes que generan calor, todo el sistema se debiera incluir en el análisis, especialmente debido a que muchos dispositivos semiconductores de apoyo no pueden soportar las altas temperaturas tan bien como los IGBT.
De manera similar, la instalación de sensores térmicos es crucial para la administración térmica eficaz. En sistemas de gran envergadura, como los cargadores de VE de CC, se recomienda encarecidamente el monitoreo de la temperatura en tiempo real, ya que permite la administración térmica activa. Todos los ajustes automáticos en los mecanismos de enfriamiento, como la velocidad del ventilador o incluso la limitación de la salida del cargador, se basan en lecturas de temperatura que optimizan el rendimiento y evitan el sobrecalentamiento. Sin embargo, la precisión de estos ajustes depende de la calidad de los datos de entrada provenientes de los sensores de temperatura instalados correctamente.
Factores externos y consideraciones ambientales
Las estaciones de carga de VE en el camino normalmente están instaladas en exteriores; por lo tanto, deben estar diseñadas para manejar varias condiciones ambientales. Los recintos resistentes a la intemperie con la ventilación adecuada para lograr una refrigeración optimizada y que al mismo tiempo mantienen la protección contra elementos como la lluvia y las temperaturas extremas son esenciales para proteger las estaciones de carga de condiciones térmicas subóptimas. Otro factor que se debe considerar es el calentamiento solar a partir de la luz solar que incide sobre las carcasas de los cargadores. Esto plantea una gran preocupación, ya que aumenta de manera significativa la temperatura ambiente interna. Afortunadamente, una protección eficaz con un flujo de aire adecuado entre la protección y la unidad de carga pueden reducir sustancialmente la temperatura ambiente del cargador y es una forma relativamente sencilla de enfrentar el problema.
Figura 4: Proteger los cargadores del sol directo es una manera económica y eficaz de controlar la temperatura (Fuente de la imagen: CUI Devices)
Lo que depara el futuro
En años recientes, la adopción de vehículos eléctricos ha aumentado a nivel mundial, y la demanda sigue subiendo junto a los avances en la tecnología. Como los VE son algo cada vez más común en las calles, es inevitable un aumento de la infraestructura de carga que necesitan. Como se ha demostrado el pasado, las inversiones iniciales adecuadas en infraestructura son importantes, ya que puede resultar difícil realizar actualizaciones de esa infraestructura en el futuro. La expectativa no es solo el aumento en el número de VE y cargadores, sino que también mejoras continuas en las tecnologías subyacentes. Si consideramos los posibles aumentos en la potencia y capacidad de carga, la evolución de los estándares de software y hardware, y anticipamos los cambios imprevistos, los sistemas de administración térmica se deben adaptar a las demandas cambiantes con el tiempo. Al diseñar de manera correcta cargadores de alta calidad, eficaces, de fácil actualización y con eficiencia energética, la solución a la creciente demanda de cargadores de VE no solo se solucionaría hoy en día, sino que en los años venideros.
Los cargadores de vehículos eléctricos comparten preocupaciones de administración térmica fundamentales con otros dispositivos electrónicos densos y de alta potencia. La alta densidad de potencia de los IGBT y la creciente demanda que se les imponen representan desafíos únicos. A medida que las velocidades de carga y las capacidades de las baterías siguen aumentando, crece a su vez la necesidad de diseños de cargadores eficaces y seguros, lo que exige innovación tanto de los ingenieros eléctricos como de los ingenieros de administración térmica. La gama de componentes para la administración térmica, así como de servicios de diseño térmico líderes en la industria de CUI Devices están a su disposición para enfrentar estos desafíos sin rodeos.