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

La carga rápida DC como clave para la adopción de VE

La carga rápida DC de vehículos eléctricos (VE) podría ser clave para aliviar la ansiedad de autonomía que muchos creen limita la adopción de VE. Con una infraestructura de carga robusta que permite la carga de baterías en 20 minutos en lugar de 4 horas, la carga de VE se acerca mucho a la experiencia a la que los conductores están acostumbrados al repostar un vehículo de motor de combustión interna (MCI).

Esa infraestructura no está completamente desarrollada hoy pero está creciendo y volviéndose accesible para más vehículos. Múltiples fabricantes de VE han adoptado recientemente el conector de carga de Tesla y Tesla lidera actualmente el mercado en despliegue de puertos de carga rápida. Una investigación encargada por Sensience pronostica que la carga rápida DC representará más del 70 por ciento de la carga pública global para 2030 (Figura 1).

Figura 1. Crecimiento proyectado en carga rápida DC para 2030. (Imagen: Sensience)

Desafíos de gestión térmica

Si bien la carga rápida podría desbloquear el crecimiento en el mercado de VE, también eleva el listón para la gestión térmica en toda la cadena de carga de VE. Los cargadores rápidos DC generan entre 50-350 kW de potencia, comparados con los 7-19 kW típicos de cargadores de Nivel 2. Incluso a los voltajes más altos comunes con cargadores rápidos DC, estos puertos generan significativamente más calor que los puertos de carga de Nivel 2. La gestión térmica efectiva se vuelve así más crítica que nunca para prevenir temperaturas que pueden acortar la vida de la batería, reducir la eficiencia de carga e introducir riesgos de seguridad.

Un componente de la gestión térmica efectiva que a veces se pasa por alto hasta tarde en el proceso de diseño es la especificación de los sensores de temperatura que permiten a los sistemas de gestión de batería y vehículo responder rápida e inteligentemente a cambios de temperatura en toda la cadena de carga del vehículo.

El papel de los sensores de temperatura en la cadena de carga de VE

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

El cargador a bordo representa un entorno más simple pero aún crítico para sensores de temperatura ya que el monitoreo del sensor activa los sistemas de enfriamiento requeridos para gestionar el calor durante la carga rápida. Debido a que hay menos variabilidad de temperatura a través del componente, se requieren menos sensores.

El puerto de carga del vehículo es otra aplicación importante para sensores de temperatura en la cadena de carga. Los sensores de temperatura se usan tanto en la entrada de carga del vehículo como en la pistola de carga para monitorear las temperaturas de los contactos eléctricos. Esta retroalimentación proporciona una parada de seguridad en caso de cualquier fenómeno no intencional causado por daño o contaminación en los contactos. 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 usados en esta aplicación.

Igualmente importantes son los sensores integrados con el sistema de enfriamiento que protege la batería, el cargador a bordo y la electrónica de potencia del sobrecalentamiento. Los sistemas de enfriamiento inteligentes integrados en los VE son solo tan efectivos como los sensores que los soportan.

Especificación de sensores para la cadena de carga de VE

Un alto grado de precisión es esencial en cualquier aplicación de detección de temperatura pero es particularmente importante en la cadena de carga de VE debido a la estrecha ventana de temperatura en la que las baterías pueden cargarse a su velocidad máxima. La baja precisión del sensor puede reducir la eficiencia de carga porque la carga puede tener que reducirse para compensar el margen de error del sensor incluso si las temperaturas reales están dentro del rango deseado. Sensores de mayor precisión reducen el grado en que los sistemas del vehículo tienen que tener en cuenta la imprecisión del sensor y pueden permitir carga más rápida por períodos más largos.

Otra característica crítica de los sensores de temperatura para VE es el tiempo de respuesta o el tiempo entre cuando se mide la temperatura y cuando se comunica y puede actuar. Diferentes tipos de sensores tienen diferentes características de respuesta y dentro de cada tipo, el tiempo de respuesta puede optimizarse a través de la configuración del sensor.

Por ejemplo, en 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 contra el valor de una respuesta más rápida en una aplicación particular. Donde las temperaturas no son tan altas o están siendo gestionadas por un sistema de enfriamiento, como es el caso en componentes clave de la cadena de carga de VE, aumentar costos para lograr el tiempo de respuesta más rápido posible puede no estar justificado. La excepción es la entrada de carga, donde optimizar el 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 se diseñan en la cadena de carga de VE de una manera que hace impráctico reemplazarlos si ocurre una falla. Todo el componente necesitará ser reemplazado si un sensor falla. Eso hace que la fiabilidad sea el atributo más importante para sensores de temperatura usados en toda la cadena de carga de VE.

Afortunadamente, aunque las aplicaciones para sensores de temperatura son diferentes en VE comparadas con MCI, las tecnologías de sensores usadas son similares. Los procesos de fabricación para estas tecnologías son maduros y se han beneficiado de la automatización que permite calidad consistente. Los procesos de prueba y calibración también son bien entendidos y pueden ayudar a asegurar fiabilidad y rendimiento predecibles en esta aplicación.

Evaluación de tecnologías de sensores para la cadena de carga de VE

Figura 2. La colocación del sensor es particularmente importante en baterías de VE ya que las temperaturas pueden variar a través de la batería.

Tres tecnologías de detección de temperatura se consideran típicamente para VE: termopares, termistores NTC y detectores de temperatura por resistencia (RTD).

Termopares

Los termopares generan un pequeño voltaje en respuesta a un cambio de temperatura que es proporcional al cambio en temperatura. Estos sensores son generalmente económicos pero no son adecuados para la cadena de carga de VE. Pueden suponer riesgos de seguridad para ingenieros de prueba en entornos de alto voltaje como baterías de VE, su precisión puede verse comprometida por ruido eléctrico, y su tiempo de respuesta es más lento que lo típicamente requerido.

Termistores NTC

En un termistor NTC, la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esta tecnología proporciona buena precisión en un tamaño compacto que permite integración en espacios reducidos. El tiempo de respuesta y la curva resistencia-temperatura de los termistores NTC también pueden configurarse para cumplir una amplia gama de requisitos de aplicación, incluyendo 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 requisitos de diseño eficientemente y han sido probados en aplicaciones automotrices por décadas.

RTD

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

Diseñando precisión y fiabilidad

Con la carga rápida volviéndose más común, la detección de temperatura precisa y confiable a lo largo de la cadena de carga seguirá siendo crítica incluso a medida que evolucionen las tecnologías de baterías. La clave para una integración efectiva y rentable de sensores de temperatura en nuevos diseños es desarrollar especificaciones y elegir un proveedor durante el desarrollo de prototipos. Esto permite procesos más optimizados, ayuda a asegurar que los sensores cumplan requisitos de aplicación rentablemente, y mitiga el riesgo de que se requieran modificaciones a medida que el diseño pasa de prototipo a producción.

Este artículo fue escrito por Phil Thibodeau, Gerente de Producto, Transporte, Sensience (Westerwille, OH). Para más información, visite aquí.