En este artículo técnico, Axel Stangl, Corporate Product Manager Power de Rutronik, y Steve Roberts, BSc., MSc., Innovation Manager de RECOM nos hablan de los nuevos convertidores para soluciones de electromovilidad en los cargadores de VE (Vehículos Eléctricos).
La electrónica presente en los cargadores de vehículos eléctricos (VE) opera en entornos adversos, lo que implica que todas las fuentes de alimentación adicionales tienen que diseñarse para las correspondientes categorías de sobretensión y amplio rango de temperatura.
Además, en lo que se refiere a los convertidores AC/DC y DC/DC empleados aquí: deben ser eficientes y asequibles.
Durante mucho tiempo, la escasez de estaciones de carga se convirtió en una barrera en la adopción masiva de los vehículos eléctricos. Ahora, una expansión integral de la infraestructura de carga está eliminando dicha barrera, al menos en muchos países.
Por ejemplo, en diciembre de 2020, solo en China se instalaron 112.000 puntos de recarga públicos – más que toda la red pública de carga en Estados Unidos. Según los datos de IHS Markit, este proceso de expansión respaldará la creación de un mercado de 14.000 millones de dólares estadounidenses para mejorar la infraestructura de carga de vehículos eléctricos en 2025.
Los cargadores de VE integrados en el vehículo (cargadores de a bordo – onboard chargers – OBC) serán cada vez más los diseños específicos del cliente.
Por otro lado, las fuentes de alimentación auxiliares, modulares y estándares se utilizarán en estaciones de carga y cargadores de pared. Operan desde alrededor de 2 kW en una caja de pared con salida de CA de 350 kW para una unidad de carga rápida de CC en una estación de recarga pública.
No obstante, debido a su proximidad a la red de distribución de CA, rinden en entornos muy adversos con temperaturas extremas y caídas de tensión bruscas, sobretensiones y picos de tensión.
Para poder cumplir los estándares internacionales y, por lo tanto, funcionar de la manera más económica posible, las unidades de carga también deben superar requisitos estrictos en términos de eficiencia y pérdidas sin carga.
La categoría de sobretensión cuenta
Los dispositivos expuestos a transitorios de tensión de CA deben poseer un amplio rango de entrada y cumplir la categoría de sobretensión (OVC) nivel III (por favor, observe la tabla).
Sin embargo, la mayoría de los productos AC/DC solo supera el nivel OVC II o ni siquiera se menciona la clase OVC. Por ejemplo, la Categoría III incluye el convertidor AC/DC RAC05-SK/480 de 5 W de RECOM.
Tiene un rango de entrada de 85 a 528 V para una tensión nominal de 100 a 277 V desde la línea al conductor neutro en sistemas monofásicos o tensiones nominales de 208/480 V para la conexión de fase a fase en sistemas trifásicos. Las distancias de seguridad internas son mayores que las de los módulos estándares para cumplir los requisitos más estrictos de OVC III. Además, este convertidor dispone de una serie de salidas de CC y puede operar con temperaturas de -40 °F (-40° C) a +176 °F (+80 °C).
Para aplicaciones con potencias superiores, resulta ideal el modelo RAC10/277 de 10 W de RECOM, con su rango de entrada de 85 a 305 V(AC).
Este convertidor económico también tiene la clasificación OVC III y cuenta con salidas dobles para adecuarse a las necesidades de un gran número de sistemas. Con un valor de corriente de sobretensión de salida del 140 por ciento, está especialmente indicado para cargas con corrientes de entrada (inrush) elevadas.
Ambos modelos se presentan en un encapsulado de 2 × 1″ para instalación en PCB, garantizan una mínima pérdida en standby y cumplen los estándares EMC Clase B.
Un cargador típico también demanda funciones de convertidor DC/DC para las barras colectoras de DC internas y poder alimentar las interfaces de comunicación aisladas. A menudo, aquí se necesita una elevada fuerza dieléctrica, así como un amplio rango de temperatura operativa y un tamaño compacto.
Con su capacidad de aislamiento de CA de 5 kV, el R05CT05S se convierte en una de las mejores alternativas posibles. Ofrece una tensión de salida de 5 o 3,3 V desde una tensión de entrada de 5 V en un encapsulado con formato de CI. El rango de temperatura operativa alcanza los +284 °F (+140 °C) y los componentes se encuentran completamente protegidos ante cortocircuitos, sobrecarga, sobrecalentamiento y subtensión de entrada.
Recientemente, se ha lanzado una nueva versión ligeramente más potente (de 1 W) de la serie RxxCTExx, que se suministra en un encapsulado SMT SOIC-16 diminuto con una altura de 2,65 mm.
Para aquellas aplicaciones más sensibles al coste en cargadores de VE, se recomienda el uso de componentes THT, como los de la serie RKE/H de Recom en formato SIP7. Dotan de la posibilidad de elegir entre amplios rangos de entrada y salida y se caracterizan por alta eficiencia y aislamiento de CC de 4 kV, particularmente útil en tareas de monitorización de tensión y corriente de batería que, a su vez, no suelen estar relacionadas con la toma de tierra.
Convertidores DC/DC no aislados para cargadores de VE con baterías de 48 V
En algunos vehículos eléctricos, se utilizan baterías de 48 V, como es el caso de furgonetas pequeñas, todoterrenos, drones y vehículos híbridos ligeros (MHEV) enchufables. Los convertidores DC/DC no aislados se pueden usar como la fuente de carga principal en estos casos, ya que la tensión se sitúa por debajo del límite SELV (tensión de seguridad muy baja) de 60 V(DC).
Esto permite aumentar la eficiencia en la conversión de energía. Un módulo como el RBBA3000 de Recom resulta idóneo, con su salida asignada de 50 A para una potencia de hasta 3 kW. Se puede programar externamente entre 0 y 60 VDC y es posible monitorizar la corriente, lo que se traduce en la capacidad de crear un perfil de carga de batería preciso.
El convertidor DC/DC está diseñado en un formato half–brick con refrigeración de placa base y unas dimensiones de 63,2 × 60,6 × 13 mm. Posee una señal de medida de corriente de carga, eliminando así la necesidad de una carga resistiva (shunt) externa susceptible a las pérdidas.
Con un rango de temperatura operativa de -40 °F (-40 °C) a +185 °F (+85 °C), es ideal para el entorno de los nuevos cargadores de VE y otras muchas aplicaciones.
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