Uso de reguladores de CC a CC de 48 voltios en paralelo para aumentar la potencia de los vehículos autónomos

La insaciable demanda de energía está impulsando el cambio de rieles de suministro de 12 voltios a 48 voltios en los automóviles a medida, que aumenta el número de sistemas eléctricos, incluyendo suspensión activa, dirección, control de clima, asientos y ventanas eléctricos, e infoentretenimiento avanzado. Resulta que la energía de 48 voltios es el punto ideal para suministrar mucha energía de manera eficiente y al mismo tiempo eliminar los costosos componentes y el cableado pesado que de otro modo serían necesarios para cumplir con estrictos estándares de seguridad y rendimiento para sistemas basados en 12 voltios.

Además, la adopción de sistemas de 48 voltios se acelerará a medida que los vehículos eléctricos (EV) reemplacen la flota de motores de combustión interna (ICE). Mientras que los vehículos eléctricos utilizan sistemas de 400 o incluso 800 voltios para hacer girar las ruedas, los fabricantes —de forma notable Tesla, con su CyberTruck— han aprovechado la oportunidad que supone diseñar un vehículo completamente nuevo, para incorporar 48 voltios de serie para el resto de sistemas eléctricos del vehículo (Figura 1).

Figura 1: Los vehículos del mañana utilizarán cada vez más 48 voltios para sistemas como el puesto de conducción. (Fuente de la imagen: Vicor)

Más potencia con menores pérdidas resistivas

Pero ¿por qué alejarse de la tecnología madura y probada de 12 voltios? Después de todo, hizo un trabajo bastante bueno durante décadas y todavía tiene una enorme cadena de suministro de componentes con productos probados. La respuesta simple es que, si bien los vehículos modestos de antaño requerían electricidad para las luces interiores, la radio y un encendedor (sí, los autos en aquel entonces tenían encendedores incorporados), la dirección eléctrica, el GPS y los asientos con calefacción eran el sueño de los diseñadores de automóviles. Simplemente no había necesidad de energía adicional más allá de los 12 voltios estándar. Además, las baterías de plomo-ácido proporcionan alrededor de 2 voltios por celda, por lo que una batería estándar de seis celdas suministraba los 12 voltios necesarios con una regulación de voltaje muy básica (y barata).

Pero la fantasía de los diseñadores de automóviles del ayer es ahora la realidad de hoy, y todo tipo de vehículos, ya sean convencionales, híbridos suaves, EV híbridos (HEV) o EV, exigen más energía eléctrica. La simple ecuación energía (P) (en vatios) = voltios x corriente (en amperios, A) nos dice que podemos obtener más “fuerza” aumentando los voltios o la corriente (o quizás un poco de ambos). Pero también sabemos que P = A² x resistencia (en ohmios (Ω)). Esto nos dice que lograr una ganancia de potencia simplemente aumentando la corriente multiplica las pérdidas resistivas y se suma a los muchos desafíos de gestión térmica.

Es mejor aumentar el voltaje para obtener más potencia con la misma corriente. Por ejemplo, imaginemos que necesitamos 75 vatios de un suministro de 12 voltios. Esto requiere una corriente de 75/12 = 6.25 A. Pero si elevamos el suministro a 48 voltios, la misma energía puede ser proporcionada por una corriente de 75/48 = 1.6 A. Una reducción de la corriente del 75% significa que los diseñadores de automóviles pueden utilizar cableado más liviano, ahorrando así peso y reduciendo costos (Figura 2).

Figura 2: Al pasar a una energía de 48 voltios para los sistemas clave, los diseñadores de automóviles pueden reducir el peso y el costo de los mazos de cables. (Fuente de la imagen: Vicor)

Energía de 48 voltios más allá de la automoción

Los autos no son los únicos sistemas de ruedas que pueden beneficiarse de los buses de 48 voltios. Por ejemplo, los robots de almacén, las sillas de ruedas, los montacargas y los vehículos de reparto autónomos de última milla están aprovechando la energía de 48 voltios (Figura 3). A diferencia del ejemplo del automóvil, estos vehículos utilizan principalmente el suministro de 48 voltios para alimentar los motores de tracción; hay poca necesidad de asientos con calefacción o infoentretenimiento en un robot de almacén.

Figura 3: Los vehículos de reparto autónomos de última milla llegan a su destino de forma más rápida y eficiente gracias a la energía de 48 voltios de los motores de tracción. (Fuente de la imagen: Vicor)

Para estas categorías de productos, las baterías de plomo-ácido de 12 voltios se están reemplazando por baterías de iones de litio (Li-ion) de 48 voltios compuestas de múltiples celdas. Como ingenieros, sabemos que este tipo de baterías ofrecen 48 voltios nominales, pero a medida que se descargan, su voltaje cae. Eso significa que necesitaremos una buena regulación para mantener el voltaje agradable y estable a medida que la batería cede su energía.

Vicor ofrece una línea de convertidor CC-CC regulada aislada (a 3000 voltios CC [V_CC]), que es una buena opción para este tipo de aplicación. Por ejemplo, de una entrada de 14 a 72 voltios, el convertidor DCM2322T72S53A0T60 ofrece una salida regulada de 48 voltios de hasta 2.1 A para una potencia de salida de 100 vatios. El convertidor presenta una topología de conmutación de cero voltaje (ZVS) de alta frecuencia que alcanza una eficiencia del 90.1% para mantener la temperatura y extender la vida útil de la batería, al tiempo que proporciona una alta densidad de potencia de 401 vatios por pulgada cúbica (in.³).

Aumentar la potencia

El DCM2322T72S53A0T60 es un regulador eficiente, pero es posible que la aplicación exija más de 100 vatios para ciertos modos operativos, como cuando una silla de ruedas eléctrica sube una colina. Una opción podría ser especificar un regulador CC-CC de 48 voltios con mayor potencia de salida. Por ejemplo, el DCM2322TA5N53A2M60 proporciona un máximo de 120 vatios a 48 voltios con un suministro de 43 a 154 voltios. La desventaja de utilizar un único regulador de mayor potencia es que normalmente hay cierta pérdida en la eficiencia máxima y la gestión térmica se vuelve más desafiante.

Alternativamente, el DCM2322T72S53A0T60 se puede implementar fácilmente como una serie de módulos para aumentar la potencia de salida. Se han calificado conjuntos de hasta ocho unidades para una capacidad de hasta 800 vatios. La buena noticia es que la potencia máxima de la matriz es la suma de la potencia máxima de los módulos individuales. La topología de la matriz no impone ninguna reducción de potencia. Mejor aún, cada módulo del conjunto puede funcionar con una fuente de voltaje de entrada diferente, si es necesario, y al mismo tiempo proporcionar hasta 100 vatios a 48 voltios.

Hay una desventaja de diseño cuando se utilizan los módulos DCM2322 en modo matriz: se necesita una red de desacoplamiento para facilitar la operación en paralelo. En la práctica, esto significa que cada DCM2322 simplemente requiere un capacitor de salida antes de que la salida se alimente al bus común. Cada DCM2322 también requiere un filtro de entrada independiente, incluso si todos los módulos comparten la misma fuente de voltaje de entrada. El trabajo de los filtros es limitar la corriente de ondulación reflejada desde cada módulo, así como ayudar a suprimir la generación de corrientes de frecuencia de batido que pueden resultar cuando se permite que múltiples etapas de entrada del tren motriz interactúen directamente (Figura 4).

Figura 4: Los convertidores de voltaje regulados CC-CC DCM2322 se pueden configurar para proporcionar hasta 800 vatios; el esquema muestra los filtros de entrada y las redes de desacoplamiento necesarios para un funcionamiento eficiente y silencioso. (Fuente de la imagen: Vicor)

Conclusión

Pasar de 12 voltios a 48 voltios aporta ventajas clave al sistema para aplicaciones como robots de almacén, sillas de ruedas eléctricas y vehículos autónomos de reparto de última milla. Dichas ventajas incluyen mantener baja la corriente para permitir el uso de mazos de cables más livianos y de menor costo.

Pero a medida que aumenta la sofisticación de estos productos finales, también aumentan sus demandas de energía. Puede escalar su sistema de energía en consecuencia utilizando múltiples convertidores de voltaje CC a CC regulados y de alta densidad de potencia de Vicor en paralelo. De esa manera, puede permitir que los sistemas de 48 voltios suministren hasta 800 vatios o más.