La società sudcoreana INFAC Corporation ha introdotto un innovativo modulo di progettazione del pacco batterie da 800V per veicoli elettrici che integra un convertitore DC-DC ad alta potenza da 800V a 48V, isolato e regolato. Il nuovo design migliora le prestazioni del veicolo, l’efficienza energetica e aumenta l’autonomia grazie alla riduzione dei cavi e dei connettori ad alta tensione.
Invece di trattare lo stadio di conversione DC-DC come un sottosistema autonomo distribuito, INFAC ha progettato la potenza affinché venga ridotta alla sorgente per la distribuzione SELV in tutto il veicolo. Questo approccio semplificato consente architetture zonali a 48V più pulite, flessibili e modulari per varie piattaforme di veicoli elettrici, senza dislocare le celle della batteria né ridurre l’autonomia del veicolo.
Reimmaginare ciò che è possibile tra pacchi batterie e convertitori DC-DC
INFAC ha riconosciuto che gli approcci tradizionali all’erogazione di potenza non erano allineati con gli obiettivi del settore per la riduzione del peso, l’ottimizzazione dei costi e la semplicità di progettazione.
I convertitori DC-DC ad alta tensione sono tipicamente montati all’esterno del sistema di assemblaggio delle batterie (BAS) ad alta tensione (800V o 400V), richiedendo ulteriori sistemi di sicurezza e gestione termica. I sistemi motore e inverter per veicoli elettrici richiedono centinaia di kilowatt di potenza e necessitano di cablaggi ad alta tensione, supporti e involucri dedicati. Altri sottosistemi del gruppo propulsore e l’elettronica di carrozzeria e telaio richiedono da 3,5 a 12 kW e possono essere facilmente alimentati da una rete di distribuzione zonale a 48V SELV.
Figura 1: I convertitori DC-DC Vicor (BCM e PRM) si inseriscono all’interno del pacco batterie da 800V. Ciò consente di risparmiare spazio e peso nella progettazione del veicolo e sfrutta il sistema di raffreddamento della batteria per gestire le sfide termiche. Questo approccio innovativo elimina i costi e il peso di un sistema di raffreddamento aggiuntivo per un convertitore DC-DC remoto. Il modulo DC-DC è abbastanza compatto da poter essere integrato senza dislocare le celle della batteria. Il BCM6135 ad alta densità Vicor, combinato con il regolatore PRM3735, ha soddisfatto i severi vincoli di spazio consentendo a INFAC di realizzare il nuovo design del pacco batterie.
Separare fisicamente la sorgente ad alta tensione e il sistema di conversione DC-DC duplica inutilmente i sistemi di distribuzione e gestione dell’energia, sprecando spazio, peso e costi e raddoppiando i sistemi di raffreddamento a liquido necessari.
L’innovazione: spostare la conversione DC-DC all’interno del pacco batterie
L’intuizione chiave di INFAC è stata che il pacco batterie incorpora già un robusto sistema di raffreddamento a liquido per la gestione dei carichi termici. Integrando il convertitore DC-DC ad alta tensione all’interno della batteria e sfruttando l’infrastruttura esistente, INFAC ha eliminato il sistema di raffreddamento separato che tradizionalmente risiede all’esterno del pacco batterie per il convertitore DC-DC. Questo si discosta dai tradizionali approcci di progettazione “silver-box”, posizionando il pacco batterie come un hub centrale e intelligente di energia anziché come una fonte di energia passiva.
Figura 2: Per essere posizionato nel pacco batteria dell’auto, il fattore di forma del sistema doveva essere estremamente ridotto. Il sistema INFAC misura 215 x 45 x 82 mm (L x P x A). Il volume è di 793 cm3 e pesa circa 1,5 kg.
Il cambiamento è stato realizzato utilizzando i convertitori DC-DC ad alta densità Vicor BCM6135 e i regolatori PRM3735, che forniscono conversione e regolazione da alta tensione a 48V e consentono un bus ad alta potenza, completamente isolato e regolato per l’architettura zonale. In precedenza, alloggiare la funzione di conversione DC-DC all’interno del pacco batterie era poco pratico, poiché i vincoli dimensionali costringevano i progettisti ad affrontare problemi di gestione dell’alimentazione, isolamento elettrico, requisiti di sicurezza e robustezza del packaging dei moduli di potenza.
Vantaggi della conversione DC-DC integrata nella batteria
Collocando il convertitore DC-DC all’interno del pacco batterie, INFAC ha ottenuto una serie di benefici che hanno aumentato le prestazioni a livello di sistema:
- Sfruttando la rete di raffreddamento a liquido della batteria, il modulo di potenza elimina i circuiti di raffreddamento ridondanti e riduce le interfacce termiche.
- La lunghezza e lo spessore dei cavi ad alta tensione sono significativamente ridotti, semplificando l’instradamento e il layout del cablaggio ad alta tensione.
- Un numero minore di staffe, involucri e componenti di raffreddamento riduce i costi della distinta base (BOM) e il peso.
- La minimizzazione delle connessioni e dei percorsi di raffreddamento riduce i punti di perdita e i rischi di guasto elettrico.
- Un minor numero di interfacce esterne si traduce in processi produttivi più rapidi e coerenti.
L’architettura di potenza modulare ad alta densità Vicor offre l’efficienza, la scalabilità e il fattore di forma compatto necessari per rendere pratica la distribuzione a 48V integrata nella batteria su larga scala. Così facendo, posiziona il pacco batterie come hub centrale di gestione e distribuzione dell’energia per i veicoli elettrici di nuova generazione e consente a INFAC di allineare i propri progetti di pacchi batterie EV con la più ampia transizione del settore verso architetture di potenza zonali a 48V.
