Por Fred Weiller, Director Senior de Soluciones de Marketing Keysight Technologies

Las recientes manifestaciones de aproximadamente 1.5 millones de estudiantes en más de 100 países demuestran que la preocupación pública sobre el cambio climático es cada vez mayor. Dado que el sector de transporte es responsable de alrededor del 24 % de las emisiones de CO2 a nivel mundial, los fabricantes de automóviles están aceptando este desafío y definen metas ambiciosas para reducir las emisiones de carbono.

Dos millones de autos eléctricos se vendieron en 2018.

 

En 2018, las ventas de vehículos eléctricos (VE) a nivel mundial fueron de más de dos millones de unidades, en comparación con solo unas miles de unidades vendidas en 2010. Los analistas de la industria proyectan que el crecimiento de las ventas seguirá aumentando (figura 1): se calcula que para 2040 los VE representarán el 57 % del total de las ventas de vehículos de pasajeros y que 30 % de la flota mundial de vehículos de pasajeros serán VE.

Figura 1: Proyección de crecimiento del mercado de VE

(Fuente: https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/#toc-download)

Con 2.1 millones de unidades vendidas en todo el mundo, 2018 fue un año clave para los VE.  Por quinto año consecutivo, China lideró el mercado, con una participación del 55.5 % en la región Asia Pacífico, que representa el 60.3 % del total del mercado. Mientras tanto, Europa se encuentra en segundo lugar, con el 22 % de participación. En 2019, se estima que se mantendrá esa tendencia, con una proyección de ventas de 2.8 millones de VE (68 % de los cuales serán vehículos eléctricos a batería y 32 % vehículos híbridos enchufables), por lo que la venta de VE representará el 3 % del mercado total de vehículos de pasajeros.

A primera vista, la proyección a 20 años quizás no parezca ambiciosa, pero transformar el sistema motriz básico de los automóviles implica cambios drásticos para los fabricantes. Aun así, muchos ya los están implementando para la próxima generación de productos. Este artículo analiza cómo la demanda de mayor potencia y eficiencia impulsa innovaciones en tecnologías de VE y de qué manera esos desarrollos plantean nuevos desafíos de integración y prueba para los fabricantes.

Las nuevas tecnologías, un reto para la industria automotriz.

Los fabricantes se toman en serio los vehículos eléctricos

Como las regulaciones sobre emisiones son cada vez más estrictas a nivel mundial, los fabricantes de automóviles están transformando sus operaciones. Además, muchos han adoptado compromisos significativos para reducir las emisiones de carbono al ampliar su oferta de VE.

Si bien, actualmente, Tesla lidera el mercado y BYD, empresa de origen chino, ocupa el segundo lugar, hay muchos otros fabricantes que están desarrollando productos para lanzar en este mercado altamente competitivo.

Por ejemplo, el Grupo Volkswagen, dueño de las marcas Audi, Porsche y Bentley, busca aumentar la producción global y las opciones de vehículos eléctricos: en los próximos diez años tiene como objetivo lanzar 70 nuevos modelos de vehículos completamente eléctricos, de los cuales espera vender 22 millones de unidades. Con esa estrategia, para 2030, estima reducir los niveles de emisiones de sus automóviles en un 40 % en comparación con los niveles de 2015. El CEO del grupo, Herbert Diess, declaró que la intención de la empresa es alcanzar la neutralidad de carbono en todas sus operaciones para 2050.

Tecnologías de vehículos eléctricos: echemos un vistazo bajo el capó

Existen dos tipos de VE: los vehículos completamente eléctricos (AEV) y los vehículos híbridos enchufables (PHEV). Los AEV, a su vez, pueden clasificarse en vehículos eléctricos a batería (BEV) o vehículos eléctricos de celda de combustible (FCEV). Ambos tienen que conectarse a la red eléctrica para cargarse y usualmente pueden generar electricidad a partir de un sistema de frenos regenerativos. Los diagramas de bloques de las figuras 2 y 3 muestran cómo Funciona un BEV y un PHEV.

Figura 2: Diagrama de bloques del funcionamiento de un BEV

(Fuente: https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/application/automotive/ecology/hev-ev.html)

Los BEV utilizan como medio de propulsión un motor eléctrico que funciona con baterías integradas, como no usan motor de combustión interna, no dependen de combustibles fósiles. Durante el frenado, el motor eléctrico funciona como un generador de energía que recarga la batería al convertir la energía cinética del vehículo en energía eléctrica.

Figura 3: Diagrama de bloques del funcionamiento de un PHEV.

(Fuente: https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/application/automotive/ecology/hev-ev.html)

En los PHEV, el motor de combustión interna sigue siendo la fuente principal de energía, y la batería y el motor eléctrico sirven para mejorar la eficiencia general del vehículo: el motor eléctrico comienza a funcionar cuando el motor de combustión interna pierde eficiencia, de lo contrario, este último es el medio de propulsión utilizado. En este caso, el motor eléctrico también funciona como generador de energía durante el frenado y recarga la batería. Debido a que no dependen tanto del motor eléctrico, los PHEV pueden usar baterías más pequeñas que los BEV.

Tanto los BEV como los PHEV poseen una batería grande que transmite corriente a los componentes de alto voltaje del sistema, que alimentan el sistema de transmisión del vehículo. El inversor de potencia y el convertidor CC-CC son subcomponentes de alto voltaje importantes en ambos tipos de vehículos: el inversor de potencia cambia la corriente continua de la batería a la corriente alterna trifásica que requiere el motor eléctrico, mientras que el convertidor CC-CC cambia la tensión de alto voltaje generada por el motor del vehículo (al frenar, por ejemplo) a la tensión de la batería, que comúnmente es de 12 V o 20 V.

El inversor de potencia, el convertidor CC-CC y la batería son componentes esenciales en el sistema de transmisión de los VE, cada uno plantea desafíos de diseño específicos e implica distintos enfoques de prueba durante la fabricación.

Los ciclos de diseño interativo pueden ser costosos y requerir mucho tiempo.

El inversor de potencia

Los transistores de potencia del inversor de potencia deben ser capaces de convertir, cambiar y regular en forma continua un enorme volumen de tensión de alto voltaje en entornos hostiles y de altas temperaturas. En detrimento de los transistores bipolares de puerta aislada, los fabricantes están comenzando a adoptar nuevas tecnologías de semiconductores de banda ancha (WGB) basadas en carburo de silicio (SiC) y nitruro de Galio (GaN) con el objetivo de mejorar los niveles de potencia y eficiencia. Los transistores que utilizan esas tecnologías ofrecen muchas ventajas, como un mejor funcionamiento en entornos de altas temperaturas y alto voltaje y una mayor eficiencia. Sin embargo, para los diseñadores es un desafío asegurar la estabilidad y la seguridad con esas tecnologías. Debido a la alta velocidad de cambio de los transistores de potencia de nitruro de Galio, se deben tomar precauciones para evitar que la inductancia parásita genere altos niveles de interferencia electromagnética o daños en el transistor.

Si bien con placas y circuitos bien diseñados se pueden abordar estas problemáticas, los ciclos de diseño iterativo pueden ser costosos y requerir mucho tiempo. Por eso, herramientas como el software de vanguardia de simulación del circuito eléctrico de Keysight permiten monitorear el desempeño durante la fase de diseño, lo que agiliza los plazos de producción y de lanzamiento al mercado.

Los convertidores DC-DC

Los convertidores DC-DC también presentan desafíos de diseño; Las soluciones tradicionales, basadas en dispositivos de silicio, requerían costosos sistemas de refrigeración por agua. Los nuevos dispositivos WBG pueden reducir la necesidad y, por lo tanto, el costo de la refrigeración por agua, sin embargo, estos dispositivos presentan posibles problemas de seguridad, ya que permiten la integración de múltiples aplicaciones de convertidor en un solo módulo, elevando los voltajes de funcionamiento por encima del límite de seguridad de 60V. Por lo tanto, las pruebas de los convertidores pueden representar un proceso riesgoso para los cuales deben usarse equipos de prueba adecuados, que cumplan con las recomendaciones de estándares como NFPA 79, para proteger a los diseñadores, técnicos y operadores. Keysight ha desarrollado nuevamente un sistema innovador para este propósito, equipado con características de seguridad diseñadas para proteger tanto a las personas que realizan las pruebas como al equipo bajo prueba. El sistema ha sido diseñado con capacidades regenerativas, que transfieren la energía utilizada durante las pruebas a la red, lo que permite un ahorro en el consumo de energía y los costos de enfriamiento.

La batería

La batería es el tercero de los componentes clave a bordo, sus características determinan qué tan lejos puede viajar el EV entre cargas. La tecnología de baterías EV ha evolucionado rápidamente a lo largo de los años, con modelos actuales de precio promedio que permiten que un automóvil viaje por más de 100 millas. El Nissan Leaf 2018, por ejemplo, tiene una batería de 40 kWh, con 192 celdas de iones de litio, lo que le da un alcance de 151 millas. En el extremo superior del mercado, la batería del Tesla Model S tiene 7,104 celdas de iones de litio, lo que le permite viajar 315 millas entre cargas. El mercado de las baterías EV es optimista y los analistas pronostican un alto crecimiento continuo a medida que los fabricantes buscan desarrollar baterías de carga más rápidas que permitan más millas por carga.

Para los fabricantes de baterías, la prueba efectiva de cada celda individual es clave para el rendimiento general de la batería. Un fenómeno conocido como autodescarga celular puede disminuir la vida útil de la batería y reducir su nivel de carga inicial. Las técnicas de prueba tradicionales implicaron monitorear el voltaje de circuito abierto de una celda durante un período de muchas semanas, lo que no es ideal, dada la creciente necesidad de llegar al mercado rápidamente.

Keysight ha podido resolver este problema, desarrollando una solución de medición de autodescarga que reduce el tiempo de prueba de semanas a horas, lo que permite a los fabricantes reducir significativamente el tiempo del ciclo de prueba y, por lo tanto, acelerar el tiempo de comercialización.

El ecosistema en la carretera

Fuera del propio automóvil, las estaciones de carga son un facilitador vital del crecimiento en el mercado de vehículos eléctricos y la comprensión de los patrones y comportamientos de carga de los conductores es clave para la capacidad de las compañías eléctricas de planificar la carga máxima en la red. Las redes de carga modernas, como Inonity (BMW, Mercedes, Ford y Volkswagen) y Ultra-E (Allego, Audi, BMW, Magna, Renault, Hubject y otras) son mucho más que proporcionar carga al EV. Como puntos de venta efectivos, estas estaciones pueden capturar y generar grandes cantidades de datos que pueden usarse para modelar la demanda y ayudar a proporcionar cargas de equilibrio en la red. Están comenzando a aparecer aplicaciones de compañías como Bosch y Chargepoint, que ofrecen conveniencia y visibilidad de las opciones de carga a los conductores. A medida que se desarrolle este ecosistema de big data, los desarrolladores necesitarán una variedad de herramientas para dar visibilidad a estas redes emergentes.

Conclusión

Con el mercado de automóviles EV listo para un crecimiento significativo, se está expandiendo un ecosistema amplio y diverso, que abarca tecnologías a bordo y en carretera. A medida que continúe la demanda de trenes de transmisión eléctricos más nuevos, más potentes y más eficientes, surgirán nuevas innovaciones en dispositivos de energía, células y baterías. Esta amplia gama de dispositivos y aplicaciones necesitará una amplia gama correspondiente de potentes soluciones de prueba para verificar diseños y garantizar el cumplimiento de las normas pertinentes.Keysight Technologies se compromete a proporcionar una cartera amplia y profunda de soluciones de prueba que se mantendrán al día con las necesidades cambiantes del mercado de vehículos eléctricos.