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El enfoque tradicional en el diseño de convertidores electrónicos de potencia implica una gama de dispositivos semiconductores de potencia con distintos parámetros, optimizados para funcionar bajo diferentes condiciones, para los que también se requieren diferentes circuitos auxiliares y topologías de circuitos de potencia. Esta dispersión conlleva importantes esfuerzos de ingeniería, la incapacidad de aprovechar al máximo las economías de escala para reducir costes y la imposibilidad de concentrar esfuerzos en la mejora de las prestaciones de los componentes y subsistemas.
En el mercado de vehículos eléctricos (VE), esto se traduce en una falta de estandarización en el diseño de los sistemas de conversión de energía para los distintos modelos y tipos de vehículos. De esta forma, hoy en día los fabricantes de VE invierten miles de millones de euros en desarrollar sus propias soluciones.
En este contexto se desarrolla el proyecto SCAPE (por sus siglas en inglés, Switching-Cell-Array-based Power Electronics conversion for future electric vehicles), en el que participa el Grupo de Investigación en Electrónica de Potencia (GREP) de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), pretende avanzar hacia la estandarización en el diseño, la reducción de los costes y el aumento de las prestaciones de los sistemas electrónicos de conversión de potencia para la futura generación de vehículos eléctricos. Se trabajará, pues, en un diseño y arquitectura novedosos, modulares y escalables, para el subsistema de propulsión con cargador integrado y otros subsistemas auxiliares de conversión de potencia de los VE, incorporando sistemas de control avanzados.
La contribución del GREP se centrará en aportar y adaptar la tecnología en la que se basa el proyecto (conversión de potencia basada en matrices de celdas de conmutación o Switching Cell Arrays). En concreto, trabajará en la definición de las arquitecturas modulares de los distintos sistemas de conversión del demostrador, incluyendo el establecimiento de las topologías para el inversor de tracción y cargador y otros convertidores de potencia auxiliares, y la definición del control básico y avanzado de estos sistemas.
Resultados e impacto esperado
Con el proyecto SCAPE se pretenden alcanzar los siguientes objetivos:
- Estandarizar los dispositivos y circuitos de potencia a través de un nuevo enfoque modular y escalable.
- Desarrollar una arquitectura de implementación asequible y optimizada, con bloques constructivos altamente compactos e integrados, para convertidores de potencia de VE.
- Desarrollar estrategias de control y modulación inteligentes, de diagnóstico en línea y un gemelo digital para facilitar el mantenimiento predictivo.
- Desarrollar herramientas de validación del enfoque y compartir los resultados del proyecto con la comunidad de electrónica de potencia, la industria de componentes de vehículos eléctricos y empresas y conductores de vehículos de transporte de larga distancia.
La consecución de estos permitirá reducir el coste de la electrónica de potencia de los VE (hasta un coste de 2,5 €/kW), gracias a las economías de escala, mejorar sus prestaciones (fiabilidad, eficiencia, densidad de potencia) y habilitar funcionalidades avanzadas. Por ejemplo, se espera lograr una eficiencia del 97,5%, una densidad de potencia de 100 kW por litro y una vida útil de 16.000 h y 600.000 km.
Asimismo, SCAPE ayudará a satisfacer las necesidades de los usuarios, aumentar la aceptación y asequibilidad de los vehículos de emisiones cero, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y hacer posible la plena penetración del VE en el mercado. Por otro lado, la adopción de este enfoque por parte de los fabricantes de automóviles de la Unión Europea permitirá crear una cadena de producción rentable en la UE basada en economías de escala y tecnologías de integración avanzadas como ventaja competitiva frente a otros fabricantes.
Consorcio, presupuesto y financiación
SCAPE reúne a nueve socios europeos, entre los que se encuentran además de la UPC, el Institut de Recerca de l’Energia de Catalunya (IREC), líder y coordinador del proyecto, el Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), la Universidad de Módena (UNIMORE), AVL, Tekne, Deep Concept, Bax & Company e ISINNOVA.
El proyecto se enmarca en el programa Horizon Europe 2021-2027, y ha sido financiado por la Unión Europa mediante el programa ‘Climate, Energy and Mobility’. SCAPE se inició en julio de 2022 y finalizará en junio de 2026. Está dotado de un presupuesto total de 5.999.750 €.
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