Autor: David McChesney, Strategic Account Manager, Vicor
El paso de los subsistemas eléctricos de automoción de 12V a 48V hace que los fabricantes de automóviles y los suministradores en el mercado de posventa no estén preparados para los retos que están por delante.
Los diseños de los coches y los camiones han evolucionado de forma gradual durante el último siglo, pero las baterías de los vehículos son una tecnología del automóvil que se ha mostrado resistente al cambio. Las baterías de 6V presentadas en la década de 1920 para alimentar los motores eléctricos de arranque han demostrado su idoneidad hasta mediados de la década de 1950 cuando los motores más grandes y los nuevos accesorios provocaron la adopción de 12V.
Además de un intento fallido de pasar a un sistema eléctrico de 42V en la década de 1990 que finalmente fue abandonado, los sistemas de 12V han seguido siendo la norma hasta hace relativamente poco. Ahora, sin embargo, la necesidad de más potencia y la adopción generalizada de los vehículos híbridos y eléctricos con batería han creado un entorno en el cual el paso a un sistema de mayor tensión es inevitable. Tesla está marcando el camino con la presentación del Cybertruck de 48V zonal, que ha provocado la transición apresurada de otros fabricantes hacia 48V.
La red de alimentación de 48V será la norma durante las próximas décadas gracias a una serie de ventajas. Además de permanecer por debajo del umbral de 60V, por encima del cual los sistemas pasan a ser de “alta tensión” y están sujetos a unos exigentes requisitos de seguridad, las redes de alimentación de 48V proporcionan más potencia con cableados más pequeño, ligero y económico. En algunas situaciones, se estima que un sistema de 48V podría ahorrar hasta un 85% en el peso del cableado necesario para alimentar una carga típica si se compara con un subsistema equivalente de 12V. Además el funcionamiento con una corriente más baja minimiza las pérdidas de potencia y permite disponer de soluciones térmicas más eficientes.
Pese a las ventajas que puede proporcionar un bus de 48V, adaptar los diseños del vehículo y los procesos de fabricación supone un reto para los fabricantes de automóviles. Un vehículo medio contiene actualmente más de 200 dispositivos o funciones alimentadas por la fuente de 12V y en su mayoría se han de actualizar para que funcionen a 48V. Algunas funciones nuevas, como el sistema de dirección de tipo “steer-by-wire” y la suspensión activa, requieren más potencia de la que pueden proporcionar 12V con facilidad. Al introducirse en los modelos más comunes, el uso de subsistemas de 48V se convertirá en algo habitual.
Transición a 48V
Si bien la adopción de 48V eliminará las limitaciones de los sistemas de 12V, también representa un desafío para los accesorios de alta potencia que han de ser compatibles con vehículos de 12V y 48V.
El problema ya se está manifestando en EE.UU., donde es preciso evaluar la posibilidad de añadir accesorios a las camionetas de alta y media potencia.
Un indicio de lo que depara el futuro llega de la mano de Tesla, que ha incorporado una arquitectura zonal de 48V a su Cybertruck para alimentar sus sistemas eléctricos de mayor potencia. Elon Musk ha bromeado incluso con la idea de un motor fueraborda para que el Cybertruck sea «lo suficientemente resistente al agua como para servir como barco durante un corto período”. Este paso es un indicio de la intención de Tesla de cambiar sus futuros vehículos eléctricos a una arquitectura de 48V.
Esto es el inicio de un proceso que tardará no años, sino décadas en resolverse. Un calendario de la probable transición hasta 2040 indica que las diferentes velocidades de adopción por parte de fabricantes y suministradores de accesorios en el mercado de posventa crearán un ecosistema complejo en el que los vehículos y los accesorios de 12V seguirán siendo utilizados más allá de 2040.
Figura 1. El calendario para la transición de 12V a 48V en los sistemas eléctricos de los vehículos y los accesorios del mercado posventa es complejo y ambiguo. No está claro cómo será abordada esta transición por fabricantes, proveedores del mercado secundario y aficionados al bricolaje.
Las cargas que consumen más tendrán la máxima prioridad, pero resulta difícil prever cuánto tardará en completarse la transición. Lo que está claro es que los fabricantes de automóviles y los proveedores del mercado de posventa necesitan prepararse para un largo período durante el cual competirán por vender en un mercado mixto con vehículos de 12V y 48V.
Cuidado con los compradores
En EE.UU., la cuestión de cómo responder es especialmente aguda en el mercado de las camionetas y los accesorios, donde casi la mitad de los propietarios de vehículos adquieren equipos en el mercado de posventa como cabrestantes, quitanieves y portones que generan un mercado superior a los 200.000 millones de dólares en 2022. Los clientes son muy fiables a su marca pero quieren tener la posibilidad de adquirir exactamente el equipo de alta potencia que se verá afectado por el paso a 48V. Los fabricantes de automóviles que no consigan proporcionar una solución se arriesgan a erosionar una de las fuentes más consistentes y lucrativas de ingresos.
[La situación en Europa es algo distinta, ya que el sector de posventa está menos consolidado que en EE.UU. Sin embargo, la creciente demanda de consumidores que quieren añadir accesorios más sofisticados a sus vehículos, como dispositivos de navegación y entretenimiento, asientos con calefacción, etc., está generando una gama más amplia de soluciones en el mercado de posventa que fomenta el crecimiento de este sector.
A medida que aumente el número de sistemas de 48V que entran en las líneas de montaje, la disparidad de la compatibilidad se hará más evidente y surgirá una pregunta: ¿Quién es el responsable de simplificar la transición lo máximo posible a los clientes y al mismo tiempo lograr que su empresa esté preparada para el futuro? ¿Fabricantes de automóviles, suministradores del mercado de posventa o empresas que adaptan productos de bricolaje?
Exploración de soluciones potenciales
Los suministradores del mercado de posventa suelen ser reactivos y reacios a invertir en el desarrollo de nuevas líneas de productos hasta que confían en las tendencias de la industria. Antes de crear un nuevo producto necesitan ver la demanda. Esto significa que el grueso del cambio recaerá en gran medida en los fabricantes de automóviles.
Ofrecer conexiones de 12V y 48V en el vehículo, quizás como un paquete opcional si el cliente quiere pagar por él, facilita la integración con los equipos estándar del fabricante que cumplen las normas de seguridad del vehículo y están cubiertas por la garantía del vehículo. Sin embargo, este planteamiento encarece el vehículo: instalar hasta el doble de conectores conlleva unos procesos de fabricación más complejos. Como alternativa, los vehículos de 48V podrían adaptar accesorios de 12V empleando una arquitectura de alimentación zonal con conexiones de 12V distribuidas por el vehículo en los puntos apropiados y alimentarlos mediante convertidores de potencia.
Para los suministradores del mercado de posventa, desarrollar nuevas versiones de 48V de los productos es inevitable a largo plazo, pero resulta caro y llevará tiempo. A corto plazo, opciones como el desarrollo de versiones de 12V y 48V de cada producto ejercen presión sobre los recursos y exige duplicar el número de artículos en stock para cubrir la doble demanda. También podrían ofrecer un voluminoso convertidor CC/CC como un adaptador en línea entregado junto con el accesorio de 12V para asegurar la compatibilidad.
La inclusión de un voluminoso convertidor de potencia con cada accesorio de 12V aportaría al menos confianza en la calidad y la compatibilidad, pero también incrementaría el coste, carecería de soporte del fabricante y el distribuidor, y sería excluido de la cobertura de la garantía del vehículo.
Para algunos usuarios existe la opción de una solución propia formada por conector, cable, cinta eléctrica, placa de circuito y soldador, o bien de comprar el adaptador de un tercero. Esta solución es económica y permite añadir los dispositivos a medida que se necesitan pero conlleva una serie de problemas potenciales. La autoinstalación conlleva todos los inconvenientes de los complementos en el mercado de posventa, disminuye los niveles de protección, no garantiza la compatibilidad y por último no está verdaderamente integrada en el vehículo o en su sistema eléctrico.
Integración de módulos de potencia de alta densidad
“Elegante” es una palabra inusual en el mundo de la personalización de camionetas. Para solucionar el reto de la compatibilidad de 48V y 12V, los módulos convertidores CC/CC integrados proporcionan una solución compacta y sencilla que ha demostrado ser una manera eficiente de diseñar soluciones en línea para reducir la tensión de 48V a 12V en el punto de carga.
Vicor ha desarrollado convertidores de alta densidad de potencia para entornos de automoción basados en su tecnología de potencia Sine Amplitude Conversion (SAC™), muy consolidada en aplicaciones informáticas de alto rendimiento. Esto permite a los ingenieros de diseño de electrónica de potencia multiplicar hasta por cinco o seis la densidad de potencia del convertidor CC/CC si se compara con las soluciones actualmente disponibles en el mercado.
SAC se basa en la conmutación a tensión cero / corriente cero que permite convertir la tensión en una proporción fija. Para que el convertidor sea tan pequeño como sea posible, se realiza a frecuencias superiores a 1300Hz para posibilitar el uso de componentes magnéticos de menor tamaño y devanados más cortos. Una ventaja añadida es su repuesta extremadamente rápida frente a transitorios por encima de 8,6MA/s.
Vicor ofrece un conjunto de convertidores de potencia como el DCM3735 para cargas de más potencia y el PRM1515 para arquitecturas zonales de bajo coste. La tecnología SAC puede suministrar 4kW de potencia aislada a 48V o regulada a 12V desde una batería de 800V que ocupa 1,1l y pesa 1,4kg. Estos convertidores son flexibles y fácilmente escalables para adaptarse a diversos requisitos en automoción, por lo que simplifica aún más el diseño de la electrónica de potencia.
Planificación proactiva de la compatibilidad entre 48V y 12V
Las ventajas de los 48V son indiscutibles y todos los fabricantes de automóviles van a ir a adoptar esta tensión. El proceso será gradual al principio y los vehículos de 12V seguirán entre nosotros durante décadas. En mercados como las camionetas, no ofrecer accesorios en el mercado de posventa es arriesgado y puede afectar a las ventas de vehículos.
El futuro se presenta ambiguo para la transición hacia 48V. Los fabricantes de automóviles no han emprendido acciones definitivas y los suministradores del mercado de posventa aún no están preparados. Ahora bien, los módulos de potencia de Vicor ofrecen una solución flexible que puede evolucionar junto con el paso a 48V. Estos dispositivos en miniatura, que son flexibles, escalables y con una alta densidad de potencia, proporcionan tanto a los fabricantes de automóviles como al mercado de posventa la clave para una transición gradual y con un consumo eficiente de los accesorios que requieren más energía. Los módulos convertidores CC/CC de alta densidad de potencia de Vicor son flexibles, escalables y están diseñados para unir los entornos de 48V y 12V. Pueden ser la solución inmediata y más efectiva para un problema que se alargará en el tiempo.
