Selección recomendada de inductores para sistemas de accionamiento motor en automoción

Con el profundo desarrollo de la electrificación y la inteligencia automotriz, los motores se han convertido en componentes centrales de potencia y control en los vehículos. Se utilizan ampliamente en sistemas de propulsión (motores de tracción para vehículos de nueva energía), aplicaciones de control de carrocería (motores de portón trasero eléctrico, motores de ventanas, motores de ajuste de asientos) y sistemas auxiliares (motores de ventiladores de refrigeración, motores de dirección asistida). Como unidad central que controla el arranque/parada, la velocidad y la dirección del motor, un sistema automotriz de accionamiento de motores debe ofrecer una salida de potencia eficiente, estable y fiable bajo condiciones a bordo adversas, tales como altas temperaturas, vibraciones, fuerte interferencia electromagnética (EMI) y amplias fluctuaciones de voltaje. Como componente pasivo central en los sistemas de accionamiento de motores, el inductor desempeña funciones clave como almacenamiento de energía, filtrado, limitación de corriente y supresión de picos de corriente. Su selección determina directamente la eficiencia de conversión, la estabilidad operativa, la compatibilidad electromagnética (EMC) y la vida útil.

• Principio de funcionamiento de los sistemas de accionamiento motor para automoción y el papel fundamental de las bobinas

La función principal de un sistema de accionamiento motor para automoción consiste en recibir órdenes desde la unidad de control del vehículo (VCU) o una unidad de control local, convertir la energía eléctrica procedente de la fuente de alimentación a bordo en energía mecánica y accionar el motor para lograr un arranque/parada preciso, la regulación de velocidad y el control de marcha hacia adelante o hacia atrás. Al mismo tiempo, utiliza señales de retroalimentación de corriente y velocidad para implementar un control en bucle cerrado y garantizar un funcionamiento suave y seguro del motor. El circuito incluye típicamente un módulo de gestión de potencia, un módulo de control basado en una MCU, un módulo de accionamiento de potencia, un módulo de detección de corriente/velocidad y un módulo de filtrado de interferencias electromagnéticas (EMI).

Figura 1. Diagrama de bloques de un sistema de accionamiento motor para vehículos de nueva energía

Otros dispositivos montados en el vehículo; Batería de tracción; Caja de control de alta tensión; Conector DC de alta tensión positivo/negativo; Unidad de control del vehículo (VCU); Batería de baja tensión; Relé de control; Fusible; Motor de tracción (DM); Líneas de alimentación trifásicas U/V/W; Líneas de señal (resolver, temperatura); Controlador del motor (MCU); Bomba de agua; Líquido refrigerante; Radiador.

• • Función de las bobinas en el circuito de accionamiento eléctrico

Los accionamientos eléctricos para automóviles suelen utilizar un control PWM (modulación por ancho de pulso). Al conmutar los dispositivos de potencia (MOSFET/IGBT) entre los estados de encendido y apagado, regulan la tensión y la corriente de salida para controlar la velocidad y el par del motor. Las bobinas desempeñan una función fundamental en el circuito de accionamiento eléctrico, principalmente de las siguientes maneras:

Supresión de picos de corriente: Cuando el motor arranca o se detiene, cambia de velocidad o cuando los dispositivos de potencia conmutan, se generan picos instantáneos de corriente. Estos picos pueden someter a esfuerzo los dispositivos de potencia (MOSFET/IGBT) y los circuitos integrados de control, e incluso dañar los componentes. El inductor limita la tasa de cambio de la corriente (di/dt) mediante su reactancia inductiva, suprimiendo eficazmente los picos de corriente, protegiendo los dispositivos fundamentales del bucle de accionamiento y prolongando la vida útil de los componentes.

Suavizado de la corriente del motor: El control PWM provoca una ondulación en la corriente de salida. Si esta corriente se alimenta directamente al motor, puede provocar un aumento de las vibraciones, un mayor nivel de ruido y unas pérdidas más elevadas en los devanados. Al almacenar y liberar energía de forma continua, el inductor atenúa la ondulación de la corriente y hace que la corriente de entrada al motor sea más estable, mejorando así la estabilidad operativa.

• • Función de los inductores en la gestión y filtrado de potencia

La fuente de alimentación en los sistemas de accionamiento motorizado para automoción se divide en dos categorías: fuentes de alimentación de baja tensión a bordo (12 V/24 V) para módulos de control y circuitos integrados de controladores, y fuentes de alimentación de alta tensión en vehículos de nueva energía para módulos de accionamiento de potencia. Las bobinas desempeñan las siguientes funciones principales en la gestión de potencia y el filtrado:

Conversión CC-CC: En los circuitos de alimentación de baja tensión, se requiere un convertidor reductor CC-CC para transformar la tensión a bordo de 12 V/24 V en los niveles de 5 V y 3,3 V necesarios para las unidades de control microprogramables (MCU) y los sensores. Como elemento principal de almacenamiento de energía del circuito CC-CC, la bobina almacena y libera energía, mantiene la estabilidad de la tensión de salida y evita que las fluctuaciones de tensión afecten al funcionamiento normal del módulo de control.

Supresión de EMI: Cuando el sistema de accionamiento del motor está en funcionamiento, la conmutación de los dispositivos de potencia genera interferencias de alta frecuencia. Estas interferencias pueden conducirse a través de las líneas de alimentación hacia otros sistemas electrónicos a bordo, como el sistema de navegación o la radio, afectando su funcionamiento normal. Las bobinas de modo común, junto con los condensadores X e Y, forman un circuito filtro EMI que elimina las interferencias de alta frecuencia de las líneas de alimentación, suprime la radiación electromagnética y reduce el impacto de las interferencias externas sobre el sistema de accionamiento del motor.

2. Requisitos de los inductores para los sistemas de accionamiento del motor automotriz

Los sistemas de accionamiento motorizados para automoción suelen instalarse en entornos agresivos, como los compartimentos del motor y las zonas del chasis, donde se exponen durante largos periodos a altas temperaturas y humedad, vibraciones de alta frecuencia e intensa interferencia electromagnética. Deben cumplir los requisitos de fiabilidad propios del sector automotriz y adaptarse a amplias fluctuaciones de tensión y picos de corriente elevados, lo que impone exigencias rigurosas respecto al rendimiento, la estructura y la fiabilidad de los inductores.

• Estabilidad a temperatura: Dado que los sistemas de accionamiento motorizados para automoción suelen instalarse en entornos agresivos, como los compartimentos del motor y las zonas del chasis, el inductor debe operar en un rango de temperatura de -40 °C a 150 °C para evitar la degradación del rendimiento y la reducción de la precisión de control causadas por los cambios de temperatura.

• Bajas pérdidas y alta eficiencia: Los sistemas de accionamiento del motor funcionan de forma continua, por lo que las pérdidas en el cobre (pérdidas por DCR) y las pérdidas en el núcleo del inductor deben mantenerse tan bajas como sea posible. Especialmente en escenarios de alta corriente, unas bajas pérdidas reducen el aumento general de temperatura del sistema, mejoran la eficiencia del accionamiento, disminuyen el consumo de energía a bordo y evitan la degradación del rendimiento causada por sobrecalentamiento.

• Alta corriente de saturación: Los eventos de arranque/parada del motor y los cambios repentinos de carga generan corrientes instantáneas elevadas. El inductor debe disponer de una corriente de saturación (Isat) suficiente para evitar la saturación magnética bajo esfuerzos de corriente máxima. La saturación magnética provoca una caída brusca del valor de la inductancia, el fallo del inductor y posibles daños en los dispositivos de potencia. Se recomienda mantener al menos un margen del 1,3× respecto a la corriente de saturación y considerar la reducción de su valor nominal a altas temperaturas.

• Compatibilidad electromagnética (EMI): El inductor debe ofrecer un buen rendimiento de apantallamiento para reducir la fuga del campo magnético, prevenir interferencias con circuitos sensibles dentro del sistema de accionamiento y suprimir la radiación electromagnética en el bucle, cumpliendo al mismo tiempo los requisitos de emisiones conducidas y radiadas EMC a bordo.

• Alta Fiabilidad: Los inductores de grado automotriz deben superar las pruebas AEC-Q200 para garantizar un funcionamiento fiable y estable a largo plazo. Las pruebas de fiabilidad incluyen más de diez ensayos, tales como ciclado térmico, almacenamiento a alta temperatura, ensayo de alta humedad, vibración y choque mecánico, y soldabilidad. El laboratorio CNAS de CODACA puede realizar de forma independiente las pruebas AEC-Q200 según los requisitos del cliente y emitir los correspondientes informes de ensayo.

3. Soluciones de inductores de CODACA para sistemas de accionamiento de motor

1. Inductor de potencia de alta corriente de grado automotriz

En los sistemas de accionamiento motor, los inductores de potencia de alta corriente se utilizan principalmente en convertidores CC-CC y circuitos de filtrado. Los inductores de potencia de alta corriente de grado automotriz de CODACA ofrecen bajas pérdidas y una corriente de saturación elevada, con una corriente de saturación de hasta 422 A y un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a +155 °C, lo que los hace adecuados para entornos electrónicos automotrices complejos.

2. Reactor de potencia moldeado de grado automotriz

El reactor de potencia moldeado de grado automotriz de CODACA utiliza materiales magnéticos en polvo de bajo nivel de pérdidas y una tecnología innovadora de electrodos para resolver desafíos técnicos como el desalineamiento de las bobinas y la fisuración del producto durante el moldeo. Reduce las pérdidas totales del inductor en más del 30 %, soporta temperaturas de funcionamiento de hasta 170 °C, alcanza una eficiencia energética de hasta el 98 % y mejora eficazmente la fiabilidad de los sistemas de accionamiento motor y la eficiencia de conversión de los circuitos CC-CC.

3. Inductor de barra de grado automotriz

CODACA cuenta con un experimentado equipo de I+D que puede ofrecer rápidamente soluciones personalizadas de inductores automotrices con diferentes características y estructuras, según los requisitos del cliente.

4. Componentes EMI

Las bobinas de modo común, las perlas y otros componentes magnéticos se utilizan ampliamente en los sistemas de accionamiento de motores automotrices y en los circuitos de filtrado de potencia para suprimir las interferencias por ruido en las líneas de señal y en las líneas de alimentación.