El rol de la Electrónica de Potencia en la electromovilidad

Si bien la electromovilidad es un tema conocido por un gran público, existe, en general, un desconocimiento técnico de cómo están constituidos estos vehículos y de qué elementos son los que logran convertir la energía almacenada en las baterías eléctricas en movimiento. En este artículo, el Prof. Félix Rojas y sus memoristas nos explican los conceptos claves para comprender esta tecnología.


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Mundialmente, la electromovilidad ha cobrado gran relevancia, ya que ofrece una solución baja en emisiones de efecto invernadero en el caso de vehículos híbridos enchufables (PHEV) y nula en el caso de vehículos completamente eléctricos (BEV) (1).

Chile no está ajeno a la implementación de esta tecnología y por medio de la política nacional de energía 2050 (2), se ha puesto como meta alcanzar una matriz 100% eléctrica para el transporte público y un 40% eléctrica para el transporte particular al año 2050.

Si bien la electromovilidad es un tema conocido por gran cantidad de público, existe, en general, desconocimiento técnico de cómo están constituidos estos vehículos y qué elementos son los que logran convertir la energía almacenada en baterías eléctricas en movimiento, es allí donde los convertidores de electrónica de potencia (EDP) juegan un rol fundamental y hacen posible el funcionamiento del vehículo. Este artículo ofrece una visión general de los principales elementos de EDP, denominados comúnmente convertidores de electrónica de potencia, los cuales tienen como labor principal manejar la energía dentro del vehículo para tareas como: cargar o extraer energía de las baterías, proveer servicios auxiliares y generar el accionamiento del motor. La Fig.1 muestra un diagrama de las principales unidades de EDP presentes en un vehículo eléctrico, las cuales debemos conocer antes de adquirir uno de estos vehículos.

  1. Inversor Principal DC-AC

El Inversor principal DC-AC (3) es el convertidor de electrónica de potencia más importante de un vehículo eléctrico. Es el encargado de controlar el flujo de energía que va desde las baterías al motor eléctrico, determinando así su velocidad, aceleración, sentido de giro y torque, lo que se traduce en el desempeño del vehículo a conducir.

Dependiendo del fabricante, podemos encontrar motores eléctricos de tipo jaula de ardilla como el presente en el vehículo Model S de Tesla Motors o bien motores fabricados con imanes permanentes conocidos como motores sincrónicos utilizados en vehículos como el Nissan Leaf, Hyundai Ioniq o el BYD e6.

Independientemente del tipo de motor, el inversor siempre tiene la tarea de convertir la tensión DC entregada por las baterías, en una tensión AC modificable en frecuencia amplitud y fase, con la cual se alimenta el motor y se logra su control de velocidad, aceleración, sentido de giro y torque (4).  La Fig.2 muestra un diagrama esquemático de cómo el inversor logra transformar el voltaje DC de las baterías en un voltaje AC controlado, esta labor se consigue mediante la conmutación de dispositivos semiconductores, los cuales son controlados por señales de disparo enviadas por un controlador.

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Un dato importante para el inversor principal es conocer si este es capaz de manejar flujos de energía de forma bidireccional, lo cual permite inyectar energía desde las baterías al motor o bien desde el motor hacia las baterías, una característica necesaria para implementar el frenado regenerativo en los vehículos eléctricos, el cual consiste en transformar la energía cinética del vehículo en energía eléctrica cuando este va en pendiente negativa o bien durante el frenado, la cual es devuelta a las baterías.

Dentro de los principales vehículos eléctricos comerciales, podemos encontrar vehículos que poseen un inversor principal, o bien dos inversores principales. Así, por ejemplo, el modelo Nissan Leaf, que cuenta sólo con tracción delantera (ver Fig.2) posee sólo un inversor principal, mientras otros vehículos como el Tesla Model S (ver Fig.3), posee dos inversores los cuales accionan separadamente un motor eléctrico para el tren delantero y otro para el tren trasero.

La doble tracción genera una ventaja por sobre una sola, ya que permite controlar de manera independiente cada motor generando un mejor desempeño a nivel de conducción y mayor estabilidad. Otros modelos de vehículos híbridos (HEV), híbridos livianos (MHEV) o híbridos enchufables (PHEV) como el BMW i8 utilizan un tren de potencia combustión/eléctrico, con dos motores, uno a combustión de alta potencia y uno eléctrico de apoyo; el cual también es accionado por un inversor.

  1. BMS (Battery Management System) DC-DC

El comportamiento de una batería ya sea en carga o descarga, viene dada por sus características internas. Ante las inevitables asimetrías constructivas en la manufactura, el proceso de carga y descarga varía entre una batería y otra, generando que dentro de un arreglo de baterías algunas celdas se carguen o descarguen más rápido que otras; produciendo desbalances, sobrecargas y descargas excesivas dentro de algunas de las baterías que componen el paquete, lo cual reduce la vida útil de paquete completo (7) o pudiendo provocar accidentes como sobrecalentamiento e incluso explosiones (8).

Con el fin de proteger el paquete de baterías del vehículo y realizar una carga y descarga controlada, se utiliza un Sistema de Gestión de Baterías (BMS), el cual monitorea el estado de carga y la temperatura del paquete de baterías, ecualizando el estado de carga de cada celda que conforma el arreglo de baterías para que todas las baterías se carguen y se descarguen de manera uniforme. Esto evita que existan celdas sobrecargadas durante el proceso de carga o bien celdas sobre-descargadas durante el proceso de descarga.

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El método más ampliamente utilizado para la ecualización de la carga consiste en detectar la celda que tenga un estado de carga mayor que el resto y descargarla mediante un resistor, sin embargo, existen métodos que mejoran ampliamente la eficiencia, los cuales se basan en distribuir la energía desde las baterías con mayor carga a las que tienen menor carga, evitando la disipación de potencia inherente en la ecualización resistiva.

En la Fig.5 se puede apreciar el esquema general de un BMS con ecualización resistiva, desde su etapa de medición hasta el sistema de balance de carga.

  1. Conversor 12V DC-DC

Dentro del auto eléctrico, existen varios componentes electrónicos que requieren distintos niveles de tensión continua para su correcto funcionamiento, ya sean los sistemas de climatización o iluminación. Una solución para lograr una tensión DC menor a la existente en las baterías del vehículo, es el uso de convertidores de electrónica de potencia para hacer la transformación DC/DC de dichas señales (3); permitiendo tener dentro de un mismo sistema varias fuentes de tensión continua sin la necesidad de agregar otras fuentes de energía.

Un ejemplo de convertidor DC/DC utilizado para alimentar estos servicios (ver Fig.6), que posee aislación galvánica y alta eficiencia, realiza la conversión en tres etapas:

1. Inversión: Etapa en la que la señal DC entrante es convertida a una señal AC.

2. Reducción: En este punto la señal AC es llevada a un transformador, reduciendo su amplitud.

3. Rectificación: La señal AC reducida es convertida a una señal DC de baja tensión.

  1. Inversor Auxiliar DC-AC 

Los servicios de calefacción, ventilación y enfriamiento (HVAC por sus siglas en Inglés) dentro de un vehículo eléctrico requieren de una alimentación de corriente alterna, debido a que requieren de bombas para su operación (3). Dicha energía viene desde una etapa de conversión DC-AC, en donde la tensión que viene desde las baterías del vehículo es convertida en una señal alterna; el convertidor que realiza dicha transformación se denomina inversor auxiliar, debido a que este dispositivo no alimenta al motor del vehículo sino, a los servicios auxiliares de este.

  1. Electrónica de Potencia para la carga de EV

5.1. Cargador Interno AC-DC

La forma más simple de cargar un vehículo eléctrico es simplemente conectarlo a la red eléctrica domiciliaria (9)(10), sin embargo, dada la limitada potencia de un empalme monofásico domiciliario este tipo de carga también se le conoce como carga lenta. Como bien ya sabemos, la red eléctrica provee de un voltaje AC, mientras las baterías del vehículo eléctrico poseen un voltaje DC. Es por esto, que los vehículos poseen otro elemento adicional de electrónica de potencia denominado Cargador Interno, el cual tiene como función principal el convertir la tensión AC de la red (en el caso de Chile 220V-50Hz) en una tensión DC para la carga de las baterías, además, existen algunos vehículos como el BYD e6 que poseen dentro un cargador AC-DC trifásico, el cual permite trabajar niveles de potencia mayores a la que entregaría una red monofásica.

A pesar de que este cargador posee la misma función en todos los vehículos eléctricos, existen diferentes estándares que definen diferentes conectores para esta función. La Fig.7 muestra los distintos estándares de conectores para cargadores de vehículos eléctricos. Es importante destacar que aún no existe una estandarización mundial para este tema, y actualmente representa una barrera para la integración de vehículos de diferentes marcas. Adicionalmente, se debe tener en cuenta que este tipo de convertidor no solo puede ser desarrollado para que el flujo de energía eléctrica desde la red hacia las baterías, sino que también es deseable poder enviar energía desde las baterías a la Red (V2G) (9), conocido como tecnologías V2X. Esto permitiría a los vehículos eléctricos proveer de energía a las redes eléctricas por cortos periodos de duración, apoyando a la red para mejorar su estabilidad. A esto también se le conoce como servicios complementarios de energía y es un modelo de negocio que aún está en discusión y desarrollo en el mundo (11).

5.2. Cargadores Externos

Además del cargador interno AC-DC, los vehículos eléctricos también poseen un conector de carga DC directa (9)(10)(12). En este caso, la electrónica de potencia que convierte la señal AC de la red en una señal DC para la carga de baterías se encuentra fuera del vehículo en estaciones de carga fija (Electrolineras), que suministran directamente la energía DC regulada a las baterías dentro del vehículo y están conectados a empalmes trifásicos de alta potencia.

Los cargadores en AC y DC son clasificados por niveles, según la SAE (Society of Automotive Engineers), donde la principal diferencia es el nivel de potencia del cargador. En la Tabla 1 se resume la clasificación de estos.

5.3. Protocolos de Carga

Para realizar la carga, ya sea AC o DC, se debe conectar el cargador al vehículo eléctrico mediante algún protocolo (Enchufe), como no existe un único estándar de cargador (14) se han utilizados diferentes protocolos según la región y el fabricante, por ejemplo en Japón se apostó por el protocolo CHAdeMO, en EEUU y Europa  por el CCS, siendo una evolución del protocolo SAEJ1772 propuesto en EEUU y algunas marcas como TESLA han desarrollado su propio estándar como los llamados supercargadores y en China el protocolo GB/T. En la Fig.5 se muestra una imagen de los diferentes conectores.

La Tabla 2 muestra una comparación técnica entre vehículos eléctricos dentro del mercado chileno (15) y las últimas novedades de autos en el ámbito internacional, en los que se puede destacar la tendencia de los nuevos vehículos de gama alta a poseer doble tracción para un mayor desempeño en conducción y el aumento de potencia máxima para la carga rápida en DC. Además, cabe destacar la variedad de conectores de carga DC para los diferentes modelos de vehículos, lo cual actualmente genera un problema práctico para electrolineras y usuarios; asociaciones dedicadas a la creación y gestión de redes de carga rápida en DC como Electrify América han buscado solucionar la diversificación de estándares de carga rápida instalando electrolineras que tengan disponibles los conectores más utilizados en norteamérica (CHAdeMO y CCS) (16).

Tabla 2: Mercado Nacional e Internacional de BEVs.(9)

 

Este artículo fue escrito por:

Jordan Salgado

Emilio Contreras

Matías Rojas

Guillermo Navarro

Dr.-Ing. Félix Rojas

 

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Bibliografía

1) Asesoría técnica parlamentaria. BCN (2019). Electromovilidad, tendencias y experiencia nacional e internacional. Normativa Eléctrica, Chile.
2) M. de energía, M. de Transportes y Telecomunicaciones, M. del medio ambiente. Estrategia nacional de electromovilidad, un camino para los vehículos eléctricos. Estrategia energética, Chile.
3) Infineon Technologies AG (2019). Shaping future electromobility with semiconductor innovations. Components, Munich, Germany.
4) Schulz, S. E. (2017). Exploring the High-Power Inverter: Reviewing critical design elements for electric vehicle applications. IEEE Electrification Magazine, 5(1), 28-35.
5) Nissan Motors, https://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/e_powertrain.html
6) Tesla Motors, https://www.tesla.com/es_MX/models?redirect=no
7) Dickinson,B., & Gill,J. (2000) Issues and benefits with fast charging industrial batteries. In Fifteenth Annual Battery Conference on Applications and Advances.
8) Gobierno de Chile, Seguridad de Productos, baterías de litio: dilemas entre diseño y seguridad.
9) Yilmaz, M., & Krein, P. T. (2012). Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles. IEEE transactions on Power Electronics, 28(5), 2151-2169.
10) Un-Noor, F., Padmanaban, S., Mihet-Popa, L., Mollah, M. N., & Hossain, E. (2017). A comprehensive study of key electric vehicle (EV) components, technologies, challenges, impacts, and future direction of development. Energies, 10(8), 1217.
11) Taghizadeh, S., Jamborsalamati, P., Hossain, M. J., & Lu, J. (2018, June). Design and Implementation of an Advanced Vehicle-to-Vehicle (V2V) Power Transfer Operation Using Communications. In 2018 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2018 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe) (pp. 1-6). IEEE.
12) Williamson, S. S., Rathore, A. K., & Musavi, F. (2015). Industrial electronics for electric transportation: Current state-of-the-art and future challenges. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62(5), 3021-3032.
13) SAE International. https://www.sae.org.
14) M. de energía. Buenas prácticas en movilidad eléctrica, estación de carga eléctrica, guía de electromovilidad, Chile.
15) ANAC, Asociación Nacional Automotriz de Chile.
16) Electrify America, www.electrifyamerica.com.