Cómo alimentar una red de bajo consumo de un vehículo eléctrico todo terreno desde la batería de tracción

El mundo está cautivado por los EV (vehículos eléctricos) que los principales fabricantes de automóviles están introduciendo. Esto se debe en parte publicidades ingeniosas, pero también a que los automóviles son ejemplos impresionantes de ingeniería contemporánea. Mientras tanto, una enorme flota mundial de héroes desconocidos eléctricos se ocupa silenciosamente de sus asuntos.

Los llamados OHV (vehículos todo terreno) sustentan la economía mundial mediante la circulación por almacenes, fábricas, aeropuertos, muelles y muchos otros lugares donde se deben trasladar mercancías, equipaje y personas. Si bien un montacargas eléctrico polvoriento que opera en los rincones más oscuros de un almacén no es tan glamoroso como un EV elegante y deportivo que circula a toda velocidad por la autopista, desempeña un papel igual de importante (Figura 1). Y los desafíos de diseño de los OHV son tan difíciles, si es que no son más difíciles, como los que se enfrentan al desarrollar vehículos de carretera.

Figura 1: Los OHV eléctricos, como los montacargas, presentan desafíos de diseño increíbles. (Fuente de la imagen: Komatsu)

No todo vale

Una tendencia clave en el sector de los EV de carretera es el alejamiento de las baterías de tracción de 400 voltios hacia sistemas de 800 voltios. Es una decisión de ingeniería sensata porque el voltaje más alto reduce la corriente requerida para la misma potencia de salida para los motores de tracción. A su vez, esto reduce la disipación de potencia, lo que permite el uso de cables más ligeros y motores más pequeños sin dejar de mantener el rendimiento. Hay algunas desventajas, como requisitos de aislamiento de voltaje más altos, pero pasar a 800 voltios es bueno en general.

Si bien la potencia de 800 voltios es excelente para transportar a cuatro personas a lo largo de cientos de kilómetros a velocidades de autopista, apenas es necesaria para un montacargas eléctrico que solo da vueltas en un almacén durante unas horas al día, o para un carro de equipaje que transporta equipaje de viajeros en la zona de embarque. Esta es una buena noticia para el diseñador de OHV eléctricos porque encontrar espacio en un vehículo compacto para las 200 celdas de Li-ion (ion de litio) que componen una batería nominal de 800 voltios es todo un desafío.

En cambio, los OHV eléctricos utilizan baterías de tracción más pequeñas. Según la aplicación, los voltajes de tracción comunes para los OHV incluyen 24, 36, 48, 80, 96 y 120 voltios. Sin embargo, si bien los voltajes de tracción pueden variar, lo que la mayoría de los OHV tienen en común es una red de bajo voltaje de 12 voltios para alimentar elementos como las luces, los limpiaparabrisas, la bocina y los ventiladores de los OHV.

Eliminación de la batería de 12 voltios

Los EV de carretera suelen contar con una batería convencional de plomo/ácido de 12 voltios para alimentar sus redes de bajo voltaje, aunque las baterías de 48 voltios también se están popularizando. Esto tiene sentido porque permite que el lado de tracción de alto voltaje esté físicamente aislado de la red de bajo voltaje. También significa que las funciones auxiliares, como la dirección eléctrica o los asientos con calefacción, no necesitan tomar energía directamente de la batería de tracción y, por lo tanto, no afectan la autonomía, ya que la batería de bajo voltaje se carga mediante el frenado regenerativo.

Aunque se puede agregar una batería de 12 voltios a un OHV, en muchos casos no es la mejor solución. La batería necesita espacio y agrega peso, costo y complejidad y, a menudo, debe haber un frenado regenerativo mínimo en las aplicaciones de los OHV para mantenerla cargada. En muchos casos, los diseñadores optan por aprovechar directamente la batería de tracción de los OHV para alimentar la red de bajo voltaje. Y debido a que el rango de funcionamiento es un problema menor para estos caballos de batalla en comparación con los EV de carretera, el consumo de energía de la batería de tracción no es una gran preocupación.

Además, los voltajes más bajos de la batería de tracción de los OHV significan que las regulaciones para el aislamiento entre los circuitos de tracción y de baja potencia son menos estrictas.

Los robustos módulos de CC-CC cumplen los requisitos

Para alimentar una red de bajo voltaje desde la batería de tracción se requiere un convertidor de CC-CC para reducir el voltaje a 12 voltios. El convertidor debe ser eficiente para minimizar el consumo de la batería de tracción y aliviar los problemas de gestión térmica, lo suficientemente compacto para caber en el espacio disponible de un OHV pequeño y lo suficientemente resistente para funcionar de manera confiable en condiciones difíciles.

La serie RMOD de módulos de potencia disponibles en el mercado de RECOM es una buena opción (Figura 2). Los módulos están diseñados para generar bajo voltaje a partir de la batería de tracción de un vehículo y vienen en versiones con potencias de 400 vatios y 600 vatios. Los módulos están sellados según IP69K para evitar la entrada de polvo y agua y están certificados según EN60068 para resistencia a ciclos de temperatura, golpes y solidez, ciclos de humedad/calor, vibración, impactos mecánicos y niebla salina. También están aislados a 2.5 kV (kilovoltios) de CC y están certificados según IEC/EN/UL/CSA 62368-1.

Figura 2: Los módulos RMOD de CC-CC de RECOM son soluciones resistentes para alimentar redes de bajo voltaje a partir de baterías de tracción. (Fuente de la imagen: RECOM)

El módulo RMOD400-28-13SW de la línea de 400 vatios puede aceptar un voltaje de entrada de CC de 16.8 a 56 voltios y generar 30.8 A (amperios) a 13 voltios. Mide 8 x 4.53 x 2.4 in (pulgadas) y tiene una eficiencia del 85%. La Figura 3 muestra las curvas de eficiencia del módulo para una variedad de voltajes. También está disponible una versión con salida de 24 voltios (RMOD400-60-24SW).

Figura 3: Se muestran las curvas de eficiencia del módulo de CC-CC RMOD400-28-13SW en una variedad de voltajes de entrada. (Fuente de la imagen: RECOM)

El RMOD600-80-13SEW de 600 vatios tiene un rango de voltaje de entrada de CC de 33.6 a 125 voltios y produce 46.2 A a 13 voltios. El módulo tiene el mismo tamaño y eficiencia que la versión de 400 vatios. La Figura 4 muestra la disipación de potencia del módulo en comparación con la carga. El módulo requiere una gestión térmica adecuada para regular su temperatura en cargas de salida elevadas.

Figura 4: Se muestran las curvas de disipación de potencia para el módulo de CC-CC RMOD600-80-13SEW. (Fuente de la imagen: RECOM)

Eliminación del calor

Gracias a la construcción del receptáculo resistente al agua y al polvo, los dispositivos se pueden conectar al chasis de los OHV y funcionar de forma confiable en las condiciones más adversas. Los módulos deben montarse sobre una almohadilla térmica y luego sobre un miembro del chasis que pueda actuar como disipador de calor. El módulo se puede utilizar en aplicaciones cerradas con carga completa, siempre que la refrigeración sea suficiente para mantener la temperatura de la placa base por debajo de 70 °C.

Varios módulos pueden funcionar en paralelo, siempre que tengan el mismo voltaje de salida nominal. Sin embargo, dado que no existe un intercambio de corriente activo, el diseñador debe tener en cuenta que las unidades conectadas en paralelo podrían contribuir con cantidades diferentes a la corriente de carga total (Figura 5).

Figura 5: Es posible el funcionamiento en paralelo de los convertidores de CC-CC RMOD de RECOM, siempre que tengan el mismo voltaje nominal de salida. (Fuente de la imagen: RECOM)

Conclusión

Los diseñadores de OHV pueden evitar la necesidad de una batería adicional de bajo voltaje mediante la alimentación de la red de bajo voltaje utilizada para los sistemas auxiliares de los vehículos desde la batería de tracción. Los módulos de CC-CC RMOD de RECOM ofrecen una solución plug-and-play específica para este propósito. Los módulos aceptan una variedad de entradas de voltaje de la batería de tracción y al mismo tiempo proporcionan salidas reguladas de 13 voltios de baja ondulación para los sistemas auxiliares.