Utiliser des régulateurs CC/CC 48 V en parallèle pour augmenter la puissance des véhicules autonomes

La transition des rails d'alimentation de 12 volts (V) à 48 V dans les automobiles est encouragée par la demande constante de puissance à mesure que le nombre de systèmes électriques augmente, notamment les suspensions actives, la direction, la climatisation, les sièges et les vitres électriques, ainsi que l'infodivertissement avancé. Il s'avère que l'alimentation 48 V est idéale pour fournir efficacement une grande quantité d'énergie tout en éliminant les composants coûteux et tout le câblage qui seraient autrement nécessaires pour répondre aux normes strictes de sécurité et de performances avec des systèmes basés sur 12 V.

Par ailleurs, l'adoption des systèmes 48 V va s'accélérer avec le remplacement des flottes à moteur à combustion interne (ICE) par des véhicules électriques (VE). Tandis que les VE utilisent des systèmes de 400 V voire 800 V pour faire tourner les roues, certains constructeurs (en particulier Tesla avec son modèle CyberTruck) profitent de l'opportunité de concevoir un véhicule entièrement nouveau pour y incorporer les 48 V en tant que norme pour le reste des systèmes électriques du véhicule (Figure 1).

Figure 1 : Les véhicules de demain utiliseront de plus en plus l'alimentation 48 V pour les systèmes comme le poste de pilotage. (Source de l'image : Vicor)

Plus de puissance et moins de pertes résistives

Mais pourquoi délaisser la technologie 12 V mature et éprouvée ? Après tout, elle a été plutôt performante pendant des dizaines d'années et présente toujours une énorme chaîne d'approvisionnement de composants avec des produits éprouvés. La réponse est simple : si les véhicules modestes d'autrefois nécessitaient de l'électricité pour les lampes intérieures, la radio et l'allume-cigare (oui, les voitures de l'époque avaient bien un allume-cigare intégré), la direction à assistance électrique, le GPS et les sièges chauffants n'existaient que dans les rêves les plus fous des concepteurs automobiles. Il n'y avait tout simplement pas besoin d'avoir plus de puissance que les 12 V standard. En outre, les batteries plomb-acide fournissent environ 2 V par cellule, et une batterie standard à 6 cellules fournissait donc les 12 V requis avec une régulation de tension très basique (et bon marché).

Mais les fantasmes des concepteurs automobiles d'hier constituent la réalité d'aujourd'hui, et tous les types de véhicules (traditionnels, semi-hybrides, hybrides électriques ou entièrement électriques) requièrent davantage de puissance électrique. L'équation simple concernant la puissance, à savoir : puissance (P) (en watts, W) = volts x courant (en ampères, A), indique qu'il est possible d'optimiser « ce petit plus » en augmentant les volts ou le courant (ou peut-être un peu des deux). Mais nous savons aussi que P = A² x résistance (en ohms [Ω]). Cela indique que l'obtention d'un gain de puissance en augmentant simplement le courant multiplie les pertes résistives et renforce les nombreux défis liés à la gestion thermique.

Mieux vaut augmenter la tension pour obtenir davantage de puissance à partir du même courant. Par exemple, imaginons qu'il nous faut 75 W à partir d'une alimentation 12 V. Cela nécessite un courant de 75/12 = 6,25 A. Mais si nous augmentons l'alimentation à 48 V, la même puissance peut être fournie par un courant de 75/48 = 1,6 A. Une réduction du courant de 75 % signifie que les concepteurs automobiles peuvent utiliser des câbles plus légers, réduisant ainsi le poids et les coûts (Figure 2).

Figure 2 : En passant à une alimentation de 48 V pour les systèmes clés, les concepteurs automobiles peuvent réduire le poids et le coût des faisceaux de câbles électriques. (Source de l'image : Vicor)

48 V au-delà de l'automobile

Les voitures ne sont pas les seuls systèmes sur roues qui peuvent tirer parti des bus 48 V. Par exemple, les robots en entrepôt, les fauteuils roulants, les chariots élévateurs et les véhicules autonomes de livraison sur le dernier kilomètre utilisent eux aussi une alimentation 48 V (Figure 3). Contrairement à l'exemple automobile, ces véhicules utilisent principalement l'alimentation 48 V pour alimenter les moteurs de traction. En effet, les robots en entrepôt n'ont pas besoin de sièges chauffants ni de système d'infodivertissement.

Figure 3 : Les véhicules autonomes de livraison sur le dernier kilomètre atteignent leur destination plus rapidement et de manière plus rentable grâce à une alimentation 48 V pour leurs moteurs de traction. (Source de l'image : Vicor)

Pour ces catégories de produits, les batteries plomb-acide 12 V sont remplacées par des batteries lithium-ion (Li-ion) 48 V composées de plusieurs cellules. En tant qu'ingénieurs, nous savons que ces batteries offrent une valeur nominale de 48 V, mais que leur tension chute à mesure qu'elles se déchargent. Cela signifie qu'il nous faut une bonne régulation pour maintenir une tension suffisante et stable lorsque la batterie perd en énergie.

Vicor propose une gamme de convertisseurs CC/CC isolés (jusqu'à 3000 volts CC [V_CC]) et régulés qui conviennent parfaitement à ce type d'application. Par exemple, à partir d'une entrée de 14 V à 72 V, le convertisseur DCM2322T72S53A0T60 offre une sortie régulée de 48 V jusqu'à 2,1 A pour une puissance délivrée de 100 W. Le convertisseur présente une topologie haute fréquence à commutation au zéro de la tension (ZVS) atteignant un rendement de 90,1 %, ce qui permet de refroidir le système et de prolonger l'autonomie de la batterie tout en fournissant une densité de puissance élevée de 401 W par pouce cube (po³).

Stimuler la puissance

Le DCM2322T72S53A0T60 est un régulateur efficace, mais l'application peut parfois nécessiter plus de 100 W pour certains modes de fonctionnement. C'est le cas par exemple lorsqu'un fauteuil roulant grimpe une côte. Une option pourrait consister à spécifier un régulateur CC/CC 48 V avec une puissance délivrée supérieure. Par exemple, le DCM2322TA5N53A2M60 fournit 120 W maximum à 48 V à partir d'une alimentation de 43 V à 154 V. La contrepartie de l'utilisation d'un seul régulateur à plus haute puissance est qu'il y a typiquement une perte de rendement de crête, et que la gestion thermique est plus délicate.

Sinon, le DCM2322T72S53A0T60 peut facilement être déployé en tant qu'ensemble de modules pour augmenter la puissance délivrée. Des ensembles incluant jusqu'à huit unités sont compatibles avec une capacité jusqu'à 800 W. La bonne nouvelle, c'est que la puissance maximale de l'ensemble équivaut à la somme de la puissance maximum de tous les modules. Cette topologie sous forme d'ensemble n'entraîne aucun détarage. Mieux encore, chaque module de l'ensemble peut fonctionner à partir d'une source de tension d'entrée différente, si nécessaire, tout en fournissant jusqu'à 100 W à 48 V.

Il existe un compromis en matière de conception lors de l'utilisation des modules DCM2322 en mode ensemble : il faut un réseau de découplage pour faciliter le fonctionnement en parallèle. En pratique, cela signifie que chaque module DCM2322 nécessite simplement un condensateur de sortie avant que la sortie ne soit transmise au bus commun. Chaque module DCM2322 nécessite également un filtre d'entrée séparé, même si tous les modules partagent la même source de tension d'entrée. Le rôle des filtres est de limiter le courant ondulé réfléchi par chaque module, et d'aider à supprimer les courants de fréquence de battement qui peuvent être générés lorsque plusieurs étages d'entrée de groupe motopropulseur peuvent interagir directement les uns avec les autres (Figure 4).

Figure 4 : Les convertisseurs de tension CC/CC régulés DCM2322 peuvent être utilisés sous forme d'ensemble pour fournir jusqu'à 800 W. Le schéma montre les filtres d'entrée et les réseaux de découplage nécessaires pour un fonctionnement efficace et silencieux. (Source de l'image : Vicor)

Conclusion

Le passage de 12 V à 48 V offre des avantages système clés pour les applications comme les robots en entrepôt, les fauteuils roulants électriques et les véhicules autonomes de livraison sur le dernier kilomètre. Ces avantages incluent notamment le maintien d'un faible courant afin de permettre l'utilisation de faisceaux de câbles plus légers et moins coûteux.

Mais ces produits finis de plus en plus sophistiqués nécessitent toujours plus de puissance. Vous pouvez adapter votre système d'alimentation en conséquence à l'aide de plusieurs convertisseurs de tension CC/CC régulés à haute densité de puissance de Vicor en parallèle. Vous obtiendrez ainsi des systèmes 48 V capables de fournir jusqu'à 800 W ou plus.