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ONSEMI News

EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS LIGEROS (MHEV) MEDIANTE SOLUCIONES ENERGÉTICAS EFICIENTES

La continua tendencia hacia la adopción de vehículos totalmente eléctricos hace que la industria de la automoción aproveche al máximo el potencial que ofrecen las arquitecturas de los vehículos eléctricos híbridos ligeros (mild hybrid electric vehicle, MHEV) basadas en sistemas de 48 V. Durante los cinco próximos años la industria espera un crecimiento anual del 30% en el número de MHEV que circularán por nuestras carreteras. De ahí que muchos de los principales fabricantes de automóviles ya comercialicen o tengan previsto presentar un MHEV en un futuro cercano. Se estima que a partir de 2025 los MHEV representen alrededor del 10% de todos los vehículos.

EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS LIGEROS (MHEV) MEDIANTE SOLUCIONES ENERGÉTICAS EFICIENTES

La configuración del MHEV forma parte de la oferta de vehículos eléctricos y viene a llenar el hueco existente entre los vehículos tradicionales de 12 V con motor de combustión interna y los vehículos eléctricos con batería (BEV) .

La baja tensión ofrece numerosas ventajas: los sistemas complementan a los motores de combustión interna y la incorporación de un bus de 48 V facilita la creciente electrificación de varias funciones que se encuentran en el compartimento del motor, como las bombas eléctricas. Además, cuando es de 48 V se clasifica como sistema de baja tensión y ello reduce los requerimientos del cableado.

Teniendo todo esto en cuenta existe un creciente interés en los MHEV, aún más teniendo en cuenta que pueden ayudar a disminuir las emisiones de contaminantes con respecto a los motores de combustión interna convencionales a un coste razonable, algo necesario para cumplir una legislación cada vez más exigente. Esto por sí solo garantiza la continua adopción de la tecnología MHEV en paralelo a la tendencia a largo plazo hacia el vehículo totalmente eléctrico. Otra ventaja importante del MHEV es que no se basa en una fuente de alimentación externa sino que se trata de un sistema de autocarga totalmente integrado y utilizado para proporcionar una potencia adicional cuando el motor de combustión interna está sometido a una fuerte carga. Esta potencia es suficiente para lograr un incremento en los kilómetros recorridos por litro, reduciendo así por tanto las emisiones de gases invernadero. Se estima que el MHEV puede disminuir las emisiones del vehículo hasta un 10%.

Implementación de la asistencia híbrida ligera

Como se ha mencionado, el MHEV utiliza un motor eléctrico para asistir al motor de combustión interna, y no para suministrar toda la propulsión (como sí hace un vehículo totalmente eléctrico). Sin embargo, esto no significa que el motor de combustión interna requiera estar siempre en funcionamiento; en los modelos más recientes el motor eléctrico puede suministrar toda la propulsión necesaria durante un tiempo limitado y a baja velocidad, dependiendo de la topología. Cuando el vehículo está desacelerando o frenando, el motor cambia de modo (recuperación) para funcionar como generador y cargar la batería de 48 V. A medida que la tecnología avance y la potencia de salida de los motores aumente hasta superar los 15kW y se acerque a 30kW, los vehículos híbridos ligeros serán capaces de asumir una parte cada vez mayor de la potencia total entregada.

Existen muchas opciones a disposición de los fabricantes para implementar la tecnología MHEV en un sistema de propulsión existente con motor de combustión interna. La solución preferida por la mayoría de los fabricantes parece consistir en conectar el motor eléctrico al cigüeñal mediante una transmisión por correa en la sección de la caja de cambios del motor. Esto significa que el motor eléctrico gira a la misma velocidad que el cigüeñal del motor, que es distinta a la velocidad del eje de transmisión. También significa que el motor se puede desconectar del eje de transmisión mediante el embrague, de la misma forma que se desconecta el motor de combustión interna.


EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS LIGEROS (MHEV) MEDIANTE SOLUCIONES ENERGÉTICAS EFICIENTES
Figura 2: Principales de configuraciones para sistemas MHEV.

Esta arquitectura se denomina BSG (belt starter generator) y se suele indicar como P0, como en la Figura 2. Esto indica que el motor está conectado al cigüeñal por medio de una correa que también se puede utilizar para arrancar el motor en un sistema stop/start en lugar de recurrir al bus de 12 V y el motor de arranque convencional. La ventaja en este caso es que el par más elevado mejora la experiencia del usuario ya que el motor vuelve a arrancar con mucha más rapidez. Además, como el motor de 48 V también se emplea para cargar la batería de 48 V, también es un generador.

En la mayoría de los sistemas, el bus de 48 V es auxiliar para el sistema existente de 12 V y ello significa que sigue habiendo una batería 12 V. No obstante, el sistema de 48 V generalmente es capaz de complementar el sistema de 12 V mediante un convertidor CC/CC, una importante incorporación que también merece ser tenida en cuenta.

Bloques funcionales para sistemas MHEV

En un MHEV los sistemas eléctricos son alimentados por ambos buses de tensión. El bus de 12 V sigue alimentando los sistemas de baja potencia, mientras que el bus de 48 V se reserva para motores eléctricos de alta potencia como los utilizados, por ejemplo, en la dirección, el aire acondicionado y la suspensión adaptativa, así como para alimentar el motor conectado al sistema de propulsión. Aunque el uso de tensiones de bus de 48 V en vehículos no es algo completamente nuevo, el impulso que han vuelto a cobrar se debe a que logran reducir las emisiones de CO2 a un menor coste que un BEV.

Los sistemas eléctricos suelen incluir un convertidor CC/CC, como se ha señalado antes, para conectar los dos buses. Si el motor empleado es un motor de inducción de CA, el sistema también incorporará un inversor (ver Figura 3). Como los sistemas MHEV no son enchufables no necesitan incorporar el circuito del cargador pero se están desarrollando vehículos totalmente híbridos basados en sistemas de 48 V.


EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS LIGEROS (MHEV) MEDIANTE SOLUCIONES ENERGÉTICAS EFICIENTES
Figura 3: Sistema de 48 V/12 V con un inversor CC/CA (Fuente: Yole).

ON Semiconductor® está centrando sus esfuerzos en soluciones de automoción y de potencia que puedan cubrir las necesidades de todas las aplicaciones MHEV de 48 V. Las mejoras en la eficiencia del combustible están ligadas con cada aspecto relacionado con el diseño del sistema, como el rendimiento eléctrico, el tamaño y el peso de los componentes utilizados en la conversión CC/CC. Gracias a su amplio catálogo de MOSFET en encapsulados pequeños con una tensión nominal de 80 V y superior, el resultado es una solución de menor tamaño y un coste más bajo del sistema, pero con el mismo rendimiento térmico elevado que precisan los fabricantes de automóviles. La eficiencia eléctrica es un requisito fundamental en estas aplicaciones que está directamente relacionado con la resistencia en conducción de los transistores de conmutación ya que influyen sobre las pérdidas en conducción en el sistema. Otro factor de importancia primordial es la velocidad de conmutación de los transistores, que también afecta a las pérdidas de potencia totales. Es bien conocido que ON Semiconductor cuenta con la tecnología más avanzada para ello y se ve complementada por sus soluciones para control de puerta. La unión de todas ellas permite crear una topología de potencia optimizada.

Su nivel de especialización se comprueba también en el caso de los módulos de potencia para automoción (automotive power modules, APM) producidos por ON Semiconductor, disponibles en configuración de puente completo y medio puente o como circuitos inversores trifásicos integrados. El APM se caracteriza por su encapsulado moldeado por transferencia (mold compound) y por un sustrato de cobre por unión directa (direct bonded copper, DBC) que ofrece una alta fiabilidad con una baja resistencia térmica que puede resistir las vibraciones y los esfuerzos mecánicos habituales en el uso en vehículos. Estos módulos han sido diseñados para aplicaciones de automoción, por lo que resulta muy fácil instalar los bloques funcionales de sistemas MHEV. Otra ventaja importante que proporcionan los APM de ON Semiconductor es su alto nivel de densidad de potencia en un tamaño reducido. Esto aligera el peso total del sistema, lo cual contribuye a su vez a disminuir el espacio que ocupa el motor y a reducir las emisiones.

Además de los transistores de potencia y los módulos, ON Semiconductor está en condiciones de suministrar los componentes auxiliares necesarios, como amplificadores operacionales, aisladores digitales de alta velocidad y fusibles electrónicos, así como transceptores para las redes de comunicación que se utilizan en el vehículo.

Conclusión

La decisión de implementar la tecnología híbrida ligera debería ser relativamente sencilla para los fabricantes de automóviles. Se estima que ofrece un 70% de las ventajas de un sistema totalmente híbrido con un coste adicional de tan solo el 30% dependiendo de la topología. Además, como estos sistemas están diseñados para funcionar junto con el motor de combustión interna, no despierta en el consumidor los recelos de los vehículos eléctricos, por ejemplo en cuanto a su autonomía. Desde el punto de vista del consumidor el paso a un vehículo híbrido ligero no presenta ningún inconveniente y aporta efectos positivos como la reducción de las emisiones y una eficiencia apreciable del combustible.

Cada vez hay más países en América, Asia y Europa que exigen disminuir las emisiones a los fabricantes de automóviles, que se ven obligados a cumplir dicha normativa y a mejorar la eficiencia del combustible, todo lo cual guarda una perfecta sintonía con la tecnología MHEV. Un sistema híbrido ligero de 48 V es punto de partida accesible para muchos fabricantes y hay muchas expectativas sobre la adopción de esta tecnología a corto plazo.

Gracias a su amplio catálogo de soluciones de potencia optimizadas para las aplicaciones de automoción, ON Semiconductor está bien posicionada para cubrir la necesidad por parte de la industria de desarrollar soluciones más eficientes. Su especialización en la eficiencia se extiende a la tecnología MHEV, y ON Semiconductor ya cuenta con un probado historial en el suministro de soluciones que cumplen los requisitos de la industria de automoción para la implementación de MHEV.

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