Electrónica de potencia mejorada para los vehículos eléctricos del futuro
El proyecto SCAPE(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, está adoptando un método estandarizado, modular y escalable para los convertidores de potencia de vehículos eléctricos (VE). Su innovadora solución ayudará a reducir costes, mejorar el rendimiento y habilitar funcionalidades avanzadas, contribuyendo así al objetivo de la Unión Europea de eliminar gradualmente la venta de vehículos con motor de combustión durante la próxima década. El proyecto SCAPE tiene como objetivo una eficiencia de conversión de energía del 97,5 %. También pretende duplicar la densidad de potencia y reducir a la mitad el coste por kilovatio en comparación con los estándares actuales. Dichos avances conducirían a mayores autonomías, VE más asequibles y una industria automovilística europea más fuerte.
Modular y escalable
El novedoso método de diseño de SCAPE se basa en un sistema modular y escalable. Como explica el investigador principal Àlber Filbà Martínez, del Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (España) —entidad coordinadora del proyecto—, en su artículo(se abrirá en una nueva ventana) publicado en «Innovation News Network», el pilar fundamental de este método es lo que se denomina «célula de conmutación». Se trata de un bloque de construcción básico, estandarizado y compacto que incorpora tecnología avanzada de semiconductores de potencia y circuitos auxiliares. «Varias celdas de conmutación se interconectan para formar «ramas convertidoras», que luego se combinan para formar convertidores de potencia completos», explica Filbà Martínez. Este método modular permite una escalabilidad flexible, lo cual posibilita que la misma tecnología se utilice para diferentes tipos de VE, desde pequeños coches urbanos hasta camiones de gran tonelaje. Aprovechando las economías de escala y reduciendo significativamente la complejidad de la ingeniería, este método podría reducir sustancialmente los costes de fabricación. El proyecto también prevé combinar un inversor de tracción y un cargador a bordo en una sola unidad. Ello debería simplificar el diseño y la fabricación de vehículos, aumentar la capacidad del sistema de propulsión, reducir costes e incrementar la fiabilidad mediante la tolerancia a fallos. La innovación de SCAPE también se basa en la tecnología de incrustación de chips, en que los chips semiconductores de potencia no se montan en la superficie de la placa de circuito impreso, como es habitual, sino que se incrustan en su interior. Este método «reduce sustancialmente la inductancia parásita y mejora la gestión térmica, lo cual aumenta la eficiencia y la densidad de potencia», señala el investigador. El equipo de SCAPE ya ha desarrollado un primer lote de celdas de conmutación integradas en chips. Las validaciones experimentales confirman que la tecnología funciona correctamente en condiciones exigentes. Los resultados muestran una reducción del 45 % en la resistencia térmica entre la capa barrera y el disipador de calor, y una reducción del 85 % en la inductancia parásita en el circuito de potencia en comparación con una implementación convencional. «Por lo tanto, la integración del chip no solo reduce el tamaño del convertidor, sino que también mejora el rendimiento eléctrico y térmico, así como la fiabilidad», afirma Filbà Martínez. Para supervisar el estado general del sistema, el equipo de SCAPE ha desarrollado un gemelo digital del tren motriz, una réplica virtual exacta del sistema físico, que funciona en paralelo al mismo. El sistema de monitorización emite avisos de mantenimiento predictivo y redistribuye las cargas entre las celdas de conmutación, la cadena convertidora y los módulos de baterías para mantener el funcionamiento hasta que se realice el mantenimiento. También realiza mediciones en línea de la impedancia interna del módulo de la batería, un parámetro directamente relacionado con la salud de la batería. Al permitir una rápida adaptación de la tecnología a diferentes clases de vehículos, el diseño del proyecto podría ayudar a crear economías de escala dentro del mercado europeo y minimizar la dependencia de la Unión Europea de componentes y conocimientos especializados importados. El proyecto SCAPE (Switching-Cell-Array-based Power Electronics conversion for future electric vehicles) finaliza en 2026. Para más información, consulte: Sitio web del proyecto SCAPE(se abrirá en una nueva ventana)