Los vehículos eléctricos tienen un problema de peso que no se puede resolver con métodos tradicionales

­­Autor: Noa Margolin, Ingeniera de I+D, Vicor Corporation

Los módulos de potencia de alta densidad permiten que los sistemas de 48V reduzcan su peso y sus pérdidas de potencia

Los vehículos eléctricos (VE) alimentados por batería tienen un grave problema de peso. Muchos VE pesan hasta un 33% más que sus homólogos con motor de combustión interna. Así, el presidente del Consejo Nacional de Seguridad del Transporte en EE.UU. señaló: “La camioneta Ford F-150 Lightning pesa entre 900 y 1.400 kg más que la versión no eléctrica”. Además, la Oficina Nacional de Investigación Económica llegó a la conclusión de que añadir 450 kg a un vehículo incrementa el riesgo de fatalidad en caso de accidente alrededor de un 47%.

En consecuencia, los fabricantes de automóviles afrontan grandes limitaciones cuando intentan diseñar VE con más autonomía, seguridad y contenido electrónico. Se trata de uno de los retos de I+D más formidables que ha afrontado nunca este sector.

Pese a la magnitud de este reto, la preocupación entre fabricantes, consumidores y legisladores se puede mitigar si las redes de alimentación convencionales de los VE, caracterizadas por su sobrepeso, son sustituidas por arquitecturas zonales de 48V en las que un bus de 48V sustituye al sistema anterior de 12V. El despliegue de una arquitectura zonal basada en módulos de potencia de alta densidad reducirá el peso de tres maneras. Esta nueva arquitectura facilitará la transición de un cableado con un grueso diámetro a otro mucho más delgado, disminuyendo así su peso hasta un 85%. Además, las baterías auxiliares de baja tensión se pueden retirar y virtualizar con módulos de potencia, eliminando de este modo por completo el peso de la batería. Por último, la nueva red de alimentación basada en módulo de potencia optimiza el sistema de gestión térmica y reduce su peso hasta un 33%.

Por tanto, la transición a una arquitectura zonal como alternativa a la tradicional arquitectura centralizada disminuye significativamente el peso y mejora la eficiencia total del sistema de alimentación.

Adopción de 48V: una mejora evidente y pendiente en los VE

Figura 1: La conversión a un sistema de 48V reduce el consumo total de corriente en el vehículo desde más de 250A hasta menos de 75A sin afectar al contenido eléctrico del vehículo. Desde 1908, la demanda de corriente en los automóviles ha crecido exponencialmente con la incorporación de la electrónica en los vehículos. En la década de 1960, los fabricantes incrementaron la tensión de 6V a 12V, provocando así un descenso de la corriente por primera vez en 60 años. En la actualidad, la mayoría de los fabricantes siguen utilizando el bus de 12V pese a la demanda de más corriente. En 2023, Tesla se convirtió en el primer fabricante en anunciar la plena adopción del bus de 48V en todo el vehículo, la cual disminuirá enormemente la demanda de corriente.

Los nuevos vehículos han incorporado nuevos circuitos electrónicos en cada ciclo de diseño con el fin de mejorar la protección, la seguridad y la autonomía. Cada función que se añade aumenta el consumo y, si la batería es fija y estandarizada, esto se ha traducido en un incremento exponencial de la corriente. Tal como demuestra la tendencia de la corriente (Figura 1), la red de alimentación basada en una arquitectura centralizada es insostenible. El único modo de asumir la creciente necesidad de potencia y proporcionar al mismo tiempo unos niveles sostenibles de corriente, minimizando el peso del cableado, consiste en incrementar la tensión de trabajo hasta 48V mediante una arquitectura zonal.

Los VE actuales se alimentan con una batería principal de alta tensión (generalmente de 400V o 800V) que ha de alimentar no solo el motor de tracción eléctrica sino también un enorme número de cargas de baja tensión, como el aire acondicionado, la calefacción de los asientos y los sistemas de infoentretenimiento. Una red de alimentación reduce la alta tensión a los 48V y 12V de las baterías auxiliares que alimentan estos subsistemas.

La adopción de una arquitectura zonal de 48 presenta una oportunidad teniendo en cuenta la Ley de Ohm:. Para la misma red de alimentación, una fuente de 12V exige multiplicar por cuatro la corriente si se compara con una fuente de 48V. Por tanto, el cable para 12V también suele ser cuatro veces más grueso que para 48V.

Figura 2. Los automóviles actuales utilizan dos tipos de redes de alimentación: la arquitectura centralizada de 12V y la arquitectura zonal de 48V, que experimenta un rápido crecimiento. La primera depende de un grueso cableado para 12V, mientras que la segunda recurre a un fino cableado de 48V que es mucho más ligero, reduce la pérdida de calor y disminuye la corriente hasta cuatro veces.

El declive de la arquitectura centralizada de 12V

El sistema centralizado de 12V ha sido la arquitectura de alimentación tradicional que se ha empleado en los automóviles desde la década de 1960. Esta arquitectura consiste en una voluminosa caja en una carcasa que contiene un conjunto de componentes discretos, incluidos todos los convertidores CC/CC de alta tensión para pasar de 48V a 12V. Se necesitan cables gruesos y pesados para transportar la corriente de 12V a los puntos de carga. A ello se añade que, debido a la ineficiencia inherente a la conversión CC/CC tradicional, este sistema centralizado de alimentación genera una importante cantidad de calor procedente de la caja, que a menudo requiere una intensa refrigeración líquida que a su vez añade más peso.

La adopción de módulos de potencia de alta densidad de 48V se puede aplicar en los extremos para convertir de modo eficiente hasta 12V en los puntos de carga. Los fabricantes disponen así de la flexibilidad necesaria para una transición gradual de los dispositivos de carga de 12V a 48V a lo largo del tiempo. Esto ayuda a aprovechar con rapidez las ventajas que ofrece usar 48V con una mínima alteración de la arquitectura del sistema.

La arquitectura zonal de 48V reduce la pérdida de calor y la corriente

Este novedoso sistema de arquitectura zonal de 48V aprovecha la Ley de Ohm y supone un cambio de paradigma para el sector: la conversión CC/CC tiene lugar más cerca de los puntos de carga y no dentro de la caja centralizada. Según este enfoque, la conversión de alta tensión a 48V permite disponer de un bus seguro de 48V en todo el vehículo. La conversión de 48V a 12V se realiza en el punto de carga. Al transportar corriente a 48V en vez de 12V, los cables pueden ser más finos, ligeros y bastante más económicos (Figura 2). Este cable más pequeño y flexible también es más fácil de instalar dentro del vehículo. Esta técnica también distribuye de manera más uniforme la pérdida de calor generada por los convertidores CC/CC en el vehículo, permitiendo así el uso potencial de soluciones de conducción del calor y refrigeración por aire montadas en el chasis.

Cálculo del ahorro de peso

La arquitectura zonal de 48V se adapta mejor a la creciente demanda de potencia de los VE, disminuyendo al mismo tiempo el peso del vehículo de tres formas:

1. Cableado: reducción de peso ~85%

La adopción de la arquitectura zonal de 48V implica la sustitución de los gruesos cables tradicionales de calibre 4 y 273g/m para 12V por cables de calibre 10 y 27g/m para 48V. Esto reduce el peso del cableado en un 85% aproximadamente.

2. Eliminación de la batería auxiliar: reducción de peso ~100%

Figura 3: Los módulos de potencia ofrecen una respuesta más rápida frente a transitorios que las baterías de ácido-plomo de 12V creando una batería virtual que puede sustituir a la antigua y pesada batería de 12V.

Una arquitectura zonal basada en módulos de potencia permite acelerar la respuesta del convertidor CC/CC frente a transitorios al crear una batería virtual. Por tanto, los módulos de potencia zonales de 12V/48V reproduzcan las características de las baterías de baja tensión de 12/48V, además de eliminar por completo la batería física de 12V, ahorrando así el 100% de su peso.

3. Optimización del sistema de alimentación: reducción de peso ~33%

Figura 4: El tamaño de la caja centralizada se puede reducir si se utilizan módulos de potencia y una arquitectura zonal porque el calor se puede disipar más eficientemente en los puntos finales donde los 48V se convierten a cargas de 12V.

La sustitución del sistema centralizado por un sistema zonal traslada la conversión de 48V a 12V de la caja a los puntos de carga. La nueva caja del sistema de alimentación basado en módulos de potencia de alta densidad para suministrar 48V será hasta un 33% más pequeña, por lo que su peso se puede reducir hasta en un tercio (33%).

En un tradicional sistema centralizado de 12V, los componentes discretos generan una elevada temperatura ambiente dentro de la caja, mientras que el sistema de alimentación basado en módulos de potencia de alta densidad genera menos calor y los módulos en el punto de carga se pueden refrigerar de manera eficiente en el chasis. Estas mejoras permiten reducir el peso del sistema de refrigeración líquida hasta un 7%.

Transformar el peso en una oportunidad

Los fabricantes de automóviles se ven beneficiados de diversas maneras gracias a la arquitectura zonal. Para ilustrarlo, pensemos en el efecto que tendrá la reducción del peso sobre la mayor autonomía del vehículo.

El peso del vehículo influye sobre su consumo y su autonomía. Sin embargo, el peso extra puede atenuar su efecto sobre la autonomía si se usa para aumentar el tamaño de la batería. La batería adicional proporciona un mayor almacenamiento de energía, y por tanto mejora la autonomía.

Según un estudio realizado por Vicor, la arquitectura zonal basada en módulos de potencia de alta densidad puede reducir el peso del vehículo hasta 18 kg (Tabla 1). Cuando este peso es sustituido por
18 kg de celdas en la batería, la autonomía del VE se puede incrementar hasta 6.400 km al año, sin una ganancia neta de peso.

Esta cifra es significativa teniendo en cuenta que, en el caso de EE.UU., un conductor recorre una media de 23.000 km al año según la Administración Federal de Carreteras. Por tanto, el uso de la arquitectura zonal de 48V puede disminuir el tiempo de carga anual hasta un 30% (Tabla 2) e incrementar la distancia que puede recorrer el vehículo con cada carga.

Tabla 1: La combinación de una arquitectura zonal de 48V y módulos de potencia de alta densidad ahorra unos 18kg de peso en los SUV eléctricos compactos.

Tabla 2: La mejora de la autonomía proporciona a los conductores una mayor distancia por carga, reduciendo así el número de cargas necesarias al año.

Innovar para eliminar

Los vehículos eléctricos tienen sobrepeso y esta tendencia no es sostenible ni beneficioso para el crecimiento de la demanda de VE. La arquitectura centralizada de 12V, con su caja y sus componentes discretos, necesitan evolucionar hacia una arquitectura zonal de 48V para optimizar la red de alimentación del VE y el sistema de gestión térmica. La arquitectura zonal puede incrementar la autonomía hasta 6.400 km al año o se puede aprovechar para aumentar la seguridad de las funciones electrónicas.

Las arquitecturas zonales más eficientes utilizan convertidores pequeños y ligeros en el punto de carga. Los módulos con altos niveles de densidad de potencia y eficiencia son la mejor opción para la conversión de 48V a 12V.

Ante la complejidad actual de la electrónica de potencia en el automóvil, los fabricantes necesitan ser creativos para ahorrar peso y aumentar el rendimiento. Vicor, el líder en módulos de potencia de alto rendimiento, facilita la innovación y la creatividad. Los módulos de potencia compactos, las arquitecturas y las topologías de Vicor ofrecen a los fabricantes de automóviles unas soluciones de alimentación flexibles y escalables para la conversión de alta tensión en todo el vehículo. Estos módulos de potencia son fáciles de instalar y son la alternativa a los tradicionales diseños discretos utilizados hasta ahora en los sistemas de alimentación centralizados. Los módulos de potencia, pequeños y compactos son la mejor opción y un componente natural para una arquitectura zonal de 48V, que es la red de alimentación del futuro para la industria del automóvil.