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Componentes pasivos de los cargadores de vehículos eléctricos

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Artículo sobre los usos en los componentes pasivos escrito por Neil Willard, Industrial Technical Manager de AVNET Américas.

Los cargadores de VE son sistemas complejos que requieren tener en cuenta la selección de diseño en cada etapa.

A la hora de elegir los componentes para un sistema de cargador de vehículos eléctricos (VE), los semiconductores suelen convertirse en el foco de atención. Las tecnologías de conmutación de energía más recientes, como el carburo de silicio (SiC) en particular, prometen unas pérdidas muy bajas y una reducción considerable de los costes. Los componentes pasivos no se pueden pasar por alto.

El uso de interruptores de banda ancha prohibida (WBG), como los MOSFET SiC, presenta oportunidades adicionales para la optimización. Los componentes pasivos en el sistema de propulsión que pueden ser más pequeños y ligeros, lo que conlleva un menor coste. Estos desarrollos ponen en juego tecnologías pasivas que de otro modo serían inadecuadas. Aquí, los principales componentes para tener en cuenta son los condensadores de enlace de CC (DC-link), los inductores de filtro y los transformadores.

El condensador DC-link

Todos los cargadores de a bordo (OBC) y externos tienen cadenas de alimentación similares. Comienzan con una fase de corrección de factor de potencia (PFC) seguida de una fase de conversión CC-CC aislada. El nivel de potencia de salida no cambia esta arquitectura básica, ya que los cargadores de carretera más rápidos, de más de 400 kW, normalmente seguirán componiéndose de módulos de menor potencia en una configuración apilada. Cada módulo entregará alrededor de 30 kW, con el objetivo de disminuir el estrés y proporcionar redundancia y cada fase puede ser bidireccional en diseños modernos: en general, se parecería a cualquier convertidor AC-CC de alta potencia.

Componentes pasivos de los cargadores de vehículos eléctricos
Los componentes pasivos desempeñan un papel importante en las topologías de carga de VE. Su selección dependerá del tipo de convertidor utilizado, lo que ayudará a indicar las eficiencias que se pueden alcanzar a través de la selección de componentes pasivos óptima para nuestra aplicación.

Una de las principales diferencias entre un convertidor genérico y un diseño de cargador de batería de VE se encuentra en el tamaño del condensador DC-link, el cual se ubica en el carril de CC o el enlace entre las etapas de conversión de PFC y CC-CC. Aquí, el potencial será una tensión de unos 650 V (hasta 1.000 V). En un convertidor CA-CC de propósitos generales, este condensador suele estar dimensionado para un tiempo de «retención», manteniendo el carril durante 18/20 ms después de un fallo de red. A 30 kW, esto necesitaría alrededor de 8.000 µF, ocupando unos 1.300 cm³ (80 pulgadas cúbicas). A esta capacidad, los electrolíticos de aluminio son la opción más viable económicamente.

La capacidad de retención se calcula igualando la energía de retención requerida (tiempo de retención x potencia de salida/eficiencia), con la energía consumida a medida que la tensión del condensador cae tras un fallo de CA desde su nivel normal a un nivel de caída, quizá de 650 a 500 V. Es decir, 30 kW x 20 ms/0,90 = (0,5 x C x 6.502) – (0,5 x C x 5.002) dando C = 7,7 mF.


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