Controladores bidireccionales de CC / CC para sistemas automotrices de doble batería de 48 V / 12 V

Con los avances en vehículos autónomos y conectividad automotriz, junto con el ajuste de la regulación del ahorro de combustible, se alcanzó el límite utilizable del sistema eléctrico automotriz tradicional de 12 voltios. A esto se suman los nuevos desafíos asociados con las mayores demandas de energía eléctrica de las aplicaciones cada vez más conectadas a los sistemas eléctricos automotrices. Como resultado, se debe complementar el sistema eléctrico tradicional automotriz de 3 kW y 12 V.

El sistema de 12 V existente se combina con un bus secundario de 48 V en el estándar automotriz LV148 recientemente propuesto. Algunos de los artículos incluidos en el carril 48 V son:

• Un generador de arranque por correa o un generador de arranque integrado (ISG)
• Una batería de iones de litio de 48 V
• Un convertidor bidireccional de CC / CC que puede suministrar hasta 10 kW de energía de las baterías combinadas de 12 V y 48 V

Teniendo en cuenta el esfuerzo de los fabricantes automotrices por cumplir los objetivos de CO₂ cada vez más limitantes, esta tecnología está dirigida a vehículos de combustión interna convencional y híbridos eléctricos.

La función del bus de 12 V normalmente continuará brindando energía a sistemas tales como iluminación, infoentretenimiento, audio e ignición. El bus de 48 V suministrará otros sistemas, como las suspensiones ajustables, los turbos / supercargadores eléctricos, los compresores de aire acondicionado y el chasis activo junto con el soporte de frenado regenerativo. El uso de un bus de 48 V, que se espera que pronto tenga una disponibilidad en todos los rangos de modelos de producción, también podría soportar el arranque del motor, lo que permite operaciones de arranque y parada más suaves.

Un beneficio adicional de usar un bus de mayor voltaje sería que los tamaños de sección transversal del cable podrían reducirse para ahorrar tamaño y peso. Esto es extremadamente importante porque puede haber más de cuatro kilómetros de cableado en los vehículos de gama alta de hoy.

Los vehículos son cada vez más como las computadoras sobre ruedas. Esto crea el potencial para interactuar con muchos dispositivos plug-and-play. Con el gasto promedio de las personas que viajan diariamente nueve por ciento del día en su vehículo, la introducción de la telemática y la multimedia tiene el potencial de aumentar la productividad además de proporcionar entretenimiento adicional.

Como se mencionó anteriormente, los vehículos autónomos son una de las fuerzas impulsoras detrás de la necesidad de más energía con componentes que incluyen radar y LiDAR, sensores, cámaras y una computadora. Además, los vehículos requieren más energía para mejorar la conectividad. Los vehículos no solo deben poder conectarse a Internet, sino también a las señales de tráfico, otros vehículos, edificios y otras estructuras. Además, las bombas de aceite y agua, la dirección asistida y los componentes del tren motriz eventualmente cambiarán a energía eléctrica en lugar de ser impulsados mecánicamente.

En los próximos años, muchos proveedores automotrices anticipan una fuerte demanda de los componentes tecnológicos necesarios para los vehículos autónomos. Sin embargo, los beneficios del sistema de batería de 48 V se pueden obtener ahora. Por ejemplo, algunos fabricantes de automóviles afirman que hay una ganancia de ahorro de combustible del 10% al 15% para los motores de combustión interna que utilizan un sistema eléctrico de 48 V. Esto a su vez resulta en una disminución correspondiente en las emisiones de CO ₂ .

Además, los ingenieros podrán integrar la tecnología de refuerzo eléctrico en vehículos que usarán un sistema dual de 48 V / 12 V en el futuro. Esta tecnología podrá funcionar independientemente de la carga del motor, lo que ayudará a mejorar el rendimiento de la aceleración. Por ejemplo, un compresor, que ya se encuentra en su fase de desarrollo avanzado, se colocará entre el intercooler y el sistema de inducción. Este compresor utilizará 48 V para hacer girar los turbos.

Sin embargo, habrá muchos desafíos de diseño para los proveedores en general debido a la implementación adicional del vehículo de red de suministro de 48 V. Un ejemplo específico sería el de los fabricantes de semiconductores y unidades de control electrónico (ECU, por sus siglas en inglés) que tendrán que rediseñar sus piezas para poder operar en el suministro de bus de 48 V más alto. Además, los proveedores de convertidores CC / CC tendrán que desarrollar circuitos integrados especializados que serán capaces de manejar la mayor transferencia de potencia. Para satisfacer esta necesidad, Linear Technology ha puesto a disposición varios convertidores de CC / CC que ya pueden manejar esta transferencia de energía de manera muy eficiente, lo que proporcionará un ahorro de energía y minimizará el diseño térmico requerido.

Con el doble sistema automotriz de 12 V / 48 V que se avecina en el horizonte, la necesidad de un convertidor de CC / CC bidireccional de reducción y subida es clara. Con este convertidor, cualquiera de las baterías podría cargarse y la corriente podría suministrarse a la misma carga cuando sea necesario. Muchos de los primeros diseños de convertidores de CC / CC de doble batería de 12 V / 48 V utilizan componentes de alimentación separados para aumentar y reducir el voltaje. Este no es el caso con el controlador de CC-CC bidireccional LTC3871 recientemente lanzado de Linear Technology. Este controlador utiliza los mismos componentes de alimentación externa para reducir el voltaje que para aumentar el voltaje.

Una solución de CI bidireccional

El LTC3871 es un controlador bidireccional de aumento de 100 V / 30 V sincrónico de dos fases o buck. Es capaz de proporcionar control bidireccional de CC / CC y carga de la batería entre las redes del sistema de 12 V y 48 V. Funciona en modo de refuerzo desde el bus de 12 V al bus de 48 V y en modo buck desde el bus de 48 V al bus de 12 V. Una señal de control aplicada configura cualquiera de los modos a pedido. Para aplicaciones de alta corriente (hasta 250 A), los requisitos de filtrado de entrada y salida pueden minimizarse, ya que hasta doce fases pueden ser puestas en paralelo y sincronizadas fuera de fase. La excelente arquitectura de modo actual proporciona una excelente concordancia de corriente entre fases en paralelo. Un diseño de 12 fases puede suministrar hasta 5 kW en modo boost o buck.

El LTC3871 permitirá que ambas baterías suministren energía simultáneamente cuando se requiera energía adicional, como cuando arranca el motor. Es posible hasta un 97% de eficiencia con este dispositivo. La corriente máxima entregada a la carga está regulada por el bucle de programación de corriente en el chip. Hay cuatro bucles de control, dos para voltaje y dos para corriente, que permiten el control de voltaje y corriente en cualquiera de los buses de 12 V o 48 V.

Operando a una frecuencia fija seleccionable por el usuario entre 60 kHz y 475 kHz, el LTC3871 puede sincronizarse con un reloj externo en el mismo rango. Además, la operación de carga liviana es seleccionable por el usuario con modos de omisión de pulsos o operación continua disponibles. Otras características incluyen bloqueo por baja tensión / sobretensión, compensación de bucle independiente para modos de aumento y reducción, protección contra sobrecarga y cortocircuito, ± 1% de precisión de regulación de voltaje de salida sobre temperatura, y EXTVcc para mayor eficiencia. El LTC3871 fue diseñado para cobertura de diagnóstico en sistemas ISO26262 y ha sido calificado para cumplir con las especificaciones ACE-Q100 automotrices.

El LTC3871 está actualmente disponible en un paquete de LQFP térmicamente mejorado de 48 conductores con tres grados de temperatura posibles. Estos grados de temperatura incluyen un rango automotriz de alta temperatura de -40 ° C a 150 ° C y un rango de -40 ° C a 125 ° C para los grados extendidos e industriales. El esquema de aplicación típico de los dispositivos se muestra en la Figura 1. En la parte superior del esquema, el MOSFET de canal P está ahí para proporcionar protección contra cortocircuitos y sobrecorrientes.

Figura 1: Un esquema de aplicación bidireccional LTC3871 típico que muestra una salida de 12 V desde una entrada de 26 V a 58 V que puede entregar 30 A de corriente (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Generador de arranque integrado (ISG)

Tanto el motor de arranque como el alternador en un automóvil pueden reemplazarse con un ISG controlado electrónicamente. Esto resultará en los siguientes beneficios:

• La eliminación del motor de arranque, el único componente pasivo durante el funcionamiento normal del motor.
• El acoplamiento de la correa y la polea entre el cigüeñal y el alternador se puede eliminar
• Durante los volcados de carga, se puede lograr un rápido control del voltaje del generador
• La eliminación de escobillas y anillos deslizantes en algunos alternadores de rotor bobinado utilizados actualmente

Las tres características principales del ISG son la asistencia eléctrica, la generación de electricidad y la función de inicio-parada. El ISG puede ayudar en la desaceleración del vehículo al generar energía eléctrica a través del frenado regenerativo. La energía generada a través del frenado regenerativo cargará la batería de 48 V, lo que se traduce en un menor consumo de combustible y, a su vez, menores emisiones de CO ₂ . Además, el ISG produce energía eléctrica mientras el motor está en marcha, similar a un alternador convencional. Finalmente, cuando un vehículo se detiene, el ISG permite que el motor de combustión interna se apague para ahorrar combustible y lo reiniciará instantáneamente cuando se pise el acelerador. Esto normalmente se conoce como un sistema de inicio-parada. El uso de un ISG en este sistema permite una transición más suave al arrancar el motor.

En la Figura 2 se muestra un diagrama de bloques que ilustra cómo se incorporan las baterías LTC3871, ISG y 12 V y 48 V en un vehículo típico de motor de combustión interna.

Figura 2: Diagrama de bloques de aplicaciones típicas de automoción LTC3871. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Modos Buck y boost

Una simple señal de control puede cambiar el LTC3871 de forma dinámica y sin interrupciones del modo buck al modo boost y viceversa. Con dos amplificadores de error separados, uno para la regulación VHIGH y otro para la regulación VLOW, se permite un ajuste fino independiente de la compensación del bucle para los modos buck y boost, que puede optimizar la respuesta transitoria. Mientras se encuentra en modo buck, su correspondiente amplificador de error, ITHLOW, está habilitado y controlará la corriente del inductor pico. A la inversa, mientras está en modo de impulso, ITHHIGH está habilitado e ITHLOW está deshabilitado. Durante una transición de modo de refuerzo a buck o buck a boost, el inicio suave interno se restablece y el pin ITH se estacionará en el nivel de corriente cero para garantizar una transición suave al nuevo modo.

Operación multifase

Es posible conectar en cadena múltiples LTC3871 y ejecutarlos fuera de fase para proporcionar más corriente de salida sin aumentar la ondulación de la tensión de entrada o salida. La conexión del pin SYNC de un LTC3871 al pin CLKOUT de otro LTC3871 permite que el segundo dispositivo se sincronice con el primero. La conexión de la señal CLKOUT al pin de SINCRONIZACIÓN de la siguiente etapa LTC3871 alineará la frecuencia y la fase de todo el sistema. Se puede conectar en cadena un máximo de doce fases para que se ejecuten simultáneamente desfasadas entre sí.

La placa de demostración para el LTC3871, la DC2348A , se puede configurar en dos o cuatro fases con uno o dos LTC3871. La figura 3 muestra la versión de cuatro fases . Este circuito de demostración tiene un rango de voltaje de entrada de 30 V a 75 V cuando se opera en modo buck y las salidas son de 12 V a 60 A. Cuando este circuito de demostración está funcionando en modo de refuerzo, el voltaje de entrada puede variar de 10 V a 13 V y la salida es de 48 V hasta 10 A.

Figura 3: El LTC3871 de cuatro fases de la placa de demostración. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Las curvas de eficiencia en la Figura 4 son típicas para una placa de demostración de cuatro fases que utiliza dos dispositivos LTC3871. La curva de modo buck muestra la eficiencia cuando la placa de demostración baja una entrada de 48 V hasta 12 V a 60 A, mientras que la curva del modo de refuerzo muestra la eficiencia cuando la placa de demostración sube una entrada de 12 V hasta 48 V y hasta 10 A. Se puede notar en ambas curvas que las eficiencias máximas son ambas del 97%.

Figura 4: Reduzca y aumente las curvas de eficiencia para el LTC3871 con un diseño de 4 fases. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Protección contra sobrecorriente

La protección de retroceso de la corriente, para limitar la disipación de energía en una situación de sobrecorriente o cuando el VLOW está en cortocircuito a tierra, se incluye en el LTC3871 mientras está en modo buck. La protección plegable actual se habilita automáticamente durante las condiciones de arranque suave. El voltaje de detección máximo se reduce progresivamente de su valor máximo programado a un tercio del valor máximo si el VLOW cae por debajo del 85% de su nivel de salida nominal. El LTC3871 comenzará el ciclo saltando bajo condiciones de cortocircuito con ciclos de trabajo muy bajos para limitar la corriente de cortocircuito.

El diodo síncrono o el diodo del cuerpo del MOSFET síncrono conducen la corriente desde la entrada a la salida en un controlador de refuerzo típico. El resultado de esto es que una salida (VHIGH) corta arrastrará la entrada (VLOW) hacia abajo sin un diodo de bloqueo o MOSFET para bloquear la corriente. Cuando VHIGH está en cortocircuito a tierra, el LTC3871 utiliza un MOSFET de canal P externo de baja R _(ON) para la protección contra cortocircuitos de entrada. El MOSFET de canal P siempre está encendido en operación normal con su voltaje de fuente de compuerta fijado a un máximo de 15 V Si el voltaje del pin UVHIGH desciende por debajo de su umbral de 1.2 V, el pin FALLO baja 125 µs más tarde. Cuando esto sucede, el pin externo PGATE apaga el MOSFET del canal P externo.

Conclusión

El uso del LTC3871 traerá un nuevo nivel de rendimiento, junto con un mejor control y una mayor simplificación a los sistemas automotrices de doble batería de 48 V / 12 V CC / CC, ya que permitirá que se utilicen los mismos componentes de alimentación externa tanto para el aumento como para el aumento fines de down. Puede cambiar automáticamente entre el modo buck, pasando de 48 V a 12 V, y aumentar el modo, aumentando de 12 V a 48 V. Para aplicaciones de mayor potencia, como arrancar el motor, se pueden poner en paralelo hasta doce fases y el LTC3871 permite la misma carga para extraer energía simultáneamente de ambas baterías. La batería adicional de 48 V funcionará con una parte selecta del sistema eléctrico de un vehículo y, al hacerlo, aumentará la energía disponible, reducirá el peso del arnés de cables y disminuirá las pérdidas eléctricas. Con esta energía adicional, se habilitarán nuevas tecnologías que harán que los vehículos sean más seguros, aumenten la eficiencia y disminuyan las emisiones de CO ₂ .