Usar convertidores de potencia bidireccionales y PFC para mejorar la eficiencia de la HEV, BEV y la red eléctrica

Los diseñadores de sistemas de energía para vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos de batería (BEV) están bajo constante presión para mejorar la eficiencia y la fiabilidad y reducir el costo. Si bien el paso a rieles de alimentación dobles de 12 y 48 voltios ha ayudado a mejorar la eficiencia al reducir el peso del cableado del chasis, los diseñadores necesitan soluciones dedicadas para gestionar mejor las dos fuentes de alimentación de modo que puedan apoyarse mejor entre sí y, al mismo tiempo, permitir que el vehículo sea compatible con aplicaciones bidireccionales de vehículo a red (V2G).

Esta necesidad ha llevado al desarrollo de convertidores bidireccionales y sistemas de corrección del factor de potencia (PFC) bidireccionales que permiten a los diseñadores optimizar el rendimiento general de un diseño dual de vehículo eléctrico (EV) de 12/48 voltios y también conectarse a la red para el flujo de potencia bidireccional.

Este artículo define y revisa los beneficios de la conversión de energía bidireccional en los sistemas automotrices y los estándares asociados. A continuación, presenta soluciones de proveedores como Texas Instruments, Analog Devices y Infineon Technologies y muestra cómo pueden utilizarse para implementar convertidores de potencia bidireccionales.

¿Qué es la conversión de energía bidireccional?

En un HEV con una arquitectura de doble voltaje de 12/48 voltios, una fuente de alimentación bidireccional une los sistemas de 12 y 48 voltios para que cualquiera de las dos baterías pueda ser recargada por la otra. También permite que cada batería proporcione energía extra para cualquiera de los rieles de voltaje en caso de una condición de sobrecarga (Figura 1). Como resultado, los diseñadores pueden usar baterías más pequeñas para cada una, lo que resulta en una mayor confiabilidad, mayor eficiencia y menor costo.

Figura 1: Una fuente de alimentación bidireccional en el corazón de una arquitectura de doble voltaje conecta los sistemas de 12 y 48 voltios para que cada batería pueda ser recargada por la otra y proporcionar energía extra en caso de una condición de sobrecarga. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En los BEV, los diseñadores pueden usar PFC bidireccional para soportar la carga de la batería bidireccional, así como el funcionamiento de V2G. Un sistema V2G apoya una mayor eficiencia de varias maneras:

• Puede devolver la energía a la red durante los períodos de alta demanda
• Puede reducir la tasa de carga de las baterías según sea necesario para ayudar a equilibrar la carga en la red.
• Permite que el vehículo se utilice para almacenar energía de fuentes de energía renovable

Mientras que los sistemas de doble voltaje en los HEV son autónomos dentro del vehículo y mejoran la economía de combustible, el cargador bidireccional en un sistema V2G está diseñado para traer beneficios de costo más amplios más allá de las mejoras en la economía de combustible y debe interactuar con el mundo exterior.

La implementación de la V2G requiere tecnologías de comunicación y algoritmos para detectar el estado de la red, así como la capacidad de interactuar con la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos (Figura 2).

Figura 2: Además de la conversión de energía bidireccional, los sistemas V2G necesitan incluir varios estándares de interconexión y comunicaciones. (Fuente de la imagen: Honda)

La infraestructura V2G resultante aporta beneficios económicos, entre ellos la capacidad de suministrar energía a la red durante los períodos de máxima demanda (generando potencialmente ingresos para el propietario del vehículo) y de recargar las baterías de los vehículos durante los períodos de baja demanda de electricidad (reduciendo los costos de carga de los vehículos).

Normas relacionadas con la conversión de energía bidireccional

Las especificaciones del LV148/VDA320 definen los requisitos eléctricos y las condiciones de prueba para combinar un bus de 48 voltios y un bus de 12 voltios en sistemas automotrices de doble voltaje (Figura 3). El LV148 ha sido adoptado por los fabricantes de automóviles alemanes Audi, BMW, Daimler, Porsche y Volkswagen, y se aplica tanto a los vehículos de combustión interna convencionales como a los HEV. En el momento de escribir este artículo, la norma ISO 21780 para "Vehículos de carretera - Tensión de alimentación de 48 V - Requisitos y pruebas eléctricas" está en desarrollo.

Figura 3: Las especificaciones LV148/VDA320 definen los requisitos eléctricos y las condiciones de prueba para combinar un bus de 48 voltios y un bus de 12 voltios en sistemas automotrices de doble voltaje; se muestra la especificación para un bus de 48 voltios. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Hay varios protocolos de comunicación que se pueden aplicar a los sistemas V2G, incluyendo:

• ISO/IEC 15118: Define una interfaz de comunicación V2G para la carga y descarga bidireccional de vehículos eléctricos. Utiliza la especificación IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) de comunicación de banda ancha por línea de energía (PLC) como el mejor protocolo para asegurar una comunicación sólida y una alta velocidad de datos. Operando en frecuencias entre 2 MHz y 30 MHz, el HPGP permite al sistema distinguir datos válidos en una línea conectada contra el ruido de otras fuentes cercanas.
• IEC 61850: Define los protocolos de comunicación para los dispositivos electrónicos inteligentes en las subestaciones eléctricas que pueden ayudar a gestionar el flujo de energía entre los recursos de electricidad renovable y los equipos de suministro de vehículos eléctricos (EVSE), como los cargadores.

Figura 4: La IEC 61850 define los flujos de energía y datos para los sistemas V2G y utiliza la especificación IEEE P1901.2 HPGP PLC para asegurar una comunicación sólida y una alta tasa de datos. (Fuente de la imagen: IBIS)

Convertidores CC-CC multifásicos bidireccionales para sistemas de 12/48 voltios

El alto nivel de potencia de un típico convertidor bidireccional CC-CC de 12 voltios/48 voltios suele dar lugar al uso de una topología multifásica. Un diseño multifásico mejora la eficiencia general de la conversión al permitir la caída de fase, reduciendo el número de fases activas a medida que disminuye la demanda de energía. Los diseños multifásicos también permiten el uso de componentes de filtro más pequeños en las salidas de cada fase; el uso de inductores más pequeños mejora el rendimiento de los transitorios de carga. Por último, el funcionamiento de las fases con el intercalado adecuado da lugar a una menor ondulación de la salida.

El LM5170-Q1 de Texas Instruments es un controlador de corriente bidireccional multifásico de alto rendimiento destinado a gestionar la transferencia de corriente entre la sección de 48 voltios y la sección de 12 voltios de los sistemas automovilísticos de doble batería (Figura 5). Integra funciones analógicas esenciales que permiten el diseño de convertidores de alta potencia con un número mínimo de componentes externos. El funcionamiento multifásico en paralelo se logra conectando dos controladores LM5170-Q1 para el funcionamiento en tres o cuatro fases, o sincronizando varios controladores con relojes de desplazamiento de fase para un mayor número de fases.

Figura 5: El controlador de corriente bidireccional multifásico LM5170-Q1 gestiona la transferencia de corriente entre las secciones de 48 voltios y 12 voltios de un sistema de doble batería para automóviles; las flechas rojas resaltan el flujo de corriente bidireccional. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El LM5170-Q1 incluye amplificadores diferenciales de detección de corriente de doble canal y monitores de corriente de canal dedicado para lograr una precisión de corriente típica del 1%. Los resistentes conductores de puertas de medio puente de 5 amperios (A) son capaces de manejar interruptores MOSFET paralelos que entregan 500 vatios o más por canal. El modo de emulación de diodos de los rectificadores síncronos evita las corrientes negativas, pero también permite el funcionamiento en modo discontinuo para mejorar la eficiencia con cargas ligeras. Las versátiles características de protección incluyen la limitación de corriente ciclo a ciclo, la protección contra sobretensión en los puertos de alto y bajo voltaje, la detección de fallas del MOSFET y la protección contra la sobretemperatura. Este controlador tiene capacidad de seguridad funcional automotriz.

Texas Instruments ofrece el módulo de evaluación LM5170EVM-BIDIR para que los ingenieros puedan evaluar el LM5170-Q1 en aplicaciones de sistemas de doble batería de 12 voltios/48 voltios. Las dos fases funcionan en 180˚ funcionamiento intercalado, y comparten uniformemente una corriente continua máxima de hasta 60 A. Este módulo de evaluación también incluye varios puentes para configurar de manera flexible y conveniente el circuito para que se adapte a muchos casos de uso diferentes, incluida la capacidad de ser controlado por un microcontrolador (MCU) y convertidores elevadores y reductores unidireccionales de alta potencia.

Arquitectura multifásica principal-secundario para convertidores bidireccionales

Analog Devices ofrece el regulador de conmutación reductor-elevador LT8708 para su uso en convertidores de potencia bidireccionales de 12 voltios/48 voltios. El LT8708 es un controlador de 80 voltios síncrono de 4 interruptores reductores-elevadores de CC-CC con capacidad bidireccional que puede soportar corrientes de carga de hasta unos 30 A. Para necesidades de corriente más altas, el controlador maestro LT8708 puede combinarse con uno o más chips secundarios. El uso de una arquitectura maestro/esclavo puede reducir los costos de la solución en diseños multifásicos, ya que un solo CI maestro (más caro) puede controlar múltiples CI esclavos (de menor costo).

Como los esclavos están conectados al amo, aumentan proporcionalmente la potencia y la capacidad de corriente del sistema. Sin embargo, es importante que el esclavo tenga los mismos modos de conducción que el LT8708 para que pueda conducir la corriente y la energía en la misma dirección que el principal. El principal controla los límites generales de corriente y voltaje para un sistema multifásico LT8708, y los secundarios cumplen con estos límites.

Un secundario puede ser fácilmente puesto en paralelo con el LT8708 conectando cuatro señales juntas (Figura 6). En cada secundario, hay dos límites de corriente adicionales (corriente V_IN directa y corriente V_IN reversa) que se pueden establecer de forma independiente.

Figura 6: Un conversor CC-CC trifásico que utiliza el LT8708 (maestro) y los CI secundarios destacan las cuatro interconexiones de la señal. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La placa de demostración DC2719A de Analog Devices utiliza un LT8708 combinado con un secundario asociado (LT8708-1) para suministrar 40 A de corriente. La placa puede funcionar tanto en modo directo como reverso. El controlador tiene integrados reguladores de voltaje de entrada y salida, y dos juegos de reguladores de corriente de entrada y salida que controlan el flujo de corriente en dirección directa o reversa. Se incluyen características que simplifican la conversión de energía bidireccional en los sistemas de respaldo de baterías/condensadores y otras aplicaciones que pueden necesitar una regulación de V_IN, V_OUT, I_IN y/o I_OUT.

Corrección del factor de potencia bidireccional para BEV interactivos de red

Para los diseñadores de BEV interactivos de red, Infineon ofrece la placa de evaluación EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, un corrector de factor de potencia tótem-polo sin puente de 3300 W con capacidad de potencia bidireccional (Figura 7). Esta placa PFC tótem-polo sin puente está destinada a aplicaciones que requieren una alta eficiencia (alrededor del 99%) y una alta densidad de potencia (72 vatios por pulgada cúbica).

Figura 7: El EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 es una placa PFC de tótem-polo sin puente de 3300 W. (Fuente de la imagen: Infineon)

La topología tótem-polo en las aplicaciones de PFC con funcionamiento en modo de conducción continua (CCM) se hace factible mediante el uso de semiconductores de banda ancha. En este caso, el MOSFETIMZA65R048M1 CoolSiC de Infineon en un paquete de cuatro pines TO-247 se utiliza para empujar la eficiencia al 99% a media carga. El convertidor funciona exclusivamente a un alto voltaje de línea (176 voltios rms mínimo, 230 voltios rms nominales) en CCM con una frecuencia de conmutación de 65 kilohercios (kHz).

Este polo tótem bidireccional sin puente de 3300 W (PFC/CA-CC e inversor/CA-CC) es una solución de sistema desarrollada con semiconductores de potencia de Infineon, así como con controladores y drivers de Infineon. Los dispositivos de Infineon utilizados en el diseño incluyen:

• 64 miliohm (mΩ) MOSFETO DE FRÍO DE 650 voltios (IMZA65R048M1) en un paquete de cuatro pines TO-247 como interruptores de alta frecuencia PFC tótem-polar
• MOSFET CoolMOS C7 (IPW60R017C7) de 17 mΩ y 600 voltios en un paquete TO-247 para la ruta de retorno del PFC tótem-polo (puente de baja frecuencia)
• Controladores de compuerta aislados 2EDF7275F (EiceDRIVER)
• Controlador flyback ICE5QSAG QR y MOSFET CoolMOS P7 de 950 voltios(IPU95R3K7P7AKMA1) para la alimentación auxiliar de polarización
• Microcontrolador XMC1404Q048X0200AAXUMA1 de Infineon para la implementación del control del PFC

El polo tótem implementado en la placa EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funciona en CCM tanto en modo rectificador (PFC) como en modo inversor, con una implementación de control digital total mediante el microcontrolador XMC1404Q048X0200AAXUMA1 de Infineon.

Conclusión:

Con los diseñadores buscando mejorar la eficiencia, las arquitecturas de doble voltaje de 12/48 voltios han surgido como la topología de elección para los HEV y BEV. Esto ha creado la necesidad de una gestión eficiente de la energía para optimizar su uso. Los convertidores bidireccionales CC-CC y los cargadores de baterías han surgido para permitir que los sistemas de 12 y 48 voltios se apoyen mutuamente en los casos en los que se necesite recargar, o en caso de sobrecarga.

Además, en el caso de los BEV, una etapa PFC bidireccional soporta el flujo de energía bidireccional entre la batería y la red de suministro. La conexión V2G resultante aporta beneficios económicos más allá de las mejoras en el ahorro de combustible, incluyendo la capacidad de proporcionar energía a la red durante los períodos de máxima demanda, y la recarga de las baterías de los vehículos durante los períodos de baja demanda de electricidad.

Lecturas recomendadas

1. Utilizar convertidores de potencia especializados para salvar la brecha dual de 12 a 48 V en los sistemas de automoción
2. Llevar a los EV a la red inteligente para la estabilidad y la seguridad