Charles Flatot-Le Bohec, Director Global de Productos para Electromovilidad, LEM
La electrificación se ha convertido en un factor clave para el sector del transporte porque es uno de los que generan más emisiones de gases invernadero. Los países se esfuerzan por lograr el objetivo de la neutralidad global de CO2 en 2035, y coches, autobuses y taxis han estado a la vanguardia del cambio. Los vehículos eléctricos (VE) se han generalizado: los taxis se mueven silenciosamente por nuestras calles mientras las camionetas y los autobuses “100% eléctricos” llevan paquetes y personas hasta sus destinos.
No obstante, tanto énfasis en los VE podría dejar de lado el sector de la electromovilidad ligera, en concreto la creciente demanda de la electrificación de vehículos de dos y tres ruedas. Aunque los VE han atraído desde luego mucha atención y protagonismo dentro del sector del transporte, en todo el mundo se está desarrollando una tendencia mucho más importante.
El medio de transporte más utilizado
El sector de la movilidad ligera ha experimentado una notable aceleración de la electrificación, concretamente en los países del sureste asiático, como Malasia e Indonesia, así como en India, China (y pronto África) donde el transporte sobre dos ruedas es de lejos el medio de transporte más utilizado. Se ha estimado que circulan unos 70 millones de vehículos de dos ruedas y su número aumenta con rapidez. En general se espera que la electrificación de vehículos de dos ruedas gane terreno en las economías del norte durante la próxima década, y muchas empresas en EE.UU. y en Europa ya esperan presentar productos en este mercado.
Por lo que respecta al crecimiento, este sector está creciendo con más rapidez que el mercado de cuatro ruedas, en parte porque los aspectos relacionados con la certificación y el diseño son mucho menos complejos. De forma parecida, los sistemas de gestión de baterías (battery management systems, BMS) son más fáciles de diseñar para este sector porque las baterías destinadas a vehículos de dos ruedas son más pequeñas, con niveles más bajos de potencia y tensión. Todo esto significa que las nuevas empresas pueden abordar la movilidad eléctrica con mucha más facilidad en el mercado de dos ruedas que si tuvieran que diseñar sistemas para VE desde cero.
En 2021, alrededor del 6% de los vehículos de movilidad ligera estaban electrificados y el resto se basaba en un motor de combustión interna. Se estima que en 2030 los patinetes eléctricos y las motocicletas eléctricas representarán un 68% del mercado de vehículos de dos ruedas. En concreto, se prevé que las ventas de patinetes eléctricos lleguen a 30 millones en los seis próximos años, frente a 23 millones de motocicletas eléctricas y 40 millones de bicicletas eléctricas. En la actualidad el mercado de vehículos eléctricos de dos ruedas se centra en patinetes eléctricos de 48V pero se espera que el crecimiento proceda sobre todo de las motocicletas eléctricas de 100V-200V, seguidas de las bicicletas eléctricas son sistemas de 36V. En India, las motocicletas potentes representan el mayor segmento del mercado de dos ruedas y su crecimiento ya está inspirando una nueva ola de diseños eléctricos donde los componentes ligeros, compactos y durados son requisitos esenciales.
Los sensores de corriente integrados en el epicentro
LEM cree que los sensores de corriente integrados (Integrated current sensors, ICS), que integran la función de detección de corriente en un solo dispositivo semiconductor, ocuparán el epicentro del mercado de la electromovilidad. Esto se debe a que combinan precisión, fiabilidad y alta densidad de potencia en un medio versátil y económico de abordar los diversos niveles de tensión y corriente que caracterizan a este sector. En un entorno tan competitivo y sensible al precio, los ICS pueden ofrecer una solución inmediata para mantener los costes a raya y aprovechar al máximo el espacio en la placa de circuito impreso. Además desempeñan un papel clave para lograr la máxima seguridad, concretamente para controlar los BMS que pueden permitir a las baterías alcanzar una vida útil de 10 años como mínimo bajo condiciones normales de funcionamiento.
LEM puso hace muchos años su atención en este mercado tan estratégico, desarrollando para ello un catálogo que cumple los requisitos del sector de la movilidad ligera, especialmente de vehículos eléctricos de dos ruedas con motores de CA trifásicos, a través de productos tan avanzados como los utilizados en los VE. La gama de ICS de LEM cubre todo el subsistema de electromovilidad, que normalmente incluiría hasta ocho sensores por vehículo.
Existen tres grandes apartados donde los ICS son ideales para vehículos eléctricos de dos ruedas. El primero es la conversión de potencia, en la que el cargador convierte la CA de la red en CC para la batería de iones de litio del vehículo.
Figura 1. Cuota de mercado de vehículos de 2 ruedas – motor de combusión vs eléctricos
Existen asimismo tres puntos de medida típicos para detectar la corriente en el cargador que se centran no solo en la conversión de potencia sino también en la eficiencia y el control:
- Un sensor de corriente integrado mide la entrada de CA donde el cargador necesita comprobar la corriente que entra en el sistema.
- Un segundo ICS monitoriza los transistores e interruptores de potencia que convierten la señal de CA a CC. Este sensor de corriente sincroniza los transistores para asegurar que la conversión se efectúe de manera eficiente.
- Finalmente, un sensor de corriente de salida CC mide la corriente que sale del sistema y la compara con la corriente de salida prevista. Cualquier diferencia indicará un problema en la etapa de conversión que el microcontrolador deberá ajustar para asegurar que se obtiene la corriente de salida deseada.
Entre los ICS de LEM que se suelen utilizar para ello se encuentran los sensores GO porque el sensor de entrada necesita estar aislado a causa de la tensión de la red. Dado que la tensión de la red CA es de unos 200V-220V, en la etapa de entrada sería ideal un ICS GO SME para una corriente baja o un GO SMS para una corriente más alta. Los sensores GO SME también son adecuados en la etapa de salida porque se necesita menos aislamiento cuando se trabaja con baterías de 48V.
Cómo evitar que las baterías resulten dañadas
El segundo apartado clave para los ICS en los vehículos eléctricos de dos ruedas es el BMS para evitar daños en las baterías así como averías potencialmente catastróficas como incendios o explosiones. Un solo sensor que funciona como dispositivo de protección y seguridad en el BMS comprueba si hay picos transitorios de alta corriente hacia y desde la batería. Si los hay, el ICS ordenará al microcontrolador que abra el relé para impedir que llegue más energía a la batería. Los ICS funcionan a menudo junto con un shunt que utiliza una tecnología diferente para tomar las mismas medidas, y el microcontrolador compara ambas señales. Esta doble redundancia permite que, si falla el sensor por cualquier motivo, el otro seguirá tomando medidas.
El tercer apartado en el cual son ideales los ICS en los vehículos eléctricos de dos ruedas es el control del motor, donde la corriente CC procedente de la batería se convierte en una corriente CA trifásica para manejar el motor eléctrico que mueve el vehículo. Para ello se suelen utilizar cuatro sensores, uno en la etapa de entrada y tres a la salida. Todos ellos se pueden soldar de manera automática y directa sobre la placa de circuito impreso y ocupan un mínimo espacio. De nuevo el microcontrolador se encarga de comprobar que los niveles de entrada y salida son los previstos. La seguridad se ve mejorada por a todos los sensores a la entrada y la salida, que funcionan en armonía para comparar los niveles y asegurarse de que el funcionamiento es el previsto. El microcontrolador gestiona los drivers de la puerta del transistor recurriendo a la señal enviada por el sensor de corriente, por lo que este lazo de control es muy eficiente ya que proporciona un control exacto del motor. El resultado para el usuario final es una aceleración suave y la máxima eficiencia operativa del vehículo.
Los ICS de LEM que se suelen utilizar en este apartado son los pertenecientes a la familia HMSR SMS, sobre todo por su gran conductor primario con una resistencia eléctrica muy baja y terminales especiales que le permiten manejar corrientes elevadas si es necesario. Los sensores HMSR, que incorporan un micronúcleo magnético, son inmunes frente a campos externos por lo que son ideales para aplicaciones electrónicas de potencia con altos niveles de perturbaciones.
Figura 2. Miniaturización de la función de detección de corriente.
Conclusión
En resumen, los sensores de corriente integrados en vehículos eléctricos de dos y tres ruedas son capaces de ofrecer un rendimiento superior en un formato más pequeño y de bajo coste que proporciona unos niveles impresionantes de densidad de potencia en aplicaciones de movilidad ligera. Los sensores combinan altos niveles de aislamiento y exactitud junto con su capacidad de manejar corrientes más altas, todo ello en un encapsulado más integrado que se puede instalar directamente sobre la placa de circuito impreso.
La electrificación global de vehículos de dos y tres ruedas está llamada a despegar y, gracias a su precisión, fiabilidad, integración y densidad de potencia, el creciente catálogo de sensores de corriente integrados de LEM desempeñará un papel vital para impulsar el crecimiento de este sector.
Figura 3. Aplicación típica de electromovilidad y puntos de medida de corriente.
