El vehículo eléctrico por dentro

La importancia de los semiconductores

La revolución que viene con los vehículos eléctricos me recuerda a la que hubo con la llegada de los ordenadores personales a los hogares. Era invierno en 1996, yo tenía 10 años  y en mi casa había un 386 de IBM. No todo el mundo tenía interés, pero empezó a surgir un gran grupo de gente que se interesaba por la tecnología de estos PCs, con palabras como microprocesador, memoria RAM, o disco duro siendo comunes.

Con la llegada del vehículo eléctrico, empezará a pasar igual con los motores eléctricos y la electrónica que los mueve, así como los cargadores. Palabras como cargador de pared que realiza la carga con corriente alterna (AC de sus siglas en inglés) o de carga rápida en continua (DC, de sus siglas en inglés), y  empezar hablar de kilovatios (kW) para hablar de la potencia de los coches o los cargadores, vatios hora…pero al final de todo, lo que marcará la diferencia, junto con las baterías, serán los semiconductores, concretamente transistores y diodos

El vehículo eléctrico por dentro

En primer lugar, ¿qué es un vehículo eléctrico? Ya existen artículos donde podréis averiguar detalles de los modelos ya a la venta, aquí sólo comentaremos arquitecturas internas básicas. Un VE puro (Los híbridos son iguales, pero además siguen llevando un motor de combustión) consta de un motor eléctrico, que es alimentado por un inversor DC/AC, que saca la energía de una batería (en las baterías la energía se almacena en continua (DC). La batería se carga desde un cargador, que podemos conectarlo directamente desde la red eléctrica de casa (AC) a través del OBC (On board Charger) o con carga rápida (DC) usando un cargador de alta potencia, llamado rectificador, por convertir la energía alterna en continua (AC/DC). La carga inalámbrica, aún poco común en turismos, funciona igual que en un teléfono, a través de un transformador envía la energía a través de un campo magnético que se recibe en el coche directamente.

Tanto el inversor que alimenta al motor, como el rectificador que hace de cargador son básicamente conversores de energía formados por una serie de semiconductores. Los semiconductores (transistores y diodos) comportándose como interruptores de energía están constantemente conmutando miles de veces por segundo (a centenas de kHz). 

 

Figura 1. Arquitectura interna de un vehículo eléctrico

Y como podéis imaginar, si lo que maneja la energía son estos semiconductores…de ellos depende en gran parte lo potente que sea vuestro coche. Por eso, la industria de los semiconductores está compitiendo ferozmente por crear los semiconductores de cada modelo, de cada marca. 

Las tecnologías de los fabricantes de semiconductores se dividen entre las más clásicas, como MOSFET (siglas) y IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) y las más modernas como GaN (Galium Nitrode) y SiC (Carburo de Silicio). 

Figura 2. Tecnologías de transistores MOSFET y GaN

 

En la figura anterior podéis observar la diferencia de tamaño entre un MOSFET y uno basado en GaN. Como podéis imaginar, si los ingenieros pudieran reducir los tamaños, manteniendo los mismos niveles de potencia, estaríamos ante las posibilidades de manejar potencias muy altas con pesos y tamaños de la electrónica muy reducidos.

 

Compañías como Texas Instruments, EPC o Infineon, presentan en congresos como el APEC sus novedades y hacen demostraciones a los miles de ingenieros que acuden a este evento. 

 

El rol español en el vehículo eléctrico

 

El mercado español en la electrónica referente a la automoción es muy importante, tanto desde el punto de vista de investigación como de desarrollo. La cantidad de escuelas de ingeniería con centros de investigación especializados en la electrónica de alimentación en España es muy significativa, destacan la UPM y Carlos III en Madrid, Universidad de Zaragoza, Universidad de Oviedo, de Valencia, la UPC o la Pompeu Fabra en Barcelona. En ellas, podemos encontrar investigadores que han formado parte de la historia de la tecnología, como Javier Uceda, Javier Sebastian, Esteban Sanchís o Pablo Zumel. 

 

Figura 3. Javier Sebastián y Javier Uceda en el congreso PESC en 1988 en Kyoto

 

Todos estos investigadores, también tienen la tarea de formar a los ingenieros del mañana que ocupan las posiciones en las empresas que en España desarrollan la electrónica de los vehículos eléctricos. Una de las más destacadas, es la americana Lear Corporation que en su sede en Valls, Tarragona, llevan más de 20 años desarrollando electrónica para la automoción, liderando el desarrollo de OBC (Cargadores a bordo). La española Ficosa, actualmente parte del grupo Panasonic, también ha sido un referente en este mercado.

Y si miramos hacia fuera, vemos multitud de españoles liderando grupos de investigación de electrónica por el mundo, tanto en el mundo privado como académico. Tanto es así, que es habitual escuchar el castellano en los congresos especializados. Especialmente en APEC, el más importante de electrónica de alimentación en el mundo, donde se dan cita los investigadores y empresas más importantes a contar sus avances.

Figura 4. Fernando Carpintero (Crisa) en un keynote en APEC 2020 en California

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