Electrónica de energía para vehículos eléctricos de próxima generación

Electrónica de energía estandarizada, extremadamente compacta y rentable para impulsar el futuro de los vehículos eléctricos y la industria de la movilidad electrónica europea.

El ambicioso objetivo de Europa de eliminar la nueva venta de automóviles de motor de combustión para 2035 exige una innovación rápida en tecnología de vehículos eléctricos (EV). La clave de este cambio es mejorar la eficiencia, confiabilidad y rentabilidad de la electrónica de energía. En otras palabras, es un sistema que convierte la electricidad, conduce un motor EV y carga la batería. Para mejorar la competitividad de Europa y reducir su dependencia de las tecnologías externas, el proyecto de escudo financiado por la UE (cambiar la conversión electrónica de potencia basada en la matriz de células para futuros vehículos eléctricos) es pionero enfoques de diseño innovadores para los convertidores de potencia EV. Scape (Grant No. 101056781, período 2022-2026) coordinado por el Catalonian Energy Institute (IREC) presenta soluciones estandarizadas, modulares y escalables que abordan directamente los objetivos europeos de liderazgo y liderazgo de la industria.

Scape se dirige a los innovadores indicadores de rendimiento clave. Eficiencia de conversión de energía de más del 97.5%, duplique la densidad de potencia, la mitad del costo por kilovatio en comparación con los estándares actuales. Estos avances prometen un rango de conducción ampliado, EV asequibles y una industria europea mejorada.

Convertidores de potencia modulares y escalables

Scape introduce un nuevo enfoque de diseño utilizando convertidores de potencia modulares y escalables, basado en una topología de la abrazadera de punto neutral de nivel múltiple. Su base es una celda de conmutación, un bloque de construcción básico compacto estandarizado que incorpora tecnología de semiconductores de potencia avanzada y circuitos auxiliares. Múltiples celdas de conmutación se interconectan para formar una «patas convertidor» que se unen en un convertidor de potencia completo (Figura 1). Este enfoque modular permite una escala flexible y permite el concepto de convertidores de energía para pequeños vehículos urbanos, desde diseños de celdas de cambio único hasta grandes cantidades de camiones eléctricos de acuerdo con las reglas de diseño de tren motriz estandarizado, aprovechando las economías de escala y los bajos esfuerzos de ingeniería para reducir los posibles costos de fabricación.

Los diseños estandarizados reducen significativamente la complejidad y el costo de la ingeniería. Los EVO ahora pueden construir convertidores personalizados de manera eficiente utilizando módulos estandarizados generados a escala para una amplia gama de diversidad de vehículos.

Scape también propone la integración de inversores de tracción y cargadores a bordo en una sola unidad, utilizando máquinas eléctricas multifásicas. Esto simplifica el diseño y la fabricación del vehículo, mejora significativamente la capacidad del tren motriz, reduce los costos y aumenta la confiabilidad con tolerancia a fallas.

Tecnología integrada integrada de chips

En el corazón de la innovación de Scape se encuentra la tecnología de incrustación de chips, que coloca chips de semiconductores de potencia directamente dentro de una placa de circuito impreso (PCB). Los convertidores de potencia tradicionales dependen de componentes individuales montados en la superficie, lo que resulta en un mayor tamaño, velocidades de conmutación reducidas, mayores pérdidas y límites térmicos. El enfoque integrado de Scape reduce significativamente la inductancia del campo, aumentando el manejo térmico, la eficiencia y la densidad de potencia. Scape desarrolló el primer lote de células de conmutación incrustadas con chip (Figura 2). La verificación experimental confirma la operación exitosa en condiciones exigentes y demuestra una reducción del 45% en la resistencia térmica de singk de anulación y una reducción del 85% en la inductancia del laberinto del circuito de potencia en comparación con las implementaciones convencionales que utilizan dispositivos de potencia separados en el paquete TO47. Por lo tanto, la incrustación de chips no solo reduce el tamaño del convertidor, sino que también aumenta el rendimiento y la confiabilidad eléctrica y térmica, lo que permite mayores frecuencias de conmutación que reducen aún más el tamaño del condensador del convertidor y los componentes magnéticos, así como las emisiones electromagnéticas.

Control inteligente y mantenimiento predictivo

La innovación de Scape varía de la gestión avanzada y las estrategias de gestión de la salud predictiva (PHM). El gemelo digital del tren motriz, una réplica virtual precisa de un sistema físico, se ejecuta en paralelo con las operaciones del tren motriz y procesa los datos procesados ​​del sistema de monitoreo en línea (OMS) para evaluar continuamente el estado del arte (SOH) del sistema. Las acciones de PHM incluyen advertencias de mantenimiento predictivo y redistribución de carga entre las celdas de conmutación, las patas convertidor y los módulos de la batería para mantener el funcionamiento hasta que el funcionamiento esté en servicio. El valor para mencionar es la capacidad de los OMS para realizar una medición en línea de la impedancia interna del módulo de la batería. Este es un parámetro que está directamente vinculado a la SOH de la batería. El enfoque proactivo de PHM mejora drásticamente la confiabilidad, reduce el tiempo de inactividad y aumenta la confianza de los usuarios de vehículos eléctricos.

Impacto esperado

Scape está estrechamente alineado con los objetivos de la Comisión Europea y contribuye en gran medida a transportar la descarbonización y la resiliencia de la industria. Al aumentar la eficiencia del tren motriz, este proyecto ayudará a expandir el rango de transmisión EV, reducir el tamaño de la batería y reducir los costos del vehículo. La electrónica de energía rentable se convertirá directamente en EV más asequibles, acelerando la adopción del consumidor.

Además, los valores promueven la soberanía tecnológica en Europa. Al estandarizar la tecnología de células de conmutación, este proyecto respalda el desarrollo de una cadena de suministro sólida basada en la UE, minimizando la dependencia de los componentes y la experiencia importados. El diseño modular innovador permite una adaptación rápida en las clases de vehículos, creando economías de escala dentro del mercado europeo.

Las capacidades de mantenimiento predictivo del proyecto aumentan aún más la sostenibilidad del ciclo de vida, reducen los desechos electrónicos y mejoran el desempeño ambiental. Por lo tanto, el enfoque general de Scape asegura que la transición europea EV sea tecnológicamente avanzada, económicamente viable y ambientalmente responsable.

A través de la innovación estratégica y la colaboración europea dirigida por IREC, Scape demuestra cómo la investigación dirigida puede producir soluciones prácticas para el futuro de automóviles más ecológico y competitivo.

Este artículo también se presentará en la 24ª edición de Quarterly Publishing.