Diseño de arquitecturas de energía y datos en tecnologías de vehículos eléctricos

A menudo se dice que la próxima generación de movilidad - ofrecer medios de transporte más seguros, más ecológicos y conectados, se caracterizará por vehículos que funcionan con dos tipos de combustible: electricidad y datos. Sin embargo, si bien la seguridad, la conveniencia y el deseo de conectividad ubicua están impulsando un número cada vez mayor de aplicaciones basadas en la nube y en sensores dependientes de datos dentro de los vehículos, muchos consumidores, a pesar de sus preocupaciones ambientales, todavía son algo reacios a adoptar completamente la tecnología de electromovilidad.

Las principales preocupaciones para muchos conductores potenciales de vehículos eléctricos (EV) son el alcance y la conveniencia de carga - en términos de tiempo de carga y disponibilidad de puntos de recarga. En este sentido, la conectividad y los componentes del conector desde la entrada de carga, pasando por la batería del vehículo eléctrico hasta el motor eléctrico juegan un papel vital en la carga rápida de alta potencia segura y confiable del rango adicional que ayudaría a disipar las preocupaciones de los consumidores.

Hoy en día, cargar un vehículo en los puntos de carga rápida de corriente continua (CC), que generalmente se encuentran en las estaciones de combustible de las carreteras, puede tardar hasta una hora, dependiendo de la potencia de carga y la capacidad de la batería, para agregar alrededor de 300 km de autonomía. Sin embargo, el objetivo de la industria es agregar la misma cantidad de alcance en aproximadamente 10 minutos, lo que es comparable a la duración o una parada de reabastecimiento de combustible para un vehículo con motor de combustión interna (ICE).

Esta carga de alta potencia (HPC) puede implicar 350 kW de potencia de carga de CC a corrientes de hasta 500 amperios, Que representa el estado de carga más alto para todo el sistema eléctrico en un vehículo eléctrico. Incluso la aceleración fuerte, cuando el conductor exige mucha potencia, no resulta en la misma magnitud de corriente promedio.

Este nivel de corriente continua causa altos niveles de pérdida de calor debido a la resistencia eléctrica inherente de todos los componentes (conectores, cables) dentro del tren motriz del vehículo eléctrico y se exaspera aún más cuando el vehículo no se mueve y hay una ausencia de enfriamiento convectivo natural.

Por lo tanto, para evitar la sobrecarga/sobrecalentamiento, la disipación de calor pasiva o activa o la capacidad de facilitar una reducción controlada de la corriente de carga, son requisitos clave del diseño y dimensionamiento de todos los componentes conductores eléctricos. Esto significa que el sistema eléctrico completo, que conecta el punto de carga a la batería del vehículo, debe diseñarse y dimensionarse mecánica, eléctrica y térmicamente.

Un desafío importante es que cuanto mayor sea la corriente, mayor será la sección transversal del cable requerida para transportar la potencia al mismo nivel de voltaje sin sobrecalentamiento. Dentro del vehículo, esto es principalmente una cuestión de peso y espacio disponible.

Por ejemplo, hay una diferencia considerable, en términos de costo, peso y volumen, en cuanto a si una sección transversal de 50 mm2 o un conductor de sección transversal de 95 mm2 entre la entrada y la batería será suficiente. Para que la HPC sea una propuesta realista, se debe evitar el sobredimensionamiento del cable y de todos los demás componentes eléctricos.

Hasta la fecha, el diseño de componentes eléctricos no ha reflejado realmente los perfiles de carga de corriente que cambian dinámicamente entre picos altos y bajos de conducción o los requisitos de HPC.

Las normas existentes se basan en puntos de carga estáticos utilizados originalmente para el diseño de relés y fusibles (interruptores), que se determinan mediante métodos estadísticos que reflejan la frecuencia a la que se producen y su importancia. Esto conduce a valores de carga actuales que representan condiciones estáticas, con un diseño de componente de interconexión eléctrica correspondiente que no refleja la realidad, a menudo incluyendo márgenes de seguridad de hasta aproximadamente el 20 por ciento.

Para facilitar un pico de carga de 350 kW de potencia de carga y más, Requiere un enfoque diferente para diseñar los componentes eléctricos. En TE estamos desarrollando una nueva metodología que determina dinámicamente el aumento de temperatura causado por los componentes y la disipación de calor en el sistema en todo momento.

Basado en la simulación térmica sistémica y casi real, permite examinar el diseño del componente antes y predecir su rendimiento durante varios modos de operación a lo largo de toda su vida útil. Esto facilita una operación segura a largo plazo, así como un diseño que permite una mejor usabilidad. La simulación térmica basada en modelos proporciona una base verificable para futuros perfiles de carga que facilitan una prueba de seguridad, confiabilidad y durabilidad de todos los componentes de interconexión a lo largo de la ruta de alto voltaje/alta corriente.

De la misma manera que el motor de combustión interna (ICE) se consideraba el corazón del vehículo de motor tradicional, la batería se considera el corazón de los vehículos eléctricos y se aplican muchos de los mismos desafíos de diseño.

Durante todos los modos de operación del vehículo, la energía debe fluir de manera segura dentro y fuera de la batería. Por lo tanto, la conexión de la batería principal y en ciertos casos, las conexiones entre los módulos de celda, deben poder transportar corrientes de hasta 600 amperios por varios minutos durante un ciclo de carga de alta potencia y niveles de picos significativamente más altos durante la aceleración fuerte.

Las conexiones del módulo de batería también constituyen la capa física para la protección de la batería (apagado por sobrecalentamiento), la gestión de la batería (estados de carga, p. ej. SoC de estado de carga) y el equilibrio de celdas (ecualización de voltaje de carga entre celdas con diferentes niveles de SoC). Para garantizar estas operaciones, cada módulo de batería individual debe contar con conexiones eléctricas a prueba de fallos.

Esto requiere líneas de contacto altamente integradas, que no solo deben ser capaces de soportar una funcionalidad completa durante toda la vida útil del vehículo (p. ej. 300,000 km/10 años), sino que también deben ser lo suficientemente resistentes como para evitar vibraciones y tensiones de temperatura que afecten negativamente las propiedades mecánicas y eléctricas de los contactos. Además, los contactos también deben ser totalmente seguros para el tacto con el fin de eliminar los posibles peligros de alto voltaje y alta potencia para garantizar la seguridad de los fabricantes y el personal de servicio.

A modo de ejemplo, un objetivo de diseño principal del sistema de conectores del módulo BCON + de TE era manejar corrientes constantes de 400 amperios (con picos cortos de hasta 1200 amperios) y voltajes de hasta 1000 V y funcionar de manera confiable a temperaturas ambiente típicas de la batería de -40 °C a + 80 °C. El principal desafío fue minimizar la resistencia de contacto en cada punto de contacto para garantizar las menores pérdidas de potencia y estrés térmico posibles, así como lograr una confiabilidad de por vida a través de una alta resistencia a las vibraciones de acuerdo con las especificaciones globales de los OEM.

Un sistema de gestión de baterías es el sistema electrónico que gestiona la carga y descarga de las celdas que contiene el paquete de baterías. Protege la batería de funcionar fuera de sus límites seguros mediante la temperatura de monitoreo y las señales de voltaje de los módulos de celda, así como las señales de corriente en el nivel de paquete y transmitiéndolas a los elementos que equilibran o controlan el entorno del módulo de celda.

El sistema de gestión de la batería es fundamental para el rendimiento óptimo y la seguridad de la batería, lo que significa que debe funcionar con un alto grado de precisión y fiabilidad y debe ser de construcción altamente resistente. Sin embargo, también debe ser compacto y liviano, agregando el menor volumen posible a la geometría general del paquete de baterías.

La conectividad también es un habilitador clave de la gestión de la batería. Se requiere transferir señales al controlador de administración de batería (BMC), donde se procesan y envían a los controladores de administración de celdas (CMC) para equilibrar las celdas y permitir un flujo controlado de energía, por ejemplo, durante la carga.

La electrónica BMS requiere sistemas de conectores altamente compactos pero flexibles. Dado que la relación entre las celdas de batería y los controladores de celda varía según los requisitos de diseño de la batería, como la capacidad y las demandas de energía del vehículo, los sistemas de conectores deben tener la flexibilidad de acomodar múltiples permutaciones de configuración de conectores. Los conectores también deben tener la flexibilidad de admitir diferentes tipos de cables, incluidos FFC/FPC (cables planos flexibles/impresos) que se pueden enrutar alrededor de geometrías de baterías compactas y complejas.

Además, el sistema de conectores requiere una distancia segura de "creepage" y una distancia mínima de seguridad entre los pines, lo que garantiza que no haya riesgo de falla por cortocircuitos causados por la contaminación por polvo o arcos. Como los módulos de batería se suministran como componentes sellados, los fabricantes deben estar seguros de que todos los conectores internos cumplen con las estrictas especificaciones de resistencia y confiabilidad de grado automotriz.

Comprensión de las soluciones de conectividad para la próxima generación de movilidad.  Las capas físicas de la red de energía y datos, que comprenden cables y conectores, desempeñarán un papel fundamental como la columna vertebral de la próxima generación de vehículos conectados más seguros y ecológicos que los consumidores desean poseer, conducir o que les conduzcan.

Esto significa que las redes de conectividad de datos de bajo voltaje y los sistemas de conducción de alto voltaje (HV) deben funcionar en paralelo, de manera ultra confiable y segura en arquitecturas centralizadas ("inteligentes") cada vez más integradas.

Las tecnologías de interconexión, conmutación y los sensores serán facilitadores clave de las innovaciones que harán de esto una realidad. Con su amplia gama líder en tecnología y experiencia en estas áreas, estamos en una posición ideal para trabajar con empresas de tecnología automotriz para cocrear las soluciones de conectividad para la próxima generación de movilidad.