Investigadores de Fraunhofer quieren hacer más eficiente la recarga doméstica
La situación inicial es clara: la red eléctrica funciona con corriente alterna, pero la corriente continua se almacena en la batería del vehículo, por lo que la conversión tiene que realizarse en algún lugar. En la carga de corriente alterna, esto ocurre en el cargador de a bordo, que se instala en el vehículo. Inevitablemente, se producen pérdidas durante esta conversión. Aunque hay diferencias entre cargar con una unidad ICCB en la corriente doméstica o con una estación de carga de caja mural, ni siquiera un cargador de caja mural puede evitar completamente estas pérdidas.
En el marco del proyecto "EnerConnect", financiado por el BMBF, investigadores del Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración IZM y de la Universidad Técnica de Berlín, con el apoyo de Delta Electronics Inc., BIT GmbH e Infineon Technologies AG, están probando un circuito con innovadores transistores GaN de bloqueo bidireccional, es decir, semiconductores fabricados con nitruro de galio.
Al igual que el carburo de silicio (SiC), que ya se utiliza parcialmente en la electrónica de potencia de los coches eléctricos, los semiconductores GaN permiten altas frecuencias de conmutación y, por tanto, componentes más pequeños y potencialmente más baratos. Sin embargo, sólo pueden bloquear la tensión en una dirección. Los transistores de GaN de bloqueo bidireccional son diferentes. "Tienen dos estructuras de puerta para manejar tanto tensiones negativas como positivas, lo que hace que la nueva arquitectura de conmutación sea especialmente atractiva para los convertidores y rectificadores utilizados con la red pública", escribe el Fraunhofer IZM.
En otras palabras, el circuito en el que trabajan los investigadores de "EnerConnect" sería demasiado complejo con semiconductores convencionales, pero es posible con GaN. "El sistema se denomina convertidor buck-boost, que puede funcionar con tensiones de entrada más altas o más bajas. El truco está en los transistores de bloqueo bidireccionales, que pueden aprovechar todas las ventajas de este diseño", explica el Instituto Fraunhofer en el comunicado de prensa. Convencionalmente, los rectificadores activos de los coches eléctricos se conmutan con tensiones elevadas. Sin embargo, con el innovador circuito que se investiga en el Fraunhofer IZM, la tensión también puede ajustarse a un valor más bajo. La menor tensión de conmutación resultante reduce las pérdidas de conmutación en el convertidor.
El circuito también permite ahorrar en una etapa de convertidor: en un rectificador, la tensión de entrada suele tener que aumentarse en dos componentes separados y luego reducirse de nuevo a la tensión de batería requerida. Mediante el uso de transistores de GaN de bloqueo bidireccional, estos dos pasos pueden combinarse en una sola etapa de convertidor, lo que aumenta aún más la eficiencia al tiempo que reduce las necesidades de material y los costes.
El resultado: la eficacia del convertidor podría aumentar hasta el 99%, y también es "concebible" un nuevo aumento de la frecuencia de conmutación. Se ha fijado un objetivo de 300 kHz. "Los investigadores están trabajando para alcanzar una frecuencia de conmutación objetivo de 300 kHz, lo que permitiría aumentar la densidad de potencia hasta 15 kW por litro, un 800% por encima de los cargadores que existen actualmente en el mercado", según la investigación Fraunhofer IZM. En otras palabras, podría desarrollarse un potente cargador de a bordo aún más pequeño que los actuales.
En el comunicado de prensa, Fraunhofer IZM también escribe que aporta "ventajas sustanciales en términos de densidad de potencia y eficiencia y promete hacer mucho más eficaz la carga de vehículos eléctricos desde enchufes domésticos comunes". Esto no se refiere a capacidades de carga en el rango de los cargadores rápidos de CC, sino al hecho de que sería posible un cargador compacto de a bordo de 22 kW. En los coches eléctricos, los cargadores trifásicos de a bordo de 11 kW y 16 amperios son prácticamente estándar; por razones de coste y espacio, muchos fabricantes no ofrecen versiones de 22 kW. Los transistores GaN podrían resolver tanto el problema del espacio como el del coste, facilitando la disponibilidad de cargadores de a bordo de 22 kW.
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