Cómo la carga rápida transforma el panorama de carga de vehículos eléctricos

La carga rápida con CC de vehículos eléctricos (EV) podría ser clave para aliviar la ansiedad por la autonomía que muchos creen que limita la adopción de vehículos eléctricos. Con una sólida infraestructura de carga que permite cargar la batería en 20 minutos en lugar de 4 horas, la carga de vehículos eléctricos se acerca mucho más a la experiencia a la que los conductores están acostumbrados cuando repostan combustible en un vehículo con motor de combustión interna (ICE).

Esa infraestructura no está completamente desarrollada hoy, pero está creciendo y se vuelve accesible para más vehículos. Varios fabricantes de vehículos eléctricos han adoptado recientemente el conector de carga para vehículos eléctricos de Tesla y Tesla actualmente lidera el mercado en la implementación de puertos de carga rápida. Una investigación encargada por Sensience pronostica que la carga rápida de CC representará más del 70 por ciento de la carga pública a nivel mundial para 2030 (Figura 1).

Figura 1. Crecimiento proyectado de la carga rápida de CC para 2030. (Imagen:Sensience)

Si bien la carga rápida podría desbloquear el crecimiento en el mercado de vehículos eléctricos, también eleva el nivel de gestión térmica en toda la cadena de carga de vehículos eléctricos. Los cargadores rápidos de CC generan entre 50 y 350 kW de potencia, en comparación con los 7-19 kW típicos de los cargadores de nivel 2. Incluso con los voltajes más altos comunes en los cargadores rápidos de CC, estos puertos generan significativamente más calor que los puertos de carga de Nivel 2. Por lo tanto, la gestión térmica eficaz se vuelve más crítica que nunca para prevenir temperaturas que pueden acortar la vida útil de la batería, reducir la eficiencia de carga e introducir riesgos de seguridad.

Un componente de la gestión térmica eficaz que a veces se pasa por alto hasta una fase avanzada del proceso de diseño es la especificación de los sensores de temperatura que permiten que los sistemas de gestión de la batería y del vehículo respondan de forma rápida e inteligente a los cambios de temperatura a lo largo de la cadena de carga del vehículo.

El papel de los sensores de temperatura en la cadena de carga de vehículos eléctricos

Los sensores se utilizan a lo largo de la cadena de carga. La aplicación más obvia es la propia batería, donde la gestión térmica tiene la máxima prioridad. La ubicación del sensor dentro de la batería estará determinada por el diseño y el tamaño de la batería, pero un solo sensor normalmente resultará inadecuado ya que puede no detectar zonas calientes que pueden desarrollarse en celdas o módulos durante la carga rápida. Lo ideal es tener la capacidad de monitorear directamente las temperaturas de las celdas de la batería en múltiples ubicaciones y comprender la distribución del calor dentro del paquete general.

El cargador integrado representa un entorno más simple pero aún crítico para los sensores de temperatura, ya que el monitoreo de los sensores activa los sistemas de enfriamiento necesarios para administrar el calor durante la carga rápida. Debido a que hay menos variabilidad de temperatura en todo el componente, se requieren menos sensores.

El puerto de carga del vehículo es otra aplicación importante de los sensores de temperatura en la cadena de carga. Los sensores de temperatura se utilizan tanto en la entrada de carga del vehículo como en la pistola de carga para monitorear las temperaturas de las clavijas eléctricas. Esta retroalimentación proporciona una parada de seguridad en caso de cualquier fenómeno no deseado causado por daño o contaminación en las puntas. Durante la carga rápida, las temperaturas pueden ser más altas en la entrada de carga y se debe prestar especial atención a las especificaciones de los sensores utilizados en esta aplicación.

Igualmente importantes son los sensores integrados en el sistema de refrigeración que protegen la batería, el cargador de a bordo y la electrónica de potencia contra el sobrecalentamiento. Los sistemas de refrigeración inteligentes integrados en los vehículos eléctricos son tan eficaces como los sensores que los respaldan.

Especificación de sensores para la cadena de carga del vehículo eléctrico

Un alto grado de precisión es esencial en cualquier aplicación de detección de temperatura, pero es particularmente importante en la cadena de carga de vehículos eléctricos debido a la estrecha ventana de temperatura en la que las baterías se pueden cargar a su velocidad máxima. La baja precisión del sensor puede reducir la eficiencia de la carga porque es posible que sea necesario ralentizarla para compensar el margen de error del sensor, incluso si las temperaturas reales están dentro del rango deseado. Los sensores de mayor precisión reducen el grado en que los sistemas del vehículo deben tener en cuenta la inexactitud de los sensores y pueden permitir una carga más rápida durante períodos de tiempo más prolongados.

Otra característica crítica de los sensores de temperatura para vehículos eléctricos es el tiempo de respuesta o el tiempo entre el momento en que se mide la temperatura y el momento en que se comunica y se puede actuar sobre ella. Los diferentes tipos de sensores tienen diferentes características de respuesta y, dentro de cada tipo, el tiempo de respuesta se puede optimizar mediante la configuración del sensor.

Por ejemplo, en los termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC), un cuerpo metálico permite una respuesta más rápida que un cuerpo plástico debido a su conductividad mejorada; sin embargo, el cuerpo metálico aumenta los costos del sensor y estos costos deben equilibrarse con el valor de una respuesta más rápida en una aplicación particular. Cuando las temperaturas no son tan altas o están controladas por un sistema de refrigeración, como es el caso de los componentes clave de la cadena de carga de vehículos eléctricos, es posible que no se justifique aumentar los costos para lograr el tiempo de respuesta más rápido posible. La excepción es la entrada de carga, donde la optimización del tiempo de respuesta debe considerarse una prioridad más alta.

El otro factor a considerar en la selección del sensor es la capacidad de servicio, o la falta de ella. Los sensores generalmente están diseñados en la cadena de carga del vehículo eléctrico de una manera que hace que no sea práctico reemplazarlos si ocurre una falla. Será necesario reemplazar todo el componente si falla un sensor. Eso hace que la confiabilidad sea el atributo más importante de los sensores de temperatura que se utilizan en toda la cadena de carga de vehículos eléctricos.

Afortunadamente, si bien las aplicaciones de los sensores de temperatura son diferentes en los vehículos eléctricos que en los ICE, las tecnologías de sensores utilizadas son similares. Los procesos de fabricación para estas tecnologías están maduros y se han beneficiado de la automatización que permite una calidad constante. Los procesos de prueba y calibración también se comprenden bien y pueden ayudar a garantizar una confiabilidad y un rendimiento predecibles en esta aplicación.

Evaluación de tecnologías de sensores para la cadena de carga de vehículos eléctricos

Figura 2. La ubicación del sensor es particularmente importante en las baterías de vehículos eléctricos, ya que las temperaturas pueden variar en toda la batería.

Normalmente se consideran tres tecnologías de detección de temperatura para los vehículos eléctricos:termopares, termistores NTC y detectores de temperatura de resistencia (RTD).

Los termopares generan un pequeño voltaje en respuesta a un cambio de temperatura que es proporcional al cambio de temperatura. Estos sensores suelen ser económicos, pero no son muy adecuados para la cadena de carga de vehículos eléctricos. Pueden suponer riesgos de seguridad para los ingenieros de pruebas en entornos de alto voltaje, como las baterías de vehículos eléctricos, su precisión puede verse comprometida por el ruido eléctrico y su tiempo de respuesta es más lento de lo que normalmente se requiere.

En un termistor NTC, la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esta tecnología proporciona buena precisión en un tamaño compacto que permite la integración en espacios reducidos. El tiempo de respuesta y la curva de resistencia-temperatura de los termistores NTC también se pueden configurar para cumplir con una amplia gama de requisitos de aplicación, incluidos los de los diferentes componentes dentro de la cadena de carga. En consecuencia, representan una solución ideal para estas aplicaciones porque pueden configurarse para cumplir con los requisitos de diseño de manera eficiente y han sido probados en aplicaciones automotrices durante décadas.

En un RTD, la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Estos sensores generalmente ofrecen mayor precisión y tienen un rango operativo más amplio que los NTC; sin embargo, también son más caras y las ventajas de esta tecnología generalmente no aportan valor adicional en las aplicaciones de la cadena de carga de vehículos eléctricos. Con la presión constante para reducir costos, los diseñadores pueden descubrir que logran el rendimiento requerido a costos más bajos con termistores NTC.

Diseñar con precisión y confiabilidad

Dado que la carga rápida es cada vez más común, la detección de temperatura precisa y confiable a lo largo de la cadena de carga seguirá siendo fundamental incluso a medida que evolucionen las tecnologías de baterías. La clave para una integración eficaz y rentable de sensores de temperatura en nuevos diseños es desarrollar especificaciones y elegir un proveedor durante el desarrollo del prototipo. Esto permite procesos más optimizados, ayuda a garantizar que los sensores cumplan con los requisitos de la aplicación de manera rentable y mitiga el riesgo de que se requieran modificaciones a medida que el diseño pasa del prototipo a la producción.

Este artículo fue escrito por Phil Thibodeau, gerente de producto, transporte, Sensience (Westerwille, OH). Para obtener más información, visita aquí  .