Diseño de arquitecturas de potencia y datos en tecnologías de vehículos eléctricos (EV)

A menudo se dice que la próxima generación de transporte ofrecerá vehículos más seguros, ecológicos y mejor conectados y se caracterizará por el uso de dos tipos de combustible: electricidad y datos. Sin embargo, aunque la seguridad, la comodidad y el deseo de una conectividad generalizada impulsan un número cada vez mayor de aplicaciones con base en la nube y en sensores que dependen de los datos dentro de los vehículos, muchos consumidores, a pesar de su preocupación por el medio ambiente, aún se muestran renuentes a adoptar por completo la tecnología de la electromovilidad.

Las principales inquietudes de muchos futuros conductores de EV son la autonomía y la facilidad de carga, tanto por el tiempo requerido como por la disponibilidad de estaciones. En este sentido, la conectividad y los componentes de conexión, como el puerto de carga, la batería y el motor eléctrico, desempeñan un papel fundamental en la carga de alta potencia rápida, segura y confiable, que aumenta la autonomía y contribuye a a disipar las inquietudes de los consumidores.

En la actualidad, cargar un vehículo en las estaciones de carga rápida de corriente continua, que suelen encontrarse en las gasolineras que están al lado de las autopistas, puede llevar hasta una hora, dependiendo de la potencia de carga y la capacidad de la batería, para obtener unos 300 km de autonomía. Sin embargo, el objetivo de la industria es lograr la misma autonomía en alrededor de 10 minutos, lo que equivale aproximadamente al tiempo que se tarda en reabastecer de combustible un vehículo con motor de combustión interna (ICE).

Esta carga de alta potencia (HPC) puede alcanzar 350 kW de potencia de carga de corriente continua y corrientes de hasta 500 amperios, lo que representa el estado de carga máxima para todo el sistema de un vehículo eléctrico. Incluso una aceleración repentina, en la que el conductor requiere mucha potencia, no da lugar a una corriente media de la misma magnitud.

Este nivel de corriente continua provoca pérdida de calor elevada debido a la resistencia eléctrica inherente a todos los componentes (conectores, cables) del tren motriz del vehículo eléctrico, y la situación resulta aún más grave cuando el vehículo permanece inmóvil y no hay refrigeración por convección natural.

Por lo tanto, con el fin de evitar la sobrecarga o el sobrecalentamiento, la disipación de calor pasiva o activa, así como la capacidad de facilitar una reducción controlada de la intensidad de carga, constituyen requisitos fundamentales para el diseño y el dimensionamiento de todos los componentes conductores de electricidad. Esto significa que el sistema eléctrico completo, que conecta el punto de carga con la batería del vehículo, debe diseñarse y dimensionarse desde el punto de vista mecánico, eléctrico y térmico.

Uno de los principales retos es que, cuanto mayor es la corriente, mayor es la sección transversal del cable necesaria para transportar la misma cantidad de energía sin que se produzca un sobrecalentamiento. En el interior del vehículo, es principalmente una cuestión de peso y espacio disponible.

Por ejemplo, existe una diferencia considerable, en términos de costo, peso y volumen, entre utilizar un conductor de 50 mm² de sección transversal o uno de 95 mm² entre el puerto de carga y la batería. Para que la HPC sea una opción viable, es necesario evitar el sobredimensionamiento del cable y de todos los demás componentes eléctricos.

Hasta la fecha, el diseño de los componentes eléctricos no ha reflejado realmente la dinámica cambiante de los perfiles de carga de corriente —con picos altos y valles bajos— propios del funcionamiento de los vehículos, ni los requisitos de la HPC.

Las normas vigentes se basan en puntos de carga estática que se utilizaban originalmente para el diseño de relevadores y fusibles (de conmutación), y que se determinan mediante métodos estadísticos que reflejan la frecuencia con la que se producen y su importancia. Esto hace que los valores de carga actuales reflejen condiciones estáticas, y que el diseño de los componentes de conexión eléctrica correspondiente no se ajuste a la realidad, ya que a menudo incluye márgenes de seguridad de hasta un 20 % aproximadamente.

Para facilitar una potencia de carga máxima de 350 kW y más, se requiere un enfoque diferente al diseñar los componentes eléctricos. En TE Connectivity, estamos desarrollando una nueva metodología para determinar de forma dinámica el aumento de temperatura provocado por los componentes y la disipación de calor en el sistema en todo momento.

Gracias a simulaciones térmicas sistémicas y cercanas a las condiciones reales, la metodología hace posible evaluar el diseño de los componentes en una fase más temprana y predecir su rendimiento en diversos modos de funcionamiento a lo largo de toda su vida útil, lo que garantiza un funcionamiento seguro a largo plazo, además de un diseño que facilita el uso. La simulación térmica con base en modelos proporciona una base verificable para los futuros perfiles de carga, lo que hace posible demostrar la seguridad, la confiabilidad y la durabilidad de todos los componentes de conexión a lo largo del circuito de alta tensión y alta corriente.

Del mismo modo que el motor de combustión interna (ICE) se consideraba el corazón del vehículo tradicional, la batería se considera el corazón de los vehículos eléctricos, y muchos de los retos de diseño son los mismos.

En todos los modos de funcionamiento del vehículo, la corriente debe fluir de forma segura hacia y desde la batería. Por lo tanto, la conexión principal de la batería y, en determinados casos, las conexiones entre los módulos de celdas, deben ser capaces de transportar corrientes de hasta 600 amperios durante varios minutos en un ciclo de carga de alta potencia, así como niveles pico significativamente más altos durante una aceleración repentina.

Las conexiones del módulo de batería también constituyen la capa física de protección (apagado por sobrecalentamiento), el manejo de la batería (estados de carga, p. ej., estado de carga SoC) y el equilibrio de celdas (igualación de la tensión de carga entre celdas con diferentes niveles de SoC). Para asegurar estas funciones, cada módulo debe contar con conexiones eléctricas seguras y confiables,

lo que requiere sistemas de contacto altamente integrados, capaces de mantener la funcionalidad durante toda la vida útil del vehículo (p.ej. 300,000 km / 10 años) y con la robustez necesaria para evitar que la vibración y el estrés térmico afecten las propiedades mecánicas y eléctricas de los terminales. Además, los terminales deben ser a prueba de contacto para eliminar riesgos relacionados con la alta tensión y la alta potencia, y garantizar la seguridad de los fabricantes y del personal de mantenimiento.

A modo de ejemplo, uno de los principales objetivos de diseño del sistema de conectores del módulo BCON + de TE Connectivity era manejar corrientes constantes de 400 amperios (con picos breves de hasta 1,200 amperios) y tensiones de hasta 1,000 V, así como funcionar a temperaturas ambientales típicas de las baterías, entre -40 °C y +80 °C. El principal reto consistía en minimizar la resistencia en cada punto de contacto para garantizar menores pérdidas de potencia y menor estrés térmico, así como lograr confiabilidad a lo largo de toda la vida útil mediante alta resistencia a las vibraciones, de acuerdo con las especificaciones globales de los fabricantes de equipos originales (OEM).

Un sistema de manejo de baterías es el sistema electrónico encargado de controlar la carga y descarga de las celdas que conforman el paquete de baterías. Protege a la batería para que no funcione fuera de sus límites de seguridad mediante el monitoreo de las señales de temperatura y voltaje de los módulos de celdas, así como de las señales de corriente a nivel del paquete, y las transmite a los elementos que equilibran o controlan el entorno de los módulos de celdas.

El sistema de manejo de baterías es fundamental para el rendimiento óptimo y la seguridad de la batería, lo que significa que debe funcionar con un alto grado de precisión y confiabilidad, y debe tener una estructura muy resistente. Sin embargo, también debe ser compacto y ligero, de modo que ocupe el menor espacio posible en cuanto a dimensiones de la batería.

La conectividad es también un factor clave para el manejo de las baterías. Es necesario transmitir las señales al controlador de manejo baterías (BMC), donde se procesan y se envían a los controladores de manejo de celdas (CMC) para equilibrarlas y facilitar un flujo controlado de energía, por ejemplo, durante la carga.

La electrónica del BMS requiere sistemas de conectores compactos y flexibles. Dado que la relación entre las celdas y los controladores varía según los requisitos de diseño de la batería, como la capacidad y la demanda de energía del vehículo, los sistemas de conectores deben ofrecer la flexibilidad necesaria para adaptarse a múltiples configuraciones de conexión. Los conectores también deben ofrecer flexibilidad para integrar distintos tipos de cables, como el cable plano flexible (FPC) y el circuito impreso flexible (FFC), que se pueden colocar alrededor de baterías de formas compactas y complejas.

Además, el sistema de conectores requiere una distancia de fuga y de aislamiento seguras entre los pines, lo que garantiza que no haya riesgo de fallas por cortocircuitos causados por la acumulación de polvo o la formación de arcos eléctricos. Dado que los módulos de batería se suministran como componentes sellados, los fabricantes deben tener la certeza de que todos los conectores internos cumplen con las estrictas especificaciones de robustez y confiabilidad propias de la industria automotriz.

Soluciones de conectividad confiables para los vehículos de última generación. Las capas físicas de potencia y de redes de datos, que incluyen cables y conectores, desempeñarán un papel fundamental como el pilar de los vehículos conectados de última generación, más seguros y ecológicos, que los consumidores desean adquirir.

Esto significa que las redes de conectividad de datos de baja tensión y los sistemas de accionamiento de alta tensión (HV) deben funcionar en paralelo, con un alto nivel de confiabilidad y seguridad, en arquitecturas centralizadas («inteligentes») cada vez más integradas.

Las tecnologías de conexión, conmutación y sensores serán factores clave para hacer realidad estas innovaciones. Gracias a nuestro amplio portafolio de productos innovadores y a nuestra experiencia en estos ámbitos, contamos con la capacidad para colaborar con empresas de tecnología automotriz en el desarrollo de soluciones de conectividad para la próxima generación de vehículos.