O desafio reside em projetar arquiteturas robustas e fiáveis ​​que exijam o mínimo esforço de projeto e sejam economicamente viáveis. Para alcançar este equilíbrio, os engenheiros devem explorar a possibilidade de aplicar novos métodos ao projeto do sistema de alimentação de energia.

Partindo de um módulo de potência denso, os engenheiros podem conceber novas arquiteturas que equilibrem fatores relacionados com o pré-carregamento do veículo. Um módulo conversor de relação fixa é fundamental para criar o sistema de pré-carregamento mais eficiente.
Como controlar as sobrecorrentes de entrada
: Um veículo elétrico requer quatro componentes principais para operar: uma bateria de tração, conversores CC/CC, um inversor para o motor de tração e um motor elétrico. Nesta configuração, a bateria fornece a energia CC de alta tensão (800 V) ao variador do motor de tração, que, por sua vez, fornece energia CA para acionar o motor.

O fornecimento de energia da bateria de tração para o motor de tração apresenta desafios do ponto de vista da segurança e da fiabilidade. O inversor do motor de tração consome uma corrente elevada de forma intermitente, tornando essencial a integração de condensadores de grande capacidade no barramento CC para manter uma alimentação CC estável. Em muitos veículos, a capacitância total do barramento CC pode atingir aproximadamente 58.000 µF, representando uma carga capacitiva significativa.

Quando o veículo é ligado, esta capacidade é descarregada (0V), pelo que a ligação da bateria de tração diretamente ao variador do motor de tração gera correntes de pico. Como a cablagem da bateria tem uma resistência da ordem dos microohms e a bateria opera a 800V, a corrente resultante em amperes é definida de acordo com a Lei de Ohm:

I = ((800V - 0V))/R

Esta corrente de pico representa um risco para a segurança do sistema, podendo provocar falhas de terra, danos em equipamentos e queima de fusíveis (Figura 1). Além disso, a elevada taxa de variação da tensão (dV/dt) correspondente à capacidade de carga do barramento CC pode gerar oscilações que afetam os componentes.

Figura 1: Ao ligar o veículo, a carga na capacidade do barramento CC de um inversor de tração pode resultar em enormes correntes de pico que podem danificar o equipamento.

Dicas práticas para um pré-carregamento adequado.
Para resolver estes problemas, os veículos elétricos utilizam um circuito de pré-carregamento, um modo preliminar que limita a sobrecorrente de entrada durante o processo de ignição do veículo.

Na maioria dos veículos elétricos, o pré-carregamento utiliza contactores especiais e uma resistência limitadora de corrente entre a bateria de tração e o variador do motor de tração (Figura 2). Durante o pré-carregamento, o interruptor SW1 está aberto, enquanto os interruptores SW2 e SW3 estão fechados. Neste modo, o veículo pré-carrega a capacidade do barramento CC através da resistência em série R1, limitando efetivamente a corrente de pico. Quando os condensadores do barramento CC atingem os 800 V, o pré-carregamento termina, o interruptor SW3 abre e o interruptor SW1 fecha, permitindo que o veículo opere em condições normais.

Embora este método de pré-carregamento funcione, está longe de ser o ideal. Uma das suas principais desvantagens é a necessidade de componentes adicionais, como um contactor de pré-carregamento, que é robusto, mas também grande, pesado e caro. Estes componentes adicionais são indesejáveis ​​nos veículos elétricos, onde o espaço, o peso e o custo são fatores críticos.

Outra desvantagem é que o pré-carregamento a partir de um barramento de alta tensão é propenso a falhas devido ao sobreaquecimento. Por exemplo, os ciclos repetidos de ligar/desligar do veículo num curto período expõem a resistência de pré-carregamento a correntes elevadas durante períodos prolongados. Esta procura repetida de energia provoca o sobreaquecimento do resistor, tornando o sistema suscetível a curtos-circuitos e falhas que podem danificar o circuito de alta tensão. A proteção do circuito de pré-carregamento requer circuitos de segurança especializados, aumentando ainda mais a lista de materiais, o peso e o custo.

Figura 2: Durante o pré-carregamento, um contactor especial SW3 liga um resistor em série entre a bateria e o inversor. No final, SW3 abre, SW1 fecha e a bateria volta a ligar-se ao inversor

Nova técnica baseada em conversores de relação fixa.
A família de conversores de relação fixa Vicor BCM® oferece um método único de conversão de tensão que tira partido de uma forma nova e melhorada de realizar o pré-carregamento.

Os conversores de relação fixa são conversores CC/CC isolados e não regulados que atingem uma eficiência máxima de 98%. O seu funcionamento é semelhante ao dos transformadores de corrente alternada, pois reduzem ou aumentam a tensão de acordo com uma relação fixa determinada pelo número de espiras ou fator K (Figura 3). Mais importante ainda, estes dispositivos são bidirecionais, o que significa que o mesmo módulo pode aumentar ou diminuir a tensão dependendo da direção do fluxo de corrente.

No campo do pré-carregamento de veículos elétricos, a vantagem dos conversores de relação fixa é que são os únicos que permitem o pré-carregamento a partir do barramento de baixa tensão.

Todos os veículos elétricos utilizam duas baterias: a bateria principal de tração, que opera a 400 V ou 800 V, e a bateria de baixa tensão, que opera a 12 V ou 48 V. A bateria de baixa tensão alimenta os equipamentos auxiliares de baixa tensão, como o rádio e os comandos do sistema, quando o veículo está parado. Quando o veículo está em movimento, os equipamentos auxiliares de baixa tensão são alimentados pela bateria de tração através de um conversor CC/CC e regulador especiais (Figura 4). Esta conversão está presente em todos os veículos elétricos e é geralmente realizada através de soluções unidirecionais, como conversores de potência comutados.

Figura 3: Os conversores de relação fixa aumentam ou diminuem a tensão CC seguindo uma relação pré-determinada que depende da direção do fluxo de corrente e conseguem uma elevada eficiência.

 
Projeto de um método de pré-carregamento com módulos de potência de alta densidade

Graças à disponibilidade do módulo conversor de potência de relação fixa, os projetistas de sistemas de energia dispõem de um meio de pré-carregamento que não requer componentes adicionais e não aumenta o custo ou o peso.

Em vez de pré-carregar a capacidade do barramento CC do variador do motor de tração diretamente a partir da bateria de tração, os projetistas podem utilizar conversores de relação fixa para pré-carregar a partir da bateria de baixa tensão (Figura 4). Com este design, o conversor CC/CC padrão utilizado para alimentar o barramento de baixa tensão a partir do barramento de alta tensão é substituído por um conversor de relação fixa, como o Vicor BCM6135, e um regulador CC/CC, como o Vicor PRM3735. É importante realçar que o número total de componentes se mantém inalterado em relação à solução original.

Durante o pré-carregamento, os interruptores SW1 e SW2 estão abertos, desligando completamente a bateria de tração. Neste modo, os 48 V da bateria de baixa tensão são regulados pelo PRM3735 e depois elevados pelo BCM6135 para os 800 V necessários para pré-carregar a capacidade do barramento CC do motor de tração. Como a corrente de saída do PRM3735 é controlável, esta arquitetura realiza o pré-carregamento sem sobrecorrentes de entrada elevadas e descontroladas.

Quando a pré-carga estiver completa, os interruptores SW1 e SW2 fecham. Graças à natureza bidirecional dos conversores de relação fixa, o mesmo conversor de relação fixa e o regulador CC/CC podem agora inverter as polaridades e reduzir os 800 V da bateria de tração para 48 V, alimentando assim o barramento de baixa tensão.

As vantagens deste método são consideráveis ​​​​e numerosas.

1. Pré-carregamento sem aumento de custos ou componentes adicionais.
Esta arquitetura permite que os projetistas de sistemas de energia alcancem um carregamento fiável e controlado sem adicionar componentes. Utilizando os mesmos componentes já presentes nos sistemas mais antigos (o conversor CC/CC e o regulador CC/CC), os projetistas podem pré-carregar e alimentar o barramento de baixa tensão a partir do barramento de alta tensão. Comparativamente às técnicas convencionais de pré-carregamento, que requerem mais contactores, resistências e circuitos de proteção, este método reduz significativamente a lista de materiais. A redução do número de componentes traduz-se diretamente numa diminuição do tamanho, peso e custo do sistema.

2.º Altamente fiável e menos arriscado.
Um conversor de relação fixa é mais fiável do que a pré-carga convencional através de uma resistência em série e não está sujeito a sobreaquecimento ou falhas.

3.º O Método mais Eficiente em termos energéticos:
O método baseado num conversor de relação fixa é também altamente eficiente. Como a regulação CC/CC ocorre sem conversão de tensão (regulação de 48 V para 48 V), toda a conversão de tensão é realizada dentro do conversor de relação fixa. Atingindo uma eficiência até 98%, o conversor de relação fixa praticamente não apresenta perdas, garantindo, assim, o mínimo desperdício de energia no processo. Esta poupança de energia proporciona ao veículo uma maior autonomia e reduz a necessidade de gestão térmica.

Figura 4: A utilização simultânea de um conversor de relação fixa e de um regulador de tensão permite o pré-carregamento a partir da bateria de baixa tensão durante o pré-carregamento e a alimentação do barramento de baixa tensão a partir da bateria de tração durante o funcionamento normal.

Os módulos de potência reduzem a lista de materiais, o custo e o peso

A transição dos veículos com motor de combustão interna para os veículos elétricos (VE) continua, criando uma necessidade crescente de sistemas de energia mais acessíveis, mais pequenos e mais leves. Isto só pode ser conseguido através de técnicas inovadoras para o projeto de redes elétricas mais eficientes para VE.

Graças aos seus conversores de relação fixa de alta eficiência, a Vicor oferece novas arquiteturas que proporcionam níveis sem precedentes de flexibilidade de projeto para os projetistas de sistemas de propulsão. As técnicas de pré-carga que utilizam componentes existentes numa única aplicação demonstram as capacidades desta família de módulos conversores de potência de relação fixa. À medida que os sistemas de propulsão continuam a evoluir e a tornar-se uma parte cada vez mais integrante da indústria automóvel, os conversores de relação fixa irão ajudá-los a alcançar um futuro mais sustentável e acessível.

Vicor e BCM® são marcas registadas da Vicor Corporation. PRM é uma marca comercial da Vicor Corporation.

Autor: Patrick Kowalyk, Engenheiro Chefe de Aplicações Automóveis da Vicor