Incidencia de la electrónica de potencia o industrial en los vehículos eléctricos

Hoy en día, la industria del automóvil está evolucionando a gran velocidad hacia una electrificación cada vez más presente en la mayoría de los vehículos comerciales, esto gracias a los avances que se tienen gracias a la Electrónica de Potencia.

Esta electrificación del automóvil tiene su culmen en el vehículo eléctrico (VE), pero con los diferentes pasos intermedios de los vehículos híbridos en función de su grado de hibridación. Aunque para conseguir esta electrificación del automóvil se ha hecho necesario la conjunción e integración de diferentes tecnologías.

Hay tres elementos y componentes que destacan sobre el resto: el motor eléctrico, la batería de alta tensión y la electrónica de potencia.

El motor eléctrico es el elemento tractor que se encarga de convertir la energía eléctrica que tenemos almacenada en la batería de alto voltaje en energía mecánica de rotación.

Los motores eléctricos más utilizados para este fin son motores síncronos con rotor de imanes permanentes de neodimio u otras tierras raras. Así se consigue una gran compacidad y una alta eficiencia, superior al 95%.

Otro elemento clave son las baterías de alta tensión. Todos sabemos que los vehículos con motor de combustión (diésel, gasolina) ya venían provistos de batería para posibilitar el arranque de los motores y atender otras necesidades eléctricas de los vehículos.

Las baterías de alta tensión de los vehículos eléctricos (VE) e híbridos tienen otra funcionalidad. Estas baterías son las encargadas de alimentar, gracias a la energía que almacenan, a todo el coche eléctrico, fundamentalmente al elemento tractor, el motor.

Actualmente la mayoría de estas baterías de alta tensión se construyen mediante células de iones de litio, las cuales se encargan de almacenar la energía proveniente del cargador o recuperada durante la propia conducción, por ejemplo, con las frenadas regenerativas.

Hoy en día es, quizás, el elemento con mayor potencial de evolución, con el reto de alcanzar mayores densidades de carga que permitan baterías más ligeras y sobre todo con autonomías comparables a los motores de combustión interna.

Sin embargo, en este post nos vamos a centrar, sobre todo, en el tercer componente fundamental en los vehículos eléctricos, el más desconocido en general: la electrónica de potencia del VE que se puede dividir en: el inversor y el módulo de alimentación o de suministro eléctrico.

El inversor es un componente trascendental ya que, como convertidor electrónico de potencia, se encarga de realizar las transformaciones eléctricas necesarias para adaptar los valores y la curva de las tensiones de la energía eléctrica tomada en forma continua de las baterías de alta tensión y así poder alimentar convenientemente el motor eléctrico de tracción.

El inversor a su vez, se encarga de realizar el tránsito opuesto, es decir, transformar la energía eléctrica recuperada del motor eléctrico a lo largo de la conducción en forma de frenadas regenerativas, de forma que pueda reinyectarse y almacenarse en las baterías para un posterior uso.

Aunque los fabricantes son reticentes a dar cifras de los rendimientos de los inversores utilizados en los vehículos eléctricos, los inversores similares que se vienen utilizando en el sector solar fotovoltaico tienen rendimientos del orden del 96% al 99%, por lo que el nivel de eficiencia de estos equipos es muy elevado.

Centrándonos en la tecnología de la que están compuestos los inversores, inicialmente se solían usar transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), principalmente porque los inversores al principio eran de muy pequeña potencia.

Pero eso suponía un hándicap al trabajar a más tensión, como es el caso en los inversores de los vehículos eléctricos y otras aplicaciones.

Por eso se terminaron imponiendo los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ya que podían trabajar perfectamente a 375 V y más, manejando corrientes medias y altas, del orden de 10 a 1.000 A. Un IGBT es un transistor que se controla aplicándole tensión a su puerta G o gate (uno de los tres terminales que posee), lo que permite la circulación de corriente a través de propio transistor.

Además, los IGBT pueden trabajar con frecuencias de conmutación de hasta 50 kHz con menores pérdidas por conducción que los MOSFET.

Existen diferentes técnicas de operación para el control de los inversores. Las dos más utilizadas probablemente son la técnica de seis escalones (six-step) y la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM).

La técnica de seis escalones consta de dos procesos. En un primero se toman las 3 fases de entrada de la línea de alimentación y las rectifica para transformarlas en valor DC desacoplados que luego se convierten en 6 escalones por ciclo, obteniéndose una tensión no sinusoidal, pero con el valor eficaz y la frecuencia buscados.

Al final se obtiene una señal con un alto grado de distorsión armónica, pero el mayor inconveniente es que como la frecuencia es baja, con el filtrado no se consigue un suavizado de calidad.

Para paliar los inconvenientes de la anterior, surgió la técnica del PWM (Power Width Modulation), quizás la más utilizada. En este caso no se consigue eliminar los armónicos, pero al trabajar con frecuencias mucho más elevadas que con la anterior técnica, el filtrado que se consigue es de mayor calidad y se controla mejor la onda.

El inversor es el componente más destacado de la electrónica de potencia en los vehículos eléctricos e híbridos, pero hay más elementos que se podrían encuadrar dentro de esta disciplina, como:

• El dispositivo de recarga: es el componente que se encarga de transformar la energía eléctrica alterna de la red en corriente continua cediéndosela al vehículo para para que la acumule en las baterías. Son dispositivos externos al vehículo, pero estandarizados para su compatibilidad con los diversos fabricantes. Fundamentalmente se dividen entre dispositivos de carga rápida y de carga lenta en función del tiempo de recarga de las propias baterías.

• El convertidor DC-DC: se encarga de transformar la alta tensión en continua, aportan las baterías de ión-litio en baja tensión de corriente continua. Este tipo de corriente se utiliza fundamentalmente para alimentar los elementos auxiliares como las baterías de 12 V que alimentan los componentes eléctricos del coche que trabajan a esta tensión.

• La Unidad de Control Electrónica (ECU): es el controlador principal de todo el sistema eléctrico del vehículo encargándose de la coordinación y el buen funcionamiento del dispositivo de recarga, el inversor, el convertidor DC-DC y el BMS (Battery Management System) o sistema de gestión de las baterías. Así, por ejemplo, al conocer en tiempo real el nivel de carga de las baterías, es capaz de adecuar el programa de conducción o informar al conductor que debe recargar en breve tiempo su vehículo.

En definitiva, los vehículos eléctricos e híbridos requieren y usan diversas tecnologías, entre las que se encuentran los diferentes dispositivos de electrónica de potencia o industrial, cuyo nivel de madurez actual, han sido uno de los factores que han posibilitado el gran desarrollo de este tipo de vehículos que se está viendo hoy.

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AUTOR:  José Javier Díez Vidal, Docente del Máster en Electrónica Industrial, Automatización y Control de EADIC.