Tierras raras y conversión de energía: su papel en los sistemas DCDC, DCAC y OBC

Cuando hablamos del "corazón" de un vehículo eléctrico, los motores de alto rendimiento suelen acaparar la atención. Sin embargo, impulsar un vehículo eléctrico requiere algo más que un "corazón" fuerte. En segundo plano funcionan silenciosamente una "red neuronal" y un "sistema circulatorio" igualmente complejos y críticos: se trata del sistema electrónico de potencia compuesto por el convertidor DCDC, el cargador de a bordo (OBC) y el inversor (DCAC). Curiosamente, en este campo dominado por los semiconductores basados ​​en silicio, los muy ​elementos de tierras raras​ que dan a los motores sus excepcionales propiedades magnéticas también desempeñan un papel indispensable entre bastidores.

No se trata de los imanes en sí, sino de la búsqueda incesante de eficiencia, estabilidad y densidad de potencia. En cada punto donde es necesario convertir con precisión la energía eléctrica, las características únicas que brindan los materiales de tierras raras ayudan a los ingenieros a superar los límites.

​1. Cargador a bordo (OBC): un socio de carga más pequeño y más rápido

Su OBC es el dispositivo que convierte la corriente alterna (CA) de una estación de carga en corriente continua (CC) requerida por la batería. Sus componentes principales son transformadores e inductores de alta frecuencia. Para aumentar la velocidad de carga y reducir el tamaño de la unidad, los ingenieros deben aumentar continuamente la frecuencia de funcionamiento de estos componentes.

Pero las frecuencias más altas suelen provocar mayores pérdidas en el núcleo, lo que da lugar a generación de calor y reducción de la eficiencia. Aquí es donde entran en juego las tierras raras. El uso de materiales magnéticos permanentes de tierras raras como el neodimio, hierro y boro (NdFeB) para la compensación magnética de polarización, o el empleo de materiales magnéticos blandos de tierras raras de alto rendimiento, puede suprimir significativamente la saturación magnética a altas frecuencias y reducir las pérdidas. Esto significa que un OBC puede alcanzar una potencia nominal más alta en un tamaño más compacto, lo que hace que la carga rápida sea más eficiente y confiable.

2. Convertidor DCDC: el "regulador de voltaje" estable y confiable

El convertidor DCDC es responsable de reducir el alto voltaje del paquete de baterías de tracción (por ejemplo, 400 V u 800 V) para alimentar los sistemas de bajo voltaje del vehículo (12 V/48 V), incluidas las luces, el infoentretenimiento y las unidades de control. Este sistema debe ser extremadamente estable y eficiente.

En este caso, la sensibilidad a la temperatura de los elementos inductores utilizados en el convertidor está directamente relacionada con la estabilidad de todo el sistema. Ciertos diseños de inductores que utilizan imanes permanentes de samario y cobalto (SmCo) se benefician de la excelente estabilidad de temperatura del SmCo (sus propiedades magnéticas cambian mucho menos con la temperatura en comparación con otros materiales). Esto les permite proporcionar valores de inductancia extremadamente estables en un amplio rango de temperaturas de -40 °C a 150 °C. Esto garantiza que el convertidor DCDC pueda proporcionar un suministro de energía limpio y estable a la red de baja tensión, ya sea en condiciones de frío glacial o calor abrasador, garantizando la seguridad absoluta de los sistemas electrónicos del vehículo.

​3. Inversor (DCAC): el núcleo del control preciso

El inversor es el componente clave que convierte la corriente continua (CC) de la batería en corriente alterna (CA) necesaria para impulsar el motor. Determina directamente la respuesta del par del motor y la precisión del control de velocidad. Los límites de rendimiento de un inversor a menudo están limitados por la velocidad de conmutación y la capacidad de manejo de corriente de sus módulos de potencia internos (como IGBT o SiC MOSFET).

En el camino hacia la búsqueda de frecuencias de conmutación más altas y mayor corriente, la disipación de calor es uno de los mayores desafíos. Aunque las tierras raras no se utilizan directamente en chips semiconductores, en algunas soluciones avanzadas de gestión térmica, ​materiales de interfaz térmica o cerámicas que contienen elementos de tierras raras​ se utilizan en el embalaje de módulos de potencia y en los disipadores de calor debido a su excelente conductividad térmica. Esto ayuda a los componentes centrales a disipar el calor rápidamente, permitiendo así que el inversor mantenga una producción de potencia máxima.

​Conclusión: sinergia a nivel de sistema

En PUMBAA entendemos que el sistema de propulsión de un vehículo eléctrico es un sistema altamente integrado. Nuestra comprensión de los materiales de tierras raras se extiende más allá de la fabricación de potentes motores de imanes permanentes para abarcar todo el flujo y la conversión de energía eléctrica. Al comprender y aplicar las ventajas únicas de las tierras raras en propiedades magnéticas y térmicas, entre otras, podemos lograr lo siguiente en sistemas DCDC, OBC y DCAC:

​Mayor densidad de potencia, lo que hace que los componentes sean más compactos y livianos.

​Amplia adaptabilidad a la temperatura, mejorando el rendimiento en todo tipo de clima.

​Eficiencia eléctrica superior que, en última instancia, amplía la autonomía de conducción.

No se trata sólo de seleccionar los mejores materiales; se trata de cómo estos materiales trabajan juntos de manera sinérgica dentro de un sistema completo para lograr un efecto "1+1>2".

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