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Bomba de inyección para electrones

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Tags: Movilidadeléctrica

La electrónica de potencia es crítica para la autonomía del automóvil eléctrico. ZF ha desarrollado una generación especialmente eficiente de semiconductores con carburo de silicio. Conozca este importante componente de la movilidad eléctrica.
Johannes Winterhagen, noviembre 21, 2018
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Johannes Winterhagen Cuando las cosas se complican de verdad, el periodista especializado en energía y movilidad se encuentra en su elemento natural. Prefiere conocer a los ingenieros en el laboratorio.
Un rápido toque en el acelerador basta para impulsar un vehículo parado con una potente aceleración. Muchos conductores de automóviles eléctricos se sorprenden gratamente la primera vez que los conducen al ver lo deportivos que pueden ser. Los ingenieros de automóviles no se sorprenden tanto. Saben que el combustible que requiere un motor de combustión primero se bombea hasta el inyector de combustible y después, a alta presión, hasta el cilindro del motor.

En un automóvil eléctrico, por el contrario, la batería es el depósito. La fuente de energía o potencia que almacena está compuesta de electrones, partículas elementales prácticamente sin masa que pueden desplazarse cerca de la velocidad de la luz, de acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein. En la práctica, no obstante, la resistencia dentro de los cables ralentiza un poco esa potencia, pero, aun así, se desplazan mucho más rápido que los combustibles líquidos o gaseosos. Esa diferencia explica por qué un motor eléctrico puede alcanzar la velocidad deseada en fracciones de segundo. Mientras la tensión sea constante, la energía mecánica generada solo dependerá de cuántos electrones produzcan los devanados del motor eléctrico.

La electrónica de potencia controla el flujo de electrones

La electrónica de potencia controla el flujo de electrones

¿Qué significa eso en la práctica? El flujo de electrones debe controlarse con precisión para adaptar la potencia del motor eléctrico a la situación de la conducción. Incluso un automóvil eléctrico necesita algún tipo de sistema de inyección, controlado en este caso por la electrónica de potencia conectada al motor eléctrico. Además de todo eso, la electrónica de potencia cumple otra tarea importante. La batería del vehículo, de iones de litio, puede emitir y recibir exclusivamente corriente continua. Los modernos accionamientos eléctricos de los automóviles, no obstante, siempre utilizan corriente alterna, cuya generación es controlada por la electrónica de potencia. Si el vehículo frena y el motor eléctrico actúa como generador, la corriente alterna debe rectificarse para poder almacenarse en la batería. "Dado que, en el uso diario, la energía de la electrónica de potencia se produce continuamente en ambas direcciones, su eficiencia es decisiva para determinar cuánto puede viajar un automóvil eléctrico con una sola carga de la batería", explica Marco Denk, responsable de Ingeniería Avanzada para Conductores de Potencia en ZF. La electrónica de potencia moderna, como los sistemas que desarrolla ZF en su sede bávara de Auerbach, ya consigue un nivel de eficiencia de más del 95 % en el clico WLTP.

Semiconductores de la electrónica de potencia: los inyectores de combustible del motor eléctrico

Semiconductores de la electrónica de potencia: los inyectores de combustible del motor eléctrico

En la electrónica de potencia, los semiconductores son componentes importantes que determinan el nivel de eficiencia. Al igual que la apertura y el cierre de los inyectores de combustible regulan el volumen del mismo, estos semiconductores bloquean la ruta de los electrones en el régimen de ralentí. En función del diseño, el semiconductor despeja la ruta creando una tensión o generando un campo eléctrico. Estos procesos también se pueden combinar. En este contexto entra en juego un transistor bipolar de puerta aislada o IGBT, por sus siglas en inglés. Todos los semiconductores instalados hasta la fecha en los automóviles eléctricos tienen algo en común: se basan en silicio puro. Esto presenta muchas ventajas, incluida el hecho de que los cristales de silicio pueden fabricarse y procesarse de la misma forma que los chips de computadora.
Con el mismo rendimiento de la batería, la electrónica de potencia con chips basados en carburo de silicio prometen una autonomía para el vehículo eléctrico entre un cinco y un diez por ciento superior a la de la electrónica de potencia basada en el silicio.

Las desventajas del silicio barato

Las desventajas del silicio barato

La tensión inversa de un semiconductor de silicio (la presión que debe resistir la válvula electrónica) depende casi enteramente de su grosor. Eso implica que, conforme aumenta la tensión, también lo hace el tamaño de los semiconductores, lo que reduce el nivel de eficiencia cuando el vehículo está en funcionamiento. "Mientras que los motores de todos los automóviles eléctricos han funcionado hasta ahora con 400 voltios, en 2019 asistiremos al lanzamiento al mercado de los primeros vehículos con un accionamiento de 800 voltios. La razón para duplicar la tensión no son ventajas para la conducción, sino que el aumento reduce el tiempo de carga correspondiente a la mitad", explica Denk. En un futuro próximo, solo harán falta entre 15 y 20 minutos para una carga que permita conducir 400 kilómetros.

El nuevo material de los semiconductores mejora la eficiencia

El nuevo material de los semiconductores mejora la eficiencia

Ante esta perspectiva, ZF trabaja en una nueva generación de la electrónica de potencia. Se basa en semiconductores de potencia fabricados con carburo de silicio. En este material, cada átomo de silicio está enlazado con cuatro átomos de carbono y viceversa. "La estructura del silicio es similar a la de un diamante", afirma Marco Denk, y añade: "Los átomos de carbono no solo son más pequeños que sus homólogos de silicio, sino que los electrones libres se enlazan más estrechamente entre sí". Este material más sólido permite campos de fuerza diez veces más intensos y generar hasta tres megavoltios por centímetro antes de que se rompa la estructura de malla.
"Sin modificar el tamaño de la batería, estos nuevos semiconductores pueden aumentar la autonomía entre un cinco y un diez por ciento".
— Marco Denk, jefe de Ingeniería Avanzada para Electrónica de Potencia

Mayor autonomía gracias a los chips de carburo de silicio

Mayor autonomía gracias a los chips de carburo de silicio

En la práctica, eso significa que la misma tensión puede procesarse con chips diez veces más delgados. Para un accionamiento de 800 voltios, bastan semiconductores de un grosor aproximado de 100 micras. La altura reducida de este diseño significa también una menor resistencia interna. Como consecuencia, se pierden menos electrones en su camino hasta el motor, con lo que aumenta el nivel de eficiencia. Los usuarios perciben también esta mejora, incluso aunque no comprendan la física de los semiconductores, porque "sin cambiar el tamaño de la batería, estos nuevos semiconductores pueden aumentar la autonomía entre un cinco y un diez por ciento", explica Denk. Sus colegas y él siguen trabajando en las posibilidades de la producción en serie de este nuevo material para semiconductores. No obstante, en los próximos cinco años más o menos, ZF quiere ofrecer los primeros sistemas de electrónica de potencia con semiconductores fabricados con carburo de silicio.

En pocas palabras: Cuando hablamos de la autonomía de un automóvil eléctrico, la capacidad de la batería no es el único factor determinante; también lo es la eficiencia de la electrónica de potencia. Esto se debe a que es la responsable de toda la gestión de la energía. La electrónica de potencia actual se basa en semiconductores de silicio puro. Aunque ya logra un alto grado de eficiencia, presenta desventajas en cuanto a la altura de diseño y la resistencia interna. Cuanto mayor sea la tensión que acciona el motor eléctrico, mayores serán las desventajas. Por eso, ZF está trabajando en un sistema de electrónica de potencia basado en carburo de silicio. Este material reduce las desventajas mencionadas y puede generar un aumento de entre un cinco y un diez por ciento de la autonomía en carretera sin necesidad de modificar el tamaño de la batería.