Convertidor CC/CC de respaldo

El mercado en expansión de fuentes de alimentación redundantes 

A medida que los vehículos modernos se vuelven cada vez más complejos, las exigencias a sus sistemas de seguridad y arquitecturas eléctricas crecen exponencialmente. La proliferación de sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y funciones X-by-wire impulsa a los fabricantes de automóviles a incorporar cargas críticas de baja tensión (LV) con Nivel de Integridad de Seguridad Automotriz (ASIL). Estos sistemas requieren un suministro de energía constante y fiable para diversos auxiliares de LV, incluso durante los modos de espera o suspensión del vehículo.

Estas necesidades han llevado a la industria a adoptar redes de tablero redundantes para los principales sistemas de seguridad dentro de sus vehículos más avanzados, que luego proliferarán en el resto de sus carteras junto con las tecnologías que las requieran.

Esto ha posicionado al mercado de fuentes de alimentación redundantes al borde de un crecimiento sustancial, que superará la impresionante marca de 500 millones de dólares en los próximos cinco años.¹

Las predicciones a largo plazo indican que este segmento podría evolucionar hasta convertirse en un mercado multimillonario en la próxima década, lo que refleja un cambio dinámico en la demanda del sector automotriz de soluciones energéticas mejoradas.

Si bien los primeros conceptos han proporcionado una solución temporal, no abordan las demandas cambiantes y más complejas que enfrentan los sistemas eléctricos más robustos de los vehículos del futuro. Más allá de la necesidad de mejorar la eficiencia a carga parcial, los crecientes requisitos de disponibilidad de energía, empaquetado y optimización del peso que cumplan con ASIL se han vuelto aún más cruciales para el desarrollo de soluciones técnicas efectivas que tengan un impacto duradero. Cabe destacar que los costos asociados con las características adicionales también deben supervisarse de cerca; cualquier nuevo concepto de vehículo debe mantenerse dentro de los objetivos de costos aceptables para garantizar la viabilidad del mercado y su adopción generalizada.

Para abordar estos desafíos, Flex diseñó proactivamente un nuevo concepto: un convertidor CC/CC de respaldo de alta tensión, diseñado específicamente para satisfacer las necesidades de los sistemas que requieren una fuente de alimentación redundante. Este innovador enfoque de diseño no solo mejora la disponibilidad de energía, sino que también aprovecha avances significativos en el empaquetado y la reducción de peso, logrando una impresionante reducción de más de 60% en comparación con las soluciones de vanguardia existentes. Estas transformaciones podrían generar ahorros sustanciales de costos, lo que permitiría el desarrollo de conceptos de vehículos de próxima generación.

1. Análisis de Flex basado en datos de S&P Global Mobility, TechInsights y conversaciones con clientes

Las nuevas tecnologías amplían los requisitos de seguridad automotriz 

Con el avance de tecnologías de vehículos definidas por software Como consecuencia de la llegada de los vehículos autónomos de nivel 3 y la introducción gradual de los sistemas X-by-wire, se han impuesto requisitos de seguridad funcional ASIL-D a la red de placas automotrices de bajo voltaje que alimenta estos sistemas críticos para la seguridad.

Un ejemplo de sistema crítico para la seguridad es la dirección electrónica. Este sistema no tiene conexión mecánica al volante y, por lo tanto, no cuenta con respaldo mecánico, pero debe seguir funcionando incluso en caso de fallo de la fuente de alimentación principal, dependiendo completamente de la energía eléctrica de respaldo.

Otro ejemplo se puede encontrar en los vehículos de conducción autónoma, donde, nuevamente, en caso de un fallo en el suministro de energía, se debe garantizar la disponibilidad de las ECU ADAS principales, que realizan el procesamiento de los datos de los sensores clave, durante un período de tiempo específico después del fallo, lo que permite al conductor humano tomar el control del vehículo.

Los vehículos modernos equipados con Nivel 3 cumplen con el requisito de red de placa ASIL-D incorporando dos fuentes de alimentación independientes pero idénticas y redes de placa duales independientes para lograr los objetivos de seguridad funcional asociados. Este tipo de redundancia garantiza que, en caso de fallo del sistema de alimentación, las funciones críticas del vehículo no se vean comprometidas, lo que permite al conductor tomar el control del vehículo y realizar una maniobra de seguridad. Esta es una estrategia fiable, pero los enfoques iniciales han tratado los dos sistemas como prácticamente idénticos, en lugar de dos sistemas a medida que funcionan con parámetros operativos radicalmente diferentes.

Redes de placas LV redundantes para ADAS L3 y drive-by-wire

Convertidor CC/CC de respaldo
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El enfoque líder actual: Batería de plomo-ácido de respaldo + convertidor CC/CC de 12 V/12 V

Algunos vehículos de Nivel 3 disponibles actualmente en el mercado abordan el desafío ASIL-D con una batería de plomo-ácido de respaldo conectada a una red de placa secundaria o de respaldo mediante un convertidor reductor-elevador de CC/CC de 12 V/12 V. Este convertidor tiene dos funciones clave: primero, proporciona una tensión de salida estable independientemente de la tensión de la batería de respaldo, garantizando que las cargas críticas de seguridad reciban una tensión nominal; segundo, garantiza que la batería de plomo-ácido de respaldo tenga suficiente carga y energía almacenada (incluido un margen de seguridad) para cumplir con los requisitos del perfil de misión en caso de fallo de la red de placa principal.

Un interruptor de distribución de energía adicional controla el flujo de corriente de la red de la placa primaria a la secundaria y viceversa, según sea necesario. El interruptor también debe estar diseñado según los requisitos de seguridad funcional de ASIL-D.

Si bien esta solución aprovecha tecnología probada, presenta algunas desventajas inherentes a las baterías de plomo-ácido. Estas baterías tienen una vida útil notablemente corta (aproximadamente de 3 a 5 años) debido a su bajo número de ciclos de descarga. Esta corta vida útil no es ideal para sistemas críticos para la seguridad, donde un suministro de energía ininterrumpido es crucial. Posteriormente, el propietario del vehículo podría tener que reemplazar la batería de plomo-ácido de respaldo de 3 a 5 veces durante la vida útil prevista de 15 años, lo que aumenta el costo total de propiedad de la solución. Otra desventaja de esta solución es la baja densidad de potencia, resultado tanto del tamaño volumétrico como del peso de la batería de plomo-ácido.

Una solución diseñada específicamente: convertidor CC/CC de respaldo de alta tensión/baja tensión

Una solución alternativa que está ganando terreno en la comunidad automotriz para abordar los desafíos de seguridad funcional de las redes de tableros de bajo voltaje, especialmente en vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y eléctricos de batería (BEV), donde ya se dispone de almacenamiento de energía adicional en el lado de alto voltaje (HV/LV), consiste en utilizar un convertidor CC/CC de respaldo de alto voltaje a bajo voltaje (HV/LV) conectado directamente al paquete de baterías principal. Esta configuración también cuenta con una red de tableros de respaldo secundaria con su propia red de distribución de energía dedicada e interruptores de potencia.

Esta solución aborda las limitaciones del enfoque descrito anteriormente, a la vez que ofrece varias ventajas distintivas. Su principal beneficio es una vida útil prolongada de hasta 15 años, en comparación con los 3-5 años de las baterías de plomo-ácido, lo que la hace ideal para sistemas críticos para la seguridad que exigen fiabilidad a largo plazo. Además, su rendimiento generalmente no se ve afectado por la temperatura ambiente ni el estado de carga, factores que suelen suponer un reto para las soluciones basadas en baterías.

Gestión térmica eficaz en condiciones de carga máxima

La mayor densidad de potencia del convertidor CC/CC de respaldo da como resultado un tamaño compacto y bajo peso, lo que brinda a los fabricantes de equipos originales (OEM) mayor flexibilidad para decidir dónde colocar el módulo dentro del vehículo.

Dependiendo de los requisitos de velocidad de respuesta de los perfiles de carga especificados, podría ser necesario un supercondensador de respaldo o un módulo de batería más pequeño para gestionar transitorios de corriente pronunciados y mantener la tensión dentro de los límites especificados, evitando así subtensiones en la red de la placa durante un fallo. Dado que el módulo de almacenamiento de energía de respaldo solo necesitaría proporcionar breves ráfagas de energía para gestionar los transitorios de carga grandes pero breves, no necesitaría almacenar cantidades significativas de energía, lo que lo hace más compacto y rentable que la primera solución.

Otra consideración clave es el funcionamiento normal de un dispositivo como un convertidor CC/CC de respaldo. Normalmente, los perfiles de misión o carga requieren soporte para una potencia de salida continua en el rango de 300 W a 500 W, con pulsos de corriente de salida máxima de hasta 100 A que duran varios segundos. Sin embargo, una red de placa de respaldo rara vez funcionará con estos perfiles y, en cambio, pasará la mayor parte de su vida útil en un entorno de muy baja potencia y baja carga. Por lo tanto, centrarse en mejorar la eficiencia a baja carga debe ser una consideración clave de un convertidor CC/CC de respaldo; debe ser eficaz en momentos críticos que salvan vidas, manteniendo la máxima eficiencia posible entre esos momentos.

Beneficios tangibles que van más allá del estándar del mercado 

El convertidor CC/CC de respaldo de Flex se ha implementado con éxito en una plataforma BEV de próxima generación para un importante fabricante de automóviles mundial con las siguientes especificaciones del dispositivo: 

• Soporte para plataformas de 400 V y 800 V 
• >300 W de potencia continua, >1 kW/L (pico) de densidad de potencia 
• Eficiencia máxima ~94% 
• Pérdidas de potencia en modo de espera de 2 W 
• Solución refrigerada por aire 
• Vida útil operativa de 15 años 

El convertidor CC/CC de respaldo del Flex está diseñado para ofrecer alta eficiencia, alta densidad de potencia y confiabilidad. Emplea una topología de puente de fase desplazada con conmutación de voltaje cero y una frecuencia de conmutación dinámica, lo que permite que el convertidor se adapte a cargas variables, minimizando así las pérdidas de conmutación y mejorando la eficiencia general de conversión. Además, el uso de MOSFET de SiC En la etapa de alto voltaje se reducen aún más las pérdidas de conducción y conmutación. 

Como resultado de su alta eficiencia y el perfil de misión de ráfaga, el convertidor CC/CC de respaldo del Flex está enfriado por aire pasivamente, lo que elimina la necesidad de un sistema de enfriamiento líquido y reduce aún más el costo del sistema y la complejidad del diseño. 

La primera generación de estos diseños avanzados está programada para entrar en producción en 2026, lo que ha generado gran expectación en la industria. Además, los planes para las generaciones posteriores, que se espera comiencen a producirse a partir de 2028, buscan lograr mayores reducciones en la densidad de potencia y los costos. Estos avances anuncian una nueva era para las soluciones de energía redundante, permitiendo a los fabricantes de automóviles cumplir con las estrictas normativas de seguridad, manteniendo al mismo tiempo la eficiencia y el rendimiento que esperan los consumidores modernos.

Gen2 en desarrollo con mejoras significativas 

2x

mayor densidad de potencia

50%

menor volumen

20%

lista de materiales reducida

NUEVO

opción de refrigeración líquida

NUEVO

Impermeabilización IP6k9k