Autor: Jérémie Piro, Global Product Manager BMS de LEM
Los sensores más modernos no solo ayudan a prevenir incendios a bordo con más eficiencia que nunca, sino que también contribuyen a abordar los retos de la autonomía que dominan el mercado de vehículos eléctricos. Las tendencias indican que pronto podrán ofrecer unas prestaciones mucho mayores.
Siempre que se habla sobre vehículos eléctricos (VE), el primer asunto que surge es la distancia que es capaz de recorrer con una sola carga. La distancia recorrida con el depósito lleno suele ser un criterio muy poco importante para la mayoría de las personas al comprar un vehículo de gasolina o diésel, pero en el caso de los VE es de máxima relevancia.
Esto es curioso porque el trayecto medio de un coche es de unos 15 km. Pese a ello, los conductores insistieron en una reciente encuesta en que esperaban que un VE pudiera recorrer unos 600 km con una sola carga. Desde luego la realidad (en el momento de escribir este artículo) es que la mayoría de los conductores no podrán desplazarse esta distancia ni mucho menos con una batería de iones de litio (Li-Ion) totalmente cargada.
Esto evidencia un claro dilema para el sector de la automoción: la tecnología utilizada en los VE es completamente distinta a la que conocen los clientes y las comparaciones con el motor de combustión interna son erróneas.
Existe otro criterio que influye cada vez más sobre la elección de los VE: la seguridad, cuya importancia está llamada a crecer en los próximos años.
¿Por qué se ha convertido la seguridad en un asunto de primer orden? Sencillamente porque los VE modernos se han de diseñar de manera que su carga sea más rápida con el fin de cumplir los requisitos antes descritos. Esto hace que los sistemas de a bordo tengan que manejar corrientes y tensiones más altas, lo cual a su vez exigirá un mayor aislamiento. Existe verdadera preocupación en el sector de la automoción – tanto entre fabricantes de coches y cargadores de VE como operadores de puntos de carga – en el sentido de que, si bien es vital ofrecer todas las ventajas que buscan los conductores, se ha de priorizar por encima de todo impedir cualquier posibilidad de fuga o incendio entro de los vehículos.
Por tanto, el desafío al que se enfrenta el sector de la automoción en 2023 y más allá será como cuadrar el círculo del rendimiento, la exactitud, la huella de carbono y la seguridad.
Estado de carga, estado de salud
Gestionar esta situación pasa por el sistema de gestión de la batería (battery management system, BMS) instalado en cada VE. El BMS, que es el principal componente del paquete de baterías de un vehículo, cumple dos requisitos fundamentales para el conductor. En primer lugar, evalúa el estado de carga, que es el nivel de carga de la batería de un VE respecto a su capacidad, y que determina la autonomía del vehículo. En segundo lugar, el BMS gestiona el estado de salud del paquete de baterías a través de una función de seguridad diseñada para evitar fugas o incendios. Cuanto más exactas son estas evaluaciones, y está claro que han de ser lo más exactas que sea posible, más contentos estarán los conductores para acabar con su preocupación por la autonomía y la seguridad.
Para que un BMS proporcione estas funciones vitales ha de incorporar elementos fiables de detección. No es una sorpresa que, como componentes clave de cualquier BMS, los sensores de corriente hayan experimentado cambios significativos ante las crecientes exigencias del sector de VE.
Para acompañar a sus clientes en este viaje, LEM acaba de desarrollar los transductores de la serie CAB de tercera generación para proporcionar unas cifras muy exactas sobre el estado de carga. La gama CAB de gama alta fue desarrollada por primera vez para BMS hace 12 años y ha evolucionado en función de los requisitos de los clientes. El primer modelo representó una tecnología revolucionaria que permitió medir la corriente con más exactitud al eliminar el offset magnético, mientras que la medida de corriente sin contacto también fue muy beneficiosa. El siguiente modelo destacó por su mayor rango de corriente (de 300A a 500A) y sus niveles de seguridad mejorados.
CAB 1500, el nuevo miembro de la familia CAB de LEM
La novedad de hoy es el CAB 1500 de gama alta con su rango de corriente ampliado hasta ±1500A. Por lo que respecta a la seguridad funcional, este dispositivo ASIL (automotive safety integrity level) C es conforme a ISO26262 y permite tomar medidas de corriente con un solo sensor de corriente en el BMS en lugar de un par gracias a dos canales independientes internos. Entre las funciones eléctricas incorporadas en el CAB 1500 para gestionar la seguridad se encuentra la detección de sobrecorriente, con un indicador de error interno establecido en 1 cuando la corriente supera los 1600A. Otras funciones con un indicador de incumplimiento del objetivo establecido en 1 (dependiendo de los resultados de la comprobación de verosimilitud entre los canales analógico y digital), un contador de secuencia y una comprobación de CRC para proteger la comunicación de extremo a extremo (end-to-end, E2E).
El CAB 1500, que ofrece la posibilidad de triplicar el rango de corriente en el mismo espacio, es un dispositivo plug-and-play que proporciona la mejor exactitud dentro de su segmento, del 0,5% en un rango de temperatura de −40°C a +85°C. Junto con su offset extremadamente bajo, que permite contar el número de culombios con exactitud para estimar el estado de carga, el nuevo sensor aplica el principio de medida no intrusiva además de proporcionar un aislamiento totalmente galvánico y compatibilidad con aplicaciones de 800V. Otras funciones clave del CAB 1500 son la posibilidad de elegir entre barra colectora o montaje en panel y una alimentación por batería de +12V unipolar. Además el cabezal de detección mediante inducción magnética está constituido por una bobina de inducción caracterizada por su muy alta permeabilidad y su baja remanencia (Hc), garantizando de este modo una rápida transición entre el estado lineal y saturado. La inducción magnética es la tecnología ideal para los BMS de alto rendimiento ya que ofrece la mejor resolución en su segmento, incluso del 0,1%, la mejor exactitud de Ip máxima y offset, medida no intrusiva y hasta 2,5kV de aislamiento, así como un bajo consumo si se compara con la tecnología de derivación (shunt).
Los sensores más avanzados para gestión de baterías
LEM, que cuenta con una larga experiencia en la detección de corriente del BMS, se ha marcado como objetivo crear una gama de soluciones optimizadas desde un punto de vista técnico y económico. La empresa está llevando la tecnología cada vez más lejos para que los fabricantes y el sector del VE en general puedan desarrollar productos que no solo cubran la demanda de corriente sino que también los trasladas a los usuarios de VE e impulsan en todo el mundo la adopción de estos vehículos, cuyo impacto será mínimo sobre el medio ambiente, hoy y en el futuro.
Gracias a una combinación de conocimientos y experiencia ayudando a los desarrolladores de BMS a superar los diversos retos a los que se enfrentan, LEM cree que incorporar los sensores de corriente más avanzados a sus nuevos productos permitirá que los ingenieros puedan ir por delante del mercado. Los sensores serán cada vez más inteligentes y los desarrolladores podrán incorporar un software más avanzado que facilite aún más la recogida y el procesamiento de enormes cantidades de datos en un solo dispositivo. Al mismo tiempo, los diseñadores capacitarán a sus clientes para que sus VE estén a la vanguardia del mercado en cuanto a rendimiento, coste y seguridad.
Anticipándose a la necesidad de mayores niveles de seguridad, LEM ahora trabaja activamente en dos nuevos conceptos basados en un intenso diálogo con los fabricantes y en su conocimiento del mercado. El primer concepto incluye sobre todo avances en las funciones ya que el sensor pasa a ser multifuncional y asume la detección de un mayor número de factores en la unidad de desconexión de la batería. Por ejemplo, mientras que un sensor de corriente tradicional solo detectaría la corriente del paquete de baterías, ahora se espera que supervise la tensión en diferentes puntos y que detecte posibles puntos calientes. Otras funciones, como la activación del pirofusible en caso de sobrecorriente o la supervisión del aislamiento de alta tensión para garantizar un verdadero aislamiento entre el paquete de baterías y el chasis del coche también están ganando presencia. De hecho, esta tendencia convierte al sensor de corriente en un centro de detección en el mantenimiento del BMS.
El segundo concepto en el que están trabajando los ingenieros de LEM se basa en dos tecnologías diferentes para detectar la corriente. Puede que disponer de “shunt + Hall” en un solo encapsulado no sea revolucionario, pero supone una solución muy competitiva ya que aprovecha una combinación de los 50 años de experiencia en detección de la empresa mediante la tecnología de lazo abierto y un ASIC totalmente nuevo, posibilitando así alcanzar niveles muy altos de exactitud para la conexión redundante. Este concepto, aplicado de diferentes maneras, se puede usar como módulo autónomo o añadido al módulo de detección multipunto ofreciendo un cabezal de detección optimizado y robusto fácilmente compatible con el máximo nivel de seguridad, ASIL D.
Un enorme salto
Para resumir, las exigencias del sector de la automoción están impulsando los avances tecnológicos necesarios para satisfacerlas y ello exige que la industria tenga que ponerse al día continuamente. Estas exigencias van a seguir aumentando, por lo que la industria ha de adelantarse y la única manera de conseguirlo consiste en adoptar el tipo de tecnología que les permita dar un salto enorme en el mercado. Los sensores de corriente desempeñan un papel clave en el sector del VE al formar parte de sofisticados sistemas de gestión de baterías que llevarán los VE a un nivel totalmente nuevo.
Mirando hacia el futuro, el sensor de corriente está llamado a ser una parte crucial de la inteligencia de un BMS donde será preciso transferir todos los datos al BMS a la vez. El coste y la integración mecánica también serán factores clave a medida que evoluciona el mercado porque el BMS y el paquete de baterías serán más pequeños y ligeros. LEM está preparada para aplicar sus extensos conocimientos y su larga experiencia en el mundo de los sensores con el fin de proporcionar soluciones viables que maximizarán el rendimiento de los BMS en el rápido desarrollo del mercado de VE.
