Quizás, el ejemplo más fascinante de electromovilidad (eMobility) ocurrió en abril de 2021: el primer vuelo del helicóptero Ingenuity en Marte. A pesar de que los vehículos eléctricos en la Tierra no tienen que operar en entornos tan adversos, su electrónica de potencia todavía necesita rendir de manera fiable en condiciones difíciles.
Cuando el Ingenuity despegó en Marte, se encontraba a casi trescientos millones de kilómetros de la Tierra, el tiempo de transmisión de ida y vuelta de una señal de radio superó los 32 minutos. Durante su vuelo, el helicóptero consumió alrededor de 350 W de potencia. Las baterías de iones de litio recargables que accionaban sus dos rotores funcionaban con energía solar.
El entorno en Marte es hostil, con temperaturas extremas y presión atmosférica baja, lo que significa que se puede aprender mucho sobre la fiabilidad y la durabilidad de la electrónica de potencia en condiciones desafiantes a través del vuelo del Ingenuity.
Los vehículos terrestres también lo tienen difícil
En la Tierra, también hay vehículos todoterreno (off–highway) que circulan en entornos adversos. Aquí se incluyen carretillas elevadoras, cargadoras, tractores y excavadoras, así como una amplia gama de máquinas de menor tamaño para tareas automatizadas o transporte de pasajeros. Al igual que el Ingenuity, necesitan accionamientos por motor, cargadores on–board y off–board y convertidores CC/CC para convertir el nivel de tensión entre la batería de propulsión y 12 o 24 V para los equipos auxiliares. Estos módulos convertidores suelen operar en exteriores con una temperatura de -40 a +75 °C y se encuentran protegidos ante el ingreso de polvo y agua. A menudo, la refrigeración sólo se lleva a cabo mediante una placa base, ya que los ventiladores casi nunca se utilizan debido a su vida útil y a las propiedades relacionadas con el ruido.
Electrónica para los estándares de calidad del sector del automóvil
Muchos de los avances en el campo de la electrónica de potencia se centran en soluciones de vehículos eléctricos para personas y mercancías. La mejora de la eficiencia para aumentar la autonomía de los vehículos y reducir el tamaño y el peso de los convertidores es un factor clave de este trabajo. Esto también se aplica a los convertidores CC/CC de baja tensión que requieren funcionar de manera fiable durante varias décadas en el exigente entorno de los vehículos eléctricos.
Los vehículos eléctricos autónomos se pueden considerar procesadores de datos móviles, ya que están equipados con componentes normalmente requeridos para ellos, como CPU, FPGA y SoC, todos los cuales demandan carriles de alimentación de precisión de baja tensión. Se suelen ofrecer a través de convertidores de punto de carga (PoL). Los convertidores calificados para esta aplicación deben garantizar el nivel más alto de fiabilidad, por ejemplo, mediante conexiones de soldadura de montaje superficial con flancos humectables.
Además, el entorno operativo de un vehículo eléctrico es susceptible a la compatibilidad electromagnética (EMC) y las frecuencias de conmutación en el rango AM pueden ser problemáticas. Por lo tanto, los convertidores tienen que mantenerse dentro de rangos de frecuencia limitados, lo que obviamente restringe el diseño del circuito.
Las vibraciones y los choques físicos y térmicos también plantean retos particulares. La serie RPX de alta eficiencia de RECOM (Fig. 1) está diseñada para aumentar la resistencia a dichos fenómenos (de acuerdo a MIL-STD-883D). Rutronik también suministra una versión-Q, que supera los requisitos de la industria del automóvil. Los modelos RPX se presentan en un encapsulado QFN ultraminiaturizado (3 × 5 mm) con una altura de 1,6 mm, con un chip flip sobremoldeado en una estructura metálica (leadframe). La tensión de salida se puede ajustar entre 0,8 y 30 V, mientras que el rango de entrada es de 4 a 36 V. Además, posee funciones de monitorización y control integrales, algo esencial en aplicaciones a bordo de vehículos eléctricos.
Figura 1: El convertidor RPX-DC/DC de RECOM es altamente eficiente (la versión con salida de 1,8 V se muestra en el diagrama).
Los cargadores de vehículos eléctricos, ya sean en la carretera o en casa, deben ser pequeños y tener el menor impacto posible en el medioambiente. Esto, de nuevo, requiere un alto nivel de eficiencia, no sólo en la fase principal del cargador CA/CC, sino también en un buen número de fuentes de alimentación auxiliares CA/CC y CC/CC comúnmente disponibles.
Los cargadores externos (off–board) generalmente operan en un entorno de categoría de sobretensión 3 (OVC III). Así pues, a menudo, los cargadores CA/CC off–the–shelf no son adecuados, especialmente si el cargador tiene que ser bidireccional. Power Control Systems (PCS), filial de RECOM, está especializada en productos personalizados para aplicaciones de alto kW. Sus fuentes de alimentación disponibles a través de Rutronik cumplen todos los estándares relevantes y rinden en el rango de temperatura de -40 a +85 °C. Además del bajo nivel de ruido y rizado, se caracterizan por un alto nivel de eficiencia.
Normas estrictas para la electrónica en el sector ferroviario
Mientras que los helicópteros en planetas lejanos no tienen que cumplir estándares internacionales de funcionalidad y seguridad, las aplicaciones de electromovilidad en la Tierra suelen estar fuertemente reguladas. Un ejemplo excelente es el sector ferroviario: aquí el estándar general es el DIN EN 50155, en tanto que otros estándares regulan la EMC, los sistemas de aislamiento, el choque y las vibraciones, la protección ante el fuego y las funciones de seguridad eléctrica. Estas normas garantizan que las fuentes de energía para los dispositivos de accionamiento, control, confort y comunicación funcionen de manera fiable, incluso con problemas y alteraciones de alimentación, como transitorios, picos o apagones parciales y totales, así como con una tensión de alimentación nominal que varía entre 24 V y 110 VDC (Fig. 2).
Figura 2: Las tensiones de alimentación en el sector ferroviario y sus sobretensiones cubren una amplia variedad de aplicaciones.
Para poder superar lo establecido en estos estándares, los convertidores modulares requieren un elevado nivel de protección eléctrica y ambiental, aunque normalmente sólo está disponible la refrigeración por contacto. Los convertidores CC/CC de la familia RMD de RECOM satisfacen todas estas necesidades. Se encuentran disponibles para aquellas aplicaciones en el rango de 150 W a 1 kW.
Sin duda, el helicóptero Ingenuity es una inspiración – pero probablemente muy pocas personas fuera de la comunidad de la tecnología energética se dan cuenta de que los avances que hicieron posible su vuelo inaugural también se utilizan en vehículos eléctricos en la Tierra.
