Tendencias tecnológicas y de mercado para estaciones de carga de vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos (EV) se están promocionando a un ritmo rápido debido a la regulación de las emisiones de CO2, la electrificación de los automóviles está avanzando en todo el mundo y cada país se centra en la electrificación, como por ejemplo prohibiendo la venta de vehículos nuevos con motor de combustión interna (ICE). después de 2030. La proliferación de vehículos eléctricos también significa que la energía que se ha distribuido en forma de gasolina será reemplazada por electricidad, lo que aumentará la importancia y la difusión de las estaciones de carga. Presentaremos en detalle las tendencias del mercado de estaciones de carga de vehículos eléctricos, las tendencias tecnológicas y los semiconductores óptimos.

Las estaciones de carga de vehículos eléctricos se pueden clasificar en 3 tipos: Nivel 1 de CA: cargadores residenciales, Nivel 2 de CA: cargadores públicos y cargadores rápidos de CC para admitir la carga rápida de los vehículos eléctricos. Con la aceleración de la penetración global de los vehículos eléctricos, el uso generalizado de estaciones de carga es esencial, y el pronóstico de Yole Group (Figura 1) predice que el mercado de cargadores de CC crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR 2020-26) del 15,6 %.

La siguiente figura 2 muestra un circuito de ejemplo de una estación de carga de CC para vehículos eléctricos. Se espera que la adopción de vehículos eléctricos alcance entre 140 y 200 millones de unidades para 2030, lo que significa que tendríamos al menos 140 millones de pequeños sistemas de almacenamiento de energía sobre las ruedas con un almacenamiento agregado de 7 TWH. Esto daría como resultado un crecimiento en la adopción de cargadores bidireccionales en el propio vehículo eléctrico. Normalmente, vemos dos tipos de tecnologías: V2H (Vehicle to Home) y V2G (Vehicle to Grid). A medida que crece la adopción de vehículos eléctricos, V2G apunta a suministrar cantidades sustanciales de electricidad a partir de baterías de vehículos para equilibrar las demandas de energía. Además, la tecnología puede optimizar el uso de energía según la hora del día y los costos de los servicios públicos; por ejemplo, durante las horas pico de uso de energía, los vehículos eléctricos se pueden utilizar para devolver energía a la red y se pueden cargar durante las horas de menor actividad a un costo menor. La Figura 3 muestra una implementación típica de un cargador EV bidireccional.

La siguiente figura 4 muestra las tendencias del mercado para cada método de carga de CC y voltaje de la batería del vehículo eléctrico. Reducir el tiempo de carga es esencial para la penetración de los vehículos eléctricos, y el cambio hacia métodos de carga que admitan mayor potencia y mayor voltaje está avanzando. Además, al modularizar la unidad de fuente de alimentación interna y asignar energía según la carga, es posible cargar varios vehículos eléctricos al mismo tiempo, lo que se espera que elimine la congestión de carga.

A continuación, hablaremos de los semiconductores utilizados en las estaciones de carga de CC. Podemos ver claramente que la tendencia de la carga de CC es hacia una mayor potencia y un mayor voltaje. Por lo tanto, se desea que los semiconductores de potencia utilizados tengan menores pérdidas de potencia. Esto se debe a que con una mayor entrega de energía, incluso si la eficiencia del sistema es la misma, la pérdida total de energía puede ser muy alta. Por ejemplo: las cargas de CC de 50 kW con una eficiencia del 98 % tienen una pérdida de energía de 1 KW y los cargadores de CC de 400 KW con la misma eficiencia tendrían una pérdida de energía de 8 KW. Por lo tanto, el resultado es un sistema de refrigeración muy grande. Esto empuja a los ingenieros a considerar dispositivos de energía de nueva generación para reducir la pérdida de energía. En los últimos años, están aumentando las expectativas no sólo para los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) de silicio (Si), sino también para los MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) de carburo de silicio (SiC). Los diseños basados ​​en MOSFET permiten rectificación síncrona, frecuencias de conmutación más altas, sistemas de refrigeración menos costosos y componentes pasivos más pequeños.

La Tabla 1 muestra las tendencias de semiconductores para las estaciones de carga de CC. Como se mencionó, los semiconductores de potencia deben soportar alta potencia y alto voltaje con menores pérdidas. Para microcontroladores y circuitos integrados de administración de energía, es deseable integrar funciones de seguridad y protección, alta seguridad, actualizaciones de comunicación inalámbrica de firmware por aire (FOTA), funciones periféricas, para reducir la lista de materiales (BOM); y los circuitos integrados de controlador de puerta son similares a los microcontroladores y circuitos integrados de administración de energía donde existe una demanda para reducir la lista de materiales con soporte de alto voltaje y tecnología para conmutar semiconductores de potencia con semiconductores de menor pérdida de energía.

En la Figura 5 se muestra una aplicación de ejemplo para una estación de carga de CC. Los IGBT de Renesas no solo logran bajas pérdidas: VCE(sat) bajo = voltaje de saturación entre colectores-emisores, sino que también logran suprimir las variaciones características en el voltaje umbral (Vth) que Los IGBT se encienden. Esto suprime la desalineación de la sincronización del IGBT cuando se usa en paralelo con control de alta corriente, mejorando así el desequilibrio durante la conexión en paralelo y mejorando la estabilidad y seguridad. Al mismo tiempo, tiene una alta confiabilidad, lo que lo hace ideal para estaciones de carga de CC que requieren un alto nivel de confiabilidad. A continuación, los microcontroladores de Renesas ofrecen procesamiento de alta velocidad y alta confiabilidad a bajo costo. Además, está equipado con un temporizador de alto rendimiento que puede manejar altas frecuencias de conmutación, lo que contribuye a la miniaturización del sistema y la reducción de la lista de materiales periféricos. Combinado con un IC de administración de energía, simplifica el diseño de las funciones de diagnóstico y monitoreo de fallas del microcontrolador y minimiza el costo de la lista de materiales. Los circuitos integrados de controlador de puerta tienen una alta capacidad de accionamiento y pueden controlar semiconductores de potencia de alta potencia. Además, también admite la unidad paralela de semiconductores de potencia, lo que permite un alto consumo de energía y al mismo tiempo logra una reducción de la lista de materiales.

Renesas proporciona una amplia gama de semiconductores para los mercados de energía renovable, microrredes y electrónica de potencia, como los vehículos eléctricos. Renesas también ofrece soluciones combinadas ganadoras que combinan semiconductores (semiconductores de potencia + microcontroladores + productos analógicos) y proporciona información de diseño de hardware y software para cada unidad, así como para los semiconductores. Al utilizar esta estación de carga rápida de CC para vehículos eléctricos, se puede omitir la selección de dispositivos y el diseño de prototipos para cada producto, acortando el período de desarrollo y reduciendo los costos de desarrollo para el cliente. Los usuarios pueden comprar fácilmente los productos recomendados de esta solución en la tienda en línea de Renesas haciendo clic en este enlace para agregarlos al carrito.

Actualmente, la sociedad en su conjunto está dando un giro importante hacia las cero emisiones. Se espera que la expansión del mercado de las energías renovables, el cambio hacia los vehículos eléctricos y la proliferación de estaciones de carga se aceleren rápidamente en el futuro. Renesas contribuirá a la realización de una sociedad sostenible que utilice energía renovable proporcionando semiconductores que coincidan con las tendencias del mercado y brindando soluciones combinadas ganadoras para esta sociedad de cero emisiones.

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