Los condensadores son elementos pasivos comunes en todos los dispositivos electrónicos, incluidos los vehículos. Se espera que el uso de condensadores en los vehículos aumente en los próximos años a medida que los vehículos eléctricos (VE) se vuelvan más populares. Es importante elegir los capacitores sabiamente para combatir los problemas comunes que se encuentran en los circuitos automotrices.
Los sistemas de vehículos están muy avanzados hoy en día. Los coches inteligentes, los coches autónomos, los vehículos eléctricos, etc. son cada vez más populares no solo entre los ricos sino también entre la sociedad de clase media. Gracias al enorme auge de la innovación en esta área, existe la necesidad de mejores y más duraderos componentes electrónicos, tanto pasivos como activos.
Los capacitores son ampliamente utilizados en la industria automotriz. De hecho, son cruciales para el funcionamiento de un vehículo. Proporcionan estabilidad y se utilizan en la gestión de energía en circuitos de vehículos. También se utilizan para garantizar que el diseño esté libre de desorden. Los capacitores juegan un papel importante en los sistemas de frenado, limpiaparabrisas, alineación de asientos, controles de bolsas de aire y muchas otras aplicaciones importantes en un vehículo.
Condensadores en vehículos eléctricos
El sector de los vehículos eléctricos (EV) está experimentando un período de crecimiento significativo, impulsado por las preocupaciones sobre los precios de la gasolina, las iniciativas ambientales gubernamentales y la fuerte inversión pública y privada para respaldar la infraestructura de carga. Durante la próxima década, el mercado automotriz pasará de los vehículos con motor de combustión interna (ICE) a uno en el que los vehículos eléctricos representen la mayoría de las ventas de vehículos nuevos.
Los vehículos ICE se han basado en arquitecturas de tren motriz de 12 V y 24 V, con híbridos a menudo basados en sistemas de 48 V. Sin embargo, los vehículos eléctricos tienen sistemas de propulsión diseñados para voltajes mucho más altos. Para reducir los tiempos de carga y aumentar la eficiencia de conversión, los voltajes se elevan aún más. ¡Los nuevos modelos EV que acaban de salir tienen clasificaciones de tren motriz de 800 V!
Por primera vez, las ventas anuales globales de vehículos eléctricos superaron los 6 millones de unidades en 2021. Las previsiones de la Agencia Internacional de Energía (AIE) sugieren que esto es solo el comienzo. Se prevé que las ventas alcancen los 15 millones para 2025 y los 25 millones para 2030. Los sistemas de propulsión EV deben admitir niveles de voltaje más altos en comparación con sus contrapartes ICE y esto tendrá un impacto significativo en la especificación de cada componente pasivo.
Incluso con sistemas híbridos de 48 voltios, los motores estarán ubicados en el propio tren motriz. Sin embargo, esto significa que los componentes electrónicos asociados están expuestos a vibraciones y cambios de temperatura más fuertes. Factores como la vibración, el impacto y la tensión tienen un impacto significativo en los componentes pasivos presentes en el sistema. Por lo tanto, los ingenieros automotrices deben abordar el impacto que esto tendrá en la confiabilidad de los componentes.
ESR: Un parámetro importante
Un parámetro de rendimiento importante para cualquier condensador de enlace de CC es su valor de resistencia en serie equivalente (ESR). Cuanto menor sea la ESR de un capacitor, mayor será su capacidad para suavizar las perturbaciones de voltaje de alta frecuencia que fluyen a través del tren de transmisión. Si los valores de ESR exhibidos por estos capacitores dentro del circuito eléctrico aumentan debido a algún tipo de daño, la operación completa del tren motriz podría verse potencialmente comprometida.
Al seleccionar capacitores que cumplan con estos factores, los fabricantes de vehículos deben minimizar el esfuerzo general de la lista de materiales, por lo que los capacitores seleccionados deben ser rentables. Por lo tanto, existe un compromiso constante entre eficiencia y costo, y los ingenieros deben considerar ambos lados de la ecuación para que el vehículo sea óptimo.
Efecto de la vibración y las cargas del vehículo
La introducción de niveles de alto voltaje en los EV y la colocación de motores fuera del área segura del compartimiento del motor en algunos sistemas híbridos afectará los capacitores de enlace de CC integrados en los EV y los sistemas de propulsión híbridos. Ubicados entre la batería y el inversor de tracción, estos componentes pasivos se utilizan para suavizar el voltaje y evitar que ocurran picos transitorios no deseados. Se requiere un alto nivel de robustez para ser efectivo. Esto les permite dominar el desafiante entorno de aplicación del uso automotriz.
Los capacitores cerámicos multicapa estándar (MLCC) no son adecuados para el uso en automóviles porque no pueden soportar las tensiones mecánicas agudas involucradas. Cuando la placa de circuito en la que están montados se dobla debido a la vibración o los cambios de temperatura, las juntas de soldadura están sujetas a una tensión significativa. Esto puede provocar grietas en el sustrato cerámico. Estas grietas pueden permitir la entrada de humedad, lo que a su vez afecta el rendimiento del condensador. Si estos componentes están cerca del borde de la placa de circuito, es probable que estén sujetos a una tensión aún mayor.
Combatir los problemas relacionados con las vibraciones
Las vibraciones observadas en un automóvil pueden provenir de una variedad de fuentes y pueden variar en una amplia gama de frecuencias diferentes. Aunque estos problemas son inherentes al diseño de automóviles, se pueden mitigar de varias maneras, como se indica a continuación:
Especifique capacitores de polímero en lugar de MLCC
A diferencia de los condensadores normales, cuyo electrolito es en realidad un líquido (una solución conductora), los condensadores de polímero tienen un electrolito sólido formado por polímeros conductores. Por lo tanto, son más compactos y no hay riesgo de fugas o secado del condensador. Estos componentes tienen valores de ESR más bajos que los MLCC y ofrecen un mejor rendimiento en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. Sin embargo, hay un aumento de los costos.
Un gran ejemplo de esta categoría sería el condensador de aluminio de polímero sólido de Kemet. Es el polímero sólido lo que hace que estos condensadores sean resistentes a las vibraciones. Se han realizado algunos cambios de diseño en la serie A768 de capacitores de polímero sólido para aumentar aún más su tolerancia a la vibración. Se les ha dado una base más alta para un mejor soporte físico. Lo interesante de estos condensadores es que tienen terminales adicionales que no proporcionan conductividad eléctrica pero que en realidad se utilizan para proporcionar al condensador una conexión estable con la placa de circuito impreso.
Kyocera AVX tiene dos series específicas de capacitores de polímero de grado automotriz: la serie TCQ y la serie TCO. TCQ se usa para condiciones de temperatura estándar, mientras que TCO se usa para aplicaciones que requieren temperaturas más altas. Ambos cumplen con todos los requisitos de la «Cualificación de prueba de esfuerzo AEC-Q200 para componentes pasivos» y son confiables en un amplio rango de temperatura. Son robustos y ofrecen un rendimiento estable con una ESR baja.
Uso de condensadores híbridos
Estos consisten en un ánodo hecho de polímero líquido y conductor y un cátodo de aluminio. La gran superficie del líquido permite alcanzar valores de capacitancia elevados en un factor de forma compacto. Al igual que la opción anterior, esta tiene un costo adicional.
La serie de condensadores híbridos EEH-ZS de Panasonic está dirigida específicamente a aplicaciones automotrices y tiene características antivibración. Estos cuentan con conexiones laterales auxiliares que mejoran su resistencia a las vibraciones. Debido a esto, estos capacitores pueden soportar choques con una aceleración de vibración de hasta 30G. Además, las conexiones laterales facilitan la soldadura. Al utilizar estos condensadores, los diseñadores pueden optar por no utilizar técnicas antivibración externas. Estos también cumplen con RoHS/REACH y califican para los requisitos de AEC-Q200.
Uso de MLCC resistentes a vibraciones
Con los MLCC, es posible realizar ciertas mejoras en los métodos mediante los cuales el cuerpo del capacitor y sus terminales se conectan entre sí para amortiguar las fuerzas vibratorias involucradas. De esta forma, se pueden evitar costes adicionales por el uso de polímeros o condensadores híbridos. Esto permite lograr una mayor robustez mecánica y, al mismo tiempo, aprovechar las ventajas económicas de los MLCC.
Para satisfacer la necesidad de capacitores que puedan soportar fuerzas de vibración, Kemet desarrolló su serie FT-CAP. Estos MLCC cuentan con una innovadora disposición de terminales que ayuda a reducir la tensión ejercida por la placa de circuito impreso cuando se flexiona. Se incluye una capa de epoxi de plata conductora en la estructura de terminación (ubicada entre el metal base y las capas de barrera de níquel). Esto permite que se mantenga la fuerza de sujeción pero proporciona la amortiguación necesaria para evitar que se produzcan grietas. De este modo se asegura el rendimiento continuo del condensador.
Kyocera AVX también aborda los problemas de vibración descritos anteriormente por sus productos Flexiterm MLCC de baja ESR. Estos también tienen puños flexibles para mayor elasticidad. Aquí, las conexiones de cobre niquelado se complementan con una capa patentada que absorbe las tensiones mecánicas que se producen. El fabricante ha logrado hacer esto sin aumentar significativamente los costos. Admiten un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a +125 °C y pueden manejar cómodamente curvas de 5 mm (en comparación con los 2 mm para los que normalmente están diseñados los MLCC).
En la tabla se muestra una comparación de los condensadores mencionados anteriormente.
Hay muchas series de capacitores diseñadas por otros fabricantes para combatir problemas específicos, no solo la vibración. Aprovechan los avances técnicos que ofrecen un mayor nivel de robustez. Por ejemplo, Nichicon Corp. introdujo la serie PCZ un alto grado de resistencia al calor.
La industria automotriz impone grandes exigencias al hardware electrónico utilizado en los diseños de vehículos, y la próxima generación de modelos de vehículos (en particular, los que son EV o híbridos) solo exacerbará esto. Los niveles de alto voltaje requieren condensadores con un rendimiento superior. Por ejemplo, estos componentes deben poder soportar altos niveles de vibración ya que ahora se implementan en entornos más desafiantes. Esto significa que los ingenieros automotrices deben elegir sabiamente sus componentes para garantizar la confiabilidad a largo plazo, incluso en las condiciones de trabajo más difíciles.
Esta función se inspiró en un artículo escrito por el equipo de contenido técnico de TME. La coautora, Aaryaa Padhyegurjar, es una entusiasta de la Industria 4.0 con un gran interés en la innovación y la investigación.
