Embora os veículos elétricos dependam de baterias de alta voltagem (800V, 400V) e de um sistema de distribuição de 48V, uma bateria de 48V pode fornecer instantaneamente a energia necessária, mas qualquer bateria intermédia nas arquiteturas de veículos elétricos terá um impacto negativo no peso, no espaço e no custo.

A oportunidade de introduzir inovações nas arquiteturas energéticas dos veículos elétricos reside na utilização de uma bateria de alta tensão para tirar partido das vantagens do armazenamento de energia em alta tensão e eliminar a necessidade de uma bateria intermédia. Isto é conseguido através da utilização de um conversor CC/CC para alimentar o sistema dentro de uma gama de baixa tensão segura (SELV). Embora um conversor convencional possa lidar com a conversão de tensão, não possui a velocidade de resposta necessária para satisfazer as exigências de energia dos diversos subsistemas. O
BCM (Módulo de Controlo de Bateria) da Vicor caracteriza-se pela sua baixa impedância e rápido tempo de resposta, permitindo-lhe transformar a bateria de alta tensão no que parece ser uma bateria de 48V para ligação à rede elétrica, eliminando assim a necessidade de uma bateria intermédia de 48V separada.

Este artigo explica detalhadamente as características do conversor BCM da Vicor, o seu funcionamento e capacidades, compara-o com um conversor CC/CC convencional e sugere uma implementação da sua arquitetura quando utilizado na arquitetura energética de um veículo elétrico.

O conversor BCM

O conversor BCM funciona como um conversor de relação fixa, cuja tensão de saída (também designada por tensão secundária) é uma fracção fixa da tensão de entrada (também designada por tensão primária). Esta fracção fixa, designada por factor K, pode ser maior, igual ou menor que um e é definida como a tensão de entrada dividida pela tensão de saída (V_{_PRI} /V_{_SEC}). Quando o factor K é inferior a um, as tensões de entrada diminuem, mas as correntes de entrada aumentam. Quando o fator K é superior a um, as tensões de entrada aumentam e as correntes de entrada
diminuem.

O funcionamento interno do conversor BCM consiste em três etapas: 

1. Um estágio de comutação no circuito primário que converte a entrada CC do primário num sinal sinusoidal.
2. Um transformador ideal que converte corrente alternada (CA) em corrente alternada (CA) e varia a tensão em função da relação de espiras entre o primário e o secundário (o fator K).

Um estágio de comutação no lado secundário converte o sinal sinusoidal do transformador ideal numa saída CC. Os estágios de comutação operam quando o sinal sinusoidal passa por corrente e tensão nula no transformador, minimizando assim as perdas causadas pela comutação.

A simetria, juntamente com a sequenciação e controlo adequados, permite que o BCM funcione como um conversor buck ou boost. Esta capacidade bidirecional inerente permite que o BCM converta energia com igual eficiência em ambas as direções. Isto abre a possibilidade de conversão de energia em aplicações caracterizadas por carga e descarga rápidas de um elemento de armazenamento, por exemplo, embora este artigo se concentre na conversão buck.

Graças à comutação de corrente zero/tensão zero (ZCS/ZVS), os conversores BCM operam a frequências mais elevadas do que os conversores convencionais. Por exemplo, o BCM6135 opera a 1,2 MHz e, ao contrário de um conversor ressonante ZV/ZC convencional, o BCM opera numa gama de frequências estreita. A elevada frequência de funcionamento do BCM proporciona uma resposta rápida às variações das correntes de carga e à baixa impedância de entrada para saída. A conversão de relação fixa, o funcionamento bidirecional, a resposta transitória rápida e a baixa impedância são as qualidades que permitem ao BCM fazer com que uma bateria de 384 V pareça ser de 48 V — um processo a que chamamos transformação. Esta capacidade de transformar uma fonte de alimentação é a principal vantagem e a maior diferença em relação aos conversores convencionais.

transformação da fonte de alimentação

O BCM transforma uma tensão de entrada numa tensão de saída de acordo com uma relação fixa, que pode ser expressa matematicamente como V_{_OUT} = K ∙ V_{_IN}. Considere um sistema de energia distribuída de 48 V ligado a uma bateria de alta tensão carregada a 384 V. As cargas no barramento de 48 V têm uma gama de tensão de entrada que é uma fracção fixa da saída da bateria. Um BSM isolado (1/8) converte a saída CC de alta tensão da bateria num conjunto de tensões compatíveis com a distribuição de 48 V. O rápido tempo de resposta do BCM faz com que a bateria de 384 V pareça, na perspetiva de qualquer carga no lado de baixa tensão, descarregar para 48 V. Na prática, o conversor BCM transformou a bateria de alta tensão, permitindo assim que o sistema desfrute de todas as vantagens de uma bateria de tensão mais elevada para armazenamento de energia, como um tempo de carregamento mais rápido e uma densidade de energia melhorada em comparação com uma bateria de 48 V com armazenamento de energia equivalente.

Consideremos agora a mesma aplicação com um conversor convencional, que regula a tensão de entrada para uma tensão de saída específica, independentemente das flutuações de entrada. As flutuações da tensão de entrada não são propagadas para a saída regulada. A largura de banda estreita do conversor regulado impede que o sistema de distribuição forneça energia tão rapidamente como uma ligação direta à bateria. Do lado da baixa tensão, existe apenas uma tensão de alimentação ideal de 48 V. Embora esta conversão seja útil, apresenta duas desvantagens. Em primeiro lugar, a largura de banda estreita requer algum armazenamento de energia adicional (seja capacitivo ou outra bateria) para fornecer corrente durante uma descarga com uma elevada (dI/dt). Em segundo lugar, um estágio de regulação é desnecessário, uma vez que a tensão de entrada das cargas no lado de baixa tensão é uma fracção fixa da tensão da bateria no lado de alta tensão. O conversor convencional regula desnecessariamente, desperdiçando energia, aumentando os custos e reduzindo a eficiência do sistema. Além disso, a largura de banda limitada do conversor regulado piora o tempo de resposta a exigências rápidas de energia no sistema de distribuição.

Ao projetar a gama de tensão de uma fonte de alimentação para ser uma fração fixa da gama de entrada da carga no sistema de distribuição de energia, as tensões elevadas (com a consequente vantagem de baixas perdas) podem ser utilizadas para distribuir energia sem os estágios de regulação desnecessários utilizados em sistemas equipados com conversores convencionais. Indo mais além, a conceção de um sistema onde todas as gamas de tensão — para fontes, cargas e diversos caminhos de distribuição — possuem proporções fixas entre si permite a seleção otimizada da melhor tecnologia para armazenamento e distribuição de energia, bem como para as capacidades dos subsistemas. Isto é conseguido através de arquiteturas de energia de alto desempenho para veículos elétricos. Estes sistemas utilizam baterias de iões de lítio (organizadas de acordo com a capacidade e alta tensão para carregamento rápido), distribuem energia a 48 V (de acordo com a especificação LV148V para distribuição SELV) e utilizam vários subsistemas legados e económicos de 12 V, juntamente com a tecnologia AI de 48 V de última geração. Os módulos BCM integram, então, todas estas tensões num único sistema altamente eficiente. 

Uma arquitetura de bateria virtual de 48 V

As arquiteturas de energia para veículos elétricos podem utilizar módulos de bateria (BCMs) para criar um sistema de energia leve e de alta eficiência. Os bancos de baterias de alta tensão, que constituem a unidade primária de armazenamento de energia, reduzem a tensão para o valor mais eficiente para a distribuição. Esta configuração oferece vantagens (densidade de energia e tempo de carregamento) em relação a soluções de tensão mais baixa, mas também desvantagens (não SELV) que a tornam recomendável para aplicações em veículos elétricos, mas insegura para a distribuição de energia pelo veículo. Em vez disso, a implementação de um sistema de energia distribuída de acordo com a especificação LV148 permite que a energia seja distribuída a uma tensão segura (SELV), que é mais fácil de manter do que a alta tensão da bateria e requer menos cobre para a corrente mais baixa do que se distribuída a 12V como antes.

O conversor BCM reflete as características de descarga da bateria de alta tensão com base num fator K de 1/8. Esta bateria virtual alimenta o sistema de distribuição LV148 compatível com a mesma eficiência de qualquer bateria física de 48 V, mas com a densidade de energia e as vantagens associadas a uma bateria de alta tensão no sistema.

O conversor Vicor BCM6135 é isolado, proporcionando a proteção necessária quando se liga uma fonte de alta tensão a um sistema de distribuição SELV. Atinge uma eficiência superior a 97% e acima dos 96% quando opera com mais de 30% da sua corrente nominal. Capaz de fornecer até 65 A (mais de 3000 W) continuamente, o conversor BCM6135 pode criar estágios de conversão de alta potência entre as gamas de alta tensão CC e SELV. O BCM6135 possui uma gama de entrada de 260 a 410 V e uma relação de conversão fixa de 1/8 para proporcionar uma saída compatível com um sistema de distribuição de 48 V.

O BCM6135 mede 61x35x7,5mm, está disponível nas versões para montagem em chassis e para montagem embutida, e pesa 68g. A sua elevada densidade de potência (3400 W/in³⁾facilita o posicionamento ideal dentro da arquitetura energética do veículo e a distribuição de peso. O encapsulamento foi concebido para utilização em sistemas de condução e refrigeração líquida, e a sua dissipação de calor é semelhante na parte superior e inferior do encapsulamento para aumentar a flexibilidade de montagem e refrigeração.

Figura 6: Eficiência do BCM6153 em relação à corrente de carga de saída.    

Figura 7: Imagem do BCM6135 para montagem no chassis.

Alargue a distribuição de 48V

Embora a energia do sistema possa ser derivada de uma bateria virtual de 48 V, ainda tem de ser distribuída por todo o veículo para um grande número de cargas em subsistemas com diferentes requisitos de energia e entradas de 48 V e 12 V. Embora as vantagens da energia de 48 V em relação à de 12 V (maior eficiência e cabos mais leves) sejam claras, a forma como esta configuração irá evoluir ao longo do tempo é menos óbvia. À medida que a tensão de 12 V se torna menos comum, a arquitetura de energia do veículo precisa de ser flexível o suficiente para acomodar novos subsistemas, otimizando ao mesmo tempo o peso e o custo de toda a cablagem necessária.

A solução ideal é estender a distribuição de 48 V o mais possível fisicamente e converter para 12 V apenas quando for absolutamente necessário. Uma vez que a gama de funcionamento da especificação LV148 pode ser transformada numa entrada compatível com a distribuição de 12 V com uma conversão de fator K de 1/4, um conversor BCM é a solução ideal para alcançar a máxima eficiência. Além disso, uma vez que ambas as tensões são compatíveis com o SELV, o isolamento não é necessário e pode ser utilizado um conversor não isolado para converter de 48 V para 12 V em todo o sistema. Um BCM não isolado é designado por NBM e as suas outras características são idênticas, oferecendo assim as mesmas vantagens descritas anteriormente: resposta transitória rápida, baixa impedância e funcionamento bidirecional.

Figura 8: Eficiência do NBM2317 em relação à corrente de carga de saída.

Esta arquitetura de alimentação distribuída oferece todas as vantagens da distribuição de 48 V, mantendo a flexibilidade da plataforma para acomodar novos subsistemas com entradas de 48 V e 12 V. O NBM transforma a entrada de 48 V no que parece ser uma fonte de 12 V para sistemas legados de 12 V. O NBM pode ser integrado em qualquer lugar do veículo, uma vez que é suficientemente pequeno para alimentar os subsistemas legados onde quer que estejam localizados. Facilita também a sua remoção caso o sistema seja modernizado no futuro com a instalação de subsistemas de 48 V.

O Vicor NBM2317, com dimensões de 23 x 17 x 7,4 mm e um peso de 12 g, pode ser posicionado em qualquer local ideal para ampliar a distribuição de 48 V. A sua eficiência máxima ultrapassa os 97,5% quando opera acima dos 30% da corrente nominal. Capaz de fornecer até 60 A (800 W) continuamente, o NBM2317 foi concebido para oferecer flexibilidade de arrefecimento, tanto pela parte superior como inferior, e o seu encapsulamento para montagem superficial permite uma fácil integração nos layouts existentes. A sua elevada densidade de potência (4500 W/in³⁾supera largamente a dos módulos concorrentes, e a sua integração é mais eficiente do que a de qualquer solução discreta com um nível de potência equivalente.

Figura 9: Imagem do NBM2317 para montagem em superfície.

Quando utilizados em conjunto, o BCM6135 e o NBM2317 oferecem à arquitetura de energia dos veículos elétricos flexibilidade para adotar a combinação ideal de subsistemas de 48 V e 12 V, além de tirar o máximo partido da distribuição SELV de 48 V e do armazenamento CC de alta tensão, atendendo assim aos objetivos de alto desempenho dos projetos de veículos elétricos.

Conclusão

A capacidade dos Módulos Conversores de Bateria (BCMs) de transformar fontes de energia, especialmente baterias, é a sua principal vantagem e característica distintiva em relação aos conversores convencionais. Uma vez que a tensão de saída da fonte de alimentação primária na arquitetura de energia é proporcional a qualquer tensão de entrada de um subsistema subsequente, a energia pode ser distribuída na tensão ideal mais elevada e depois convertida conforme necessário pelos BCM, sem as perdas causadas por fases de regulação desnecessárias. A vantagem aproveitada pelas arquiteturas dos veículos elétricos é a eliminação das baterias intermédias, uma vez que a bateria de armazenamento de energia de alta tensão é transformada numa faixa compatível com SELV (Self-Early Voltage and Low Voltage) para fornecer energia a todo o veículo. Embora tanto os BCMs como os Conversores Não-Bateria (NBCs) estejam a ser implementados em sistemas de energia de veículos elétricos, qualquer outro sistema alimentado por bateria — desde veículos aéreos não tripulados ultraleves a robôs industriais autónomos e plataformas de computação de IA distribuídas — pode beneficiar das suas capacidades transformadoras.

Para mais informações, visite www.vicorpower.com ou contacte o representante da Vicor no seu país.