Cómo un convertidor de cargador EV optimiza las velocidades de carga

Desde que los vehículos eléctricos (EV) han establecido una fuerte presencia en el mercado automotriz, los fabricantes han estado impulsando avances en transmisiones de mayor potencia, mayores capacidades de baterías y velocidades de carga más rápidas. Para satisfacer las demandas de los clientes y extender los rangos de manejo, los fabricantes de EV continúan aumentando la capacidad de energía de la batería. Sin embargo, las baterías más grandes vienen con tiempos de carga más largos. Como la era de los motores de combustión interna como la fuente de energía principal para los vehículos disminuye, los motores eléctricos han surgido como la alternativa favorecida. Los fabricantes de equipos originales (OEM) en la industria automotriz están buscando al sector de semiconductores para las innovaciones electrónicas necesarias para lograr este futuro electrificado. Mientras que muchos están entusiasmados con los dispositivos y características dentro de los vehículos, el rango de manejo y las capacidades de carga siguen siendo preocupaciones clave.

Comprender el papel de los convertidores de cargadores EV

El rápido desarrollo del mercado EV ha traído avances significativos, pero la velocidad de carga de las baterías del vehículo y el tiempo requerido siguen siendo obstáculos importantes. Mejorar la velocidad y la eficiencia de carga de la batería es un factor clave para determinar si los EV pueden reemplazar completamente los vehículos de combustión.

Cómo los convertidores de cargadores EV optimizan la velocidad de carga: habilitar la carga de alta velocidad

Las tecnologías de BandGAP (WBG), como el carburo de silicio (SIC), han beneficiado enormemente la conversión de energía automotriz. En comparación con los dispositivos de energía tradicionales como las IGBT, las tecnologías WBG proporcionan ventajas significativas. Los fabricantes de componentes pasivos también han estado innovando. Los nuevos diseños de inductores aseguran que las tecnologías WBG puedan admitir topologías de cambio más rápidas, lo que permite una mayor alcance y una carga más rápida y confiable.

Con los ingresos de EV proyectados para superar los $ 620 mil millones para 2024 y crecer a una tasa anual del 10%, la demanda de MOSFET SIC avanzados y componentes pasivos mejorados es clara. Los ingenieros se centran cada vez más en evaluar estas tecnologías para mejorar el rendimiento y el rango de carga.

Gestión de la eficiencia de conversión de energía

La eficiencia energética es fundamental para minimizar la pérdida de calor, ahorrar energía y cumplir con las limitaciones de peso y espacio de diseño. Los vehículos eléctricos se consideran cada vez más como fuentes potenciales para equilibrar las perturbaciones de la red (vehículo a red, V2G) o proporcionar energía de emergencia para hogares (vehículo a casa, V2H). Esto requiere topologías de carga bidireccionales, lo que lleva a innovaciones como Totem-Pole PFC, Dual Active Bridge (DAB) y convertidores LLC DC/DC.

Los convertidores de energía basados ​​en SIC, conocidos por su alta eficiencia y densidad de potencia, se están volviendo cada vez más populares en la electrónica de potencia. Los dispositivos SIC se adoptan rápidamente en la infraestructura energética, incluidos los sistemas solares, de UPS, almacenamiento y carga de EV, por su capacidad de mejorar la eficiencia y la densidad de energía, consideraciones clave para abordar los costos ambientales y de energía.

Tecnologías de carga adaptativa e integración del sistema de carga inteligente

Principios de los sistemas de carga inteligente

Los sistemas de carga inteligente son parte integral de los EV, administrando redes de alto voltaje y de bajo voltaje y su comunicación. Así es como funcionan:

1. Red de alto voltaje:

   • Los sistemas de carga rápida convierten el aire acondicionado de las estaciones de carga en alimentación de CC de alto voltaje para la carga directa de la batería, a menudo a niveles de potencia que alcanzan cientos de kilovatios.
   • Los sistemas de carga lenta usan cargadores a bordo (OBC) para convertir la potencia de CA externa en DC para la carga, adecuada para entornos de hogar o lugar de trabajo.

2. Red de bajo voltaje:

   • Los convertidores DC/DC reducen la batería de alto voltaje a 12V o 24 V para sistemas auxiliares.
   • Los sistemas de gestión de baterías (BMS) monitorean y controlan los estados de batería para garantizar una carga segura y comunicarse con OBC y convertidores DC/DC a través de señales de lata.

3. Proceso de carga:

   • Al conectar el enchufe de carga, el OBC verifica la conexión y envía una solicitud de carga al BMS.
   • El BMS evalúa el estado de la batería y responde, ejecutando pasos de alto voltaje o apagado.
   • La carga implica pasos coordinados que incluyen suministro de alimentación de CA, activación del sistema, detección de demanda de carga, comandos de carga y detención.

A través de estos procesos, los sistemas de carga inteligente aseguran una carga segura y eficiente al tiempo que cumplen varios requisitos ambientales y operativos.

Un sistema integrado de carga a bordo ha atraído la atención sostenida de la academia y la industria. Su estructura general, como se ilustra a continuación, presenta varios principios y ventajas distintas:

1. Principio general:
   Cuando se estaciona, el sistema de transmisión de motor eléctrico en un vehículo eléctrico se reconfigura en un cargador, lo que permite que la energía de la cuadrícula cargue la batería. Esto permite la reutilización de tiempo compartido del motor de accionamiento y los componentes de alimentación, que requieren componentes de potencia mínimos o no adicionales. Este enfoque ofrece ventajas significativas en términos de costo, peso y volumen.

2. Características de reconfiguración:

   • Los devanados del motor generalmente funcionan como inductancia del lado de la cuadrícula.
   • El inversor de transmisión generalmente se reconfigura como un rectificador o convertidor de CC totalmente controlado para completar la conversión de energía y cargar la batería de energía del vehículo.

3. Potencial de carga rápida de alta potencia:
   En general, el nivel de energía del sistema de transmisión de un vehículo eléctrico supera con creces el de su sistema de carga. Teóricamente, esto permite a los cargadores integrados a bordo lograr una carga rápida de alta potencia.

Dadas estas ventajas, el concepto de sistemas de carga integrados se ha investigado ampliamente desde su inicio en 1985. En los últimos años, con el rápido desarrollo de la electrónica moderna y las tecnologías de control de accionamiento de motor, varios sistemas de carga integrados basados ​​en diferentes tipos y topologías surgió, cada uno con características y rendimiento únicos. Resumir y analizar estas topologías y métodos de control es esencial para guiar la investigación futura.

Por otro lado, la industria de los vehículos eléctricos tiene mayores demandas de regulación de velocidad del motor y tolerancia a fallas. Los motores de excitación híbridos, que heredan la alta eficiencia y la densidad de potencia de los motores imán permanentes tradicionales, al tiempo que ofrecen una regulación directa de campo magnético como motores excitados eléctricamente, están ganando una atención cada vez mayor en vehículos eléctricos. Su estructura única y características electromagnéticas proporcionan ventajas significativas para los sistemas de carga integrados, que ofrecen nuevas soluciones tecnológicas para su desarrollo.

Beneficios de los convertidores de cargadores EV optimizados

La conveniencia de carga sigue siendo un desafío crítico. Si bien los conductores pueden cargar sus EV durante la noche en casa o durante el día en los lugares de trabajo, estos métodos proporcionan niveles de potencia variables. MejoradoCargador a bordo (OBC)Las capacidades abordan los largos tiempos de carga, pero agregan desafíos de complejidad y diseño. El cambio de 400V a los sistemas de batería de 400V está mejorando tanto la velocidad de carga como la eficiencia de salida de energía al tiempo que reduce las corrientes de carga, acortando así los tiempos generales de carga.

Factores clave como el voltaje y la frecuencia de conmutación influyen en el diseño OBC. Al aumentar estos parámetros, la capacidad de OBC puede mejorar significativamente. Los dispositivos de 1200V basados ​​en SIC ahora son favorecidos por sus mayores capacidades de voltaje de bloqueo, satisfaciendo las demandas de las plataformas EV de próxima generación.

Características clave de los convertidores de cargadores EV avanzados

1. Relación de conversión de paso hacia abajo de alto voltaje
Los convertidores DC-DC integrados pueden extraer energía de las baterías de alto voltaje y entregarla a dispositivos de bajo voltaje como baterías de 12 V.

2. Eliminación de la corriente circulante
Los nuevos diseños de convertidores incluyen circuitos de absorción especiales para eliminar las corrientes circulantes, aumentar la eficiencia de conversión de potencia.

3. Ripe de corriente de baja salida
Al adoptar modos de convertidor hacia adelante, los convertidores reducen la ondulación de corriente del inductor de salida, asegurando la entrega de potencia más suave.

4. Funciones OBC integradas
Los convertidores de cargadores EV avanzados integran las funciones OBC, permitiendo la carga de la red a vehículo (G2V), la descarga del vehículo a la red (V2G) y la transferencia de potencia eficiente entre las baterías principales y auxiliares.

5. Consideraciones de diseño
  ·Las altas relaciones de paso hacia abajo aseguran una conversión de voltaje efectiva.
  ·REDUCIDO RIPLE DE SALIDA ASEGURA LA PODER estable para componentes sensibles.

Estas características proporcionan alta eficiencia y confiabilidad al tiempo que mejoran el rendimiento general del sistema y la usabilidad.

Conclusión

La electrificación y la tecnología inteligente están impulsando la industria automotriz. Los avances en la tecnología de la batería potencian el crecimiento de EV, mientras que los sistemas inteligentes mejoran la seguridad y la eficiencia. A medida que la participación en el mercado de EV continúa creciendo, estas innovaciones desempeñarán un papel fundamental en la transformación del panorama de transporte.