El proyecto europeo HiPower 5.0 desarrolla una nueva generación de cargadores a bordo para vehículos eléctricos con el objetivo de reducir tamaño, mejorar la eficiencia y contener los costes de estos sistemas. Su principal desarrollo en automoción es un cargador a bordo de 22 kW con un volumen de 4 litros, frente a una media actual de mercado situada en torno a 12 litros.
La iniciativa, cuya finalización está prevista para 2028, se enmarca en la necesidad de reducir las emisiones del transporte por carretera en la Unión Europea. Según la información del Servicio de Información Comunitario sobre Investigación y Desarrollo (Cordis, por sus siglas en inglés) de la Comisión Europea, el tráfico rodado representa el 80% del 28% de las emisiones totales atribuidas al sector del transporte en la UE, un contexto en el que la electrificación del parque móvil depende también de avances en componentes clave como los cargadores a bordo u OBC, por sus siglas en inglés.
Cargadores a bordo de 22 kW con semiconductores de nitruro de galio
Los OBC instalados en los vehículos eléctricos transforman la electricidad procedente de la red en energía apta para cargar las baterías. Las soluciones convencionales basadas en silicio encuentran limitaciones cuando aumenta la demanda de potencia, debido a pérdidas energéticas más elevadas, mayor generación de calor y diseños de mayor volumen.
Estas restricciones afectan especialmente a los cargadores de alta potencia, que suelen requerir sistemas de refrigeración más complejos y resultan menos adecuados para vehículos pequeños. HiPower 5.0 aborda este problema mediante el uso de semiconductores de nitruro de galio, conocidos como GaN, suministrados por Infineon Technologies, socio del proyecto.
La base técnica del desarrollo son conmutadores de GaN bidireccionales e integrados monolíticamente, diseñados para gestionar el flujo eléctrico en ambos sentidos. Según la información difundida por el Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración, entidad socia responsable del caso de uso en automoción, esta arquitectura permite que un único conmutador de GaN desempeñe la función de dos semiconductores convencionales.
El enfoque reduce la complejidad del sistema y abre nuevas posibilidades de integración. El Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración ha aportado su experiencia en encapsulado y desarrollo de sistemas para optimizar el conjunto del cargador, no solo sus componentes por separado.
Integración electrónica y aplicaciones en automoción y transporte marítimo
El consorcio HiPower 5.0 ha optado por una visión global del sistema, con la integración directa de componentes electrónicos en las placas de circuito impreso. Esta solución disminuye las interconexiones críticas, reduce las pérdidas de energía y mejora el aprovechamiento del espacio disponible, lo que permite avanzar hacia cargadores más compactos y eficientes.
El alcance del proyecto no se limita al automóvil. HiPower 5.0 también evalúa aplicaciones en el transporte marítimo, apoyadas en las prestaciones de los semiconductores de GaN y de otros semiconductores de banda prohibida ancha.
A lo largo del proyecto se trabajará en seis casos de uso. Tres de ellos se centran en conmutadores de bloqueo bidireccionales de nueva generación para reducir de forma significativa las pérdidas de conmutación y conducción, inversores automovilísticos multinivel híbridos orientados a optimizar eficiencia y costes, y convertidores auxiliares de nueva generación para turismos y vehículos pesados.
Los otros tres casos incluyen sistemas de propulsión eléctrica totalmente integrados para mejorar eficiencia, fiabilidad y sostenibilidad; un gemelo digital de un inversor de tres niveles basado en componentes de GaN; y soluciones marítimas con inversor integrado y motor eléctrico, una unidad de carga de alta potencia para buques, una fuente de corriente continua de 3 kV con aislamiento galvánico y disyuntores de estado sólido para redes de corriente continua en barcos.