Controller c.c./c.c. bidirezionali per sistemi automotive a doppia batteria 48 V/12 V

Con i progressi registrati nel campo dei veicoli autonomi e della connettività delle automobili, insieme all'inasprimento delle leggi sul risparmio di carburante, è stato raggiunto il limite utilizzabile del tradizionale impianto elettrico automotive a 12 V. A ciò si aggiungono nuove sfide associate a una maggiore richiesta di energia elettrica da parte delle sempre più numerose applicazioni alimentate dall'impianto elettrico delle vetture. La conseguenza è che il tradizionale sistema di alimentazione elettrica automotive da 3 kW a 12 V deve essere affiancato da un secondo impianto.

L'attuale sistema a 12 V viene abbinato a una linea secondaria a 48 V in conformità con il recente standard automotive LV148. Tra i vari componenti di un impianto a 48 V troviamo:

• Un BSG (generatore di avviamento azionato a cinghia) o un ISG (generatore di avviamento integrato)
• Una batteria agli ioni di litio da 48 V
• Un convertitore c.c./c.c. bidirezionale che può erogare fino a 10 kW di energia da batterie a 12 V e 48 V combinate

Mentre i produttori di auto si sforzano di soddisfare obiettivi di emissioni di CO₂ sempre più restrittivi, questa tecnologia è destinata sia ai veicoli ibridi elettrici che a quelli tradizionali a combustione interna.

Il ruolo della linea a 12 V continuerà tipicamente a fornire energia a impianti di illuminazione, infotainment, audio e accensione. Altri come le sospensioni adattive, i compressori/turbo elettrici, i compressori dell'aria condizionata e il telaio attivo, oltre al supporto per la frenata rigenerativa, saranno alimentati dalla linea a 48 V. Una linea a 48 V, ormai in arrivo anche nelle gamme dei modelli di serie, sarebbe in grado di supportare persino l'avviamento del motore per una più agevole implementazione del funzionamento di arresto-avvio.

Un ulteriore vantaggio dell'utilizzo di una tensione più elevata è dato dalla riduzione della sezione dei cavi, con conseguenti risparmi sia in termini di dimensioni che di peso. Tenuto conto che nelle vetture moderne l'impianto elettrico può richiedere fino a quattro km di fili, questo diventa un fattore piuttosto importante.

I veicoli assomigliano sempre più a dei computer su ruote, il che crea un potenziale per l'interfacciamento con molti dispositivi plug-and-play. Se si pensa che in media un pendolare trascorre il nove percento di una giornata alla guida, l'introduzione della telematica e della multimedialità ha il potenziale per aumentare la produttività e fornire ulteriore intrattenimento.

Come accennato in precedenza, i veicoli autonomi sono alla base dell'esigenza emergente di più energia per componenti come radar e LiDAR, sensori, telecamere e computer di bordo. Viene richiesta più energia anche per migliorare la connettività dei veicoli stessi. Non solo devono essere in grado di connettersi a Internet, ma anche alla segnaletica stradale, agli altri veicoli, agli edifici e ad altre strutture. Oltre a ciò, le pompe per olio e acqua, il servosterzo e i componenti della trasmissione stanno passando dall'azionamento meccanico a quello elettrico.

Molti costruttori prevedono per i prossimi anni una forte domanda di componenti costitutivi tecnologici per i veicoli autonomi. Tuttavia, già ora è possibile sfruttare i vantaggi degli impianti basati su batterie a 48 V. Ad esempio, alcuni costruttori sostengono che per i motori a combustione interna che utilizzano un impianto elettrico a 48 V si possono ottenere risparmi di carburante tra il 10% e il 15%. Ciò a sua volta determina una corrispondente diminuzione delle emissioni di CO₂.

Gli ingegneri possono integrare la tecnologia di sovralimentazione elettrica nei veicoli che utilizzeranno il doppio impianto a 48 V/12 V. Questa tecnologia è in grado di funzionare indipendentemente dal carico del motore, contribuendo a migliorare le prestazioni di accelerazione. Ad esempio, un compressore, già in fase avanzata di sviluppo, verrà collocato tra l'intercooler e il sistema di aspirazione. Questo compressore utilizzerà la tensione a 48 V per portare a regime il turbo.

Tuttavia, esistono numerose difficoltà di progettazione a tutti i livelli derivanti dell'implementazione nei veicoli di una rete di alimentazione aggiuntiva a 48 V. Un esempio pertinente potrebbe essere quello dei produttori di semiconduttori e di unità di controllo elettronico (ECU) che dovranno riprogettare i componenti per funzionare con alimentazione a 48 V. Anche i fornitori di convertitori c.c./c.c. dovranno sviluppare circuiti integrati specializzati capaci di gestire un trasferimento di energia più elevato. Per soddisfare questi requisiti, Linear Technology ha messo a disposizione diversi convertitori c.c./c.c. già in grado di gestire questo trasferimento di energia in modo molto efficiente. Questo consentirà sia di risparmiare energia sia di ridurre al minimo la dissipazione termica necessaria.

Con l'avvicinarsi del doppio impianto elettrico a 12 V/48 V nelle automobili, appare evidente la necessità di un convertitore c.c./c.c. bidirezionale step-down e step-up. Con questo convertitore possono essere caricate entrambe le batterie e, quando necessario, la corrente di entrambe può essere fornita allo stesso carico. Molti dei primi modelli di convertitori c.c./c.c. per doppia batteria da 12 V/48 V utilizzano componenti di potenza separati per le funzioni di step-down e step-up della tensione. Non è questo il caso del controller bidirezionale c.c./c.c. LTC3871 di Linear Technology. Questo controller utilizza gli stessi componenti di potenza esterni sia per abbassare che per aumentare la tensione.

Un singolo componente bidirezionale su CI per due funzioni

LTC3871 è un controller buck/boost sincrono bidirezionale a due fasi 100 V/30 V. È in grado di fornire controllo c.c./c.c. bidirezionale e ricarica della batteria tra le reti degli impianti a 12 V e 48 V. Funziona in modalità boost dal bus 12 V al bus 48 V e in modalità buck dal bus 48 V al bus 12 V. Applicando un segnale di controllo si configura la modalità richiesta. Per applicazioni a corrente elevata (fino a 250 A), i requisiti di filtraggio in ingresso e in uscita possono essere ridotti al minimo poiché possono essere messe in parallelo e sincronizzate fuori fase fino a dodici fasi. L'eccellente bilanciamento di corrente tra fasi parallele è fornito dalla sua architettura avanzata in modalità di corrente. La realizzazione a 12 fasi può fornire fino a 5 kW sia in modalità boost che buck.

LTC3871 consente a entrambe le batterie di fornire energia simultaneamente quando è necessaria una potenza aggiuntiva, ad esempio per l'avviamento del motore. Questo dispositivo garantisce un'efficienza fino al 97%. La corrente massima erogata al carico è regolata dal loop di programmazione della corrente su chip. Quattro loop di controllo, di cui due per la corrente e due per la tensione, permettono di controllare tensione e corrente su entrambe le reti di bordo da 48 V o 12 V.

LTC3871 funziona con una frequenza fissa selezionabile tra 60 kHz e 475 kHz e può essere sincronizzato su un clock esterno nello stesso intervallo. L'utente può scegliere tra modo di funzionamento continuo o a salto impulsivo in presenza di bassi carichi. Altre caratteristiche includono la protezione da blocco di sovra/sottotensione, sovraccarico e cortocircuito, circuito di compensazione indipendente per le modalità buck e boost, EXTVcc per una maggiore efficienza, ±1% di precisione di regolazione della tensione rispetto alla temperatura. LTC3871 soddisfa pienamente le specifiche automotive AEC-Q100 ed è stato progettato in linea con la norma ISO-26262 per la copertura diagnostica.

LTC3871 è attualmente disponibile in un contenitore LQFP a 48 conduttori dal profilo termico ottimizzato con tre possibili gradi di temperatura. Questi gradi di temperatura includono un intervallo per alte temperature automotive da -40 a 150 °C e uno da -40 a 125 °C per le versioni estesa e industriale. Lo schema di applicazione tipico di questi dispositivi è mostrato nella Figura 1. Nella parte superiore dello schema si può notare il MOSFET a canale P in grado di fornire protezione da cortocircuito e sovracorrente.

Figura 1: Un tipico schema applicativo del controller LTC3871 bidirezionale che mostra una uscita 12 V da un ingresso da 26 V a 58 V e che può fornire una corrente di 30 A. (Immagine per gentile concessione di Linear Technology)

ISG: generatore di avviamento integrato

In un'automobile, sia il motorino di avviamento che l'alternatore possono essere sostituiti da un ISG a controllo elettronico. Tale soluzione offre i seguenti vantaggi:

• L'eliminazione del motorino di avviamento, l'unico componente passivo durante il normale funzionamento del motore
• L'eliminazione dell'accoppiamento a cinghia e puleggia tra l'albero motore e l'alternatore
• Durante il riversamento del carico, è possibile implementare un controllo rapido della tensione del generatore
• L'eliminazione di spazzole e anelli collettore utilizzati attualmente in alcuni alternatori a rotore avvolto

Le tre caratteristiche principali dell'ISG sono la potenza assistita, la generazione di elettricità e la funzione di arresto-avvio. L'ISG può aiutare nella decelerazione del veicolo generando energia elettrica tramite la frenata rigenerativa. L'energia generata tramite frenata rigenerativa caricherà la batteria a 48 V riducendo il consumo di carburante e le emissioni di CO₂. Inoltre, l'ISG, mentre il motore è in funzione, produce energia elettrica analogamente a un alternatore tradizionale. Infine, quando un veicolo si ferma, l'ISG consente al motore a combustione interna di spegnersi per risparmiare carburante e lo riavvierà istantaneamente alla pressione dell'acceleratore. Questo è normalmente detto sistema di arresto-avvio. L'uso di un ISG in questo sistema consente una transizione più fluida all'avviamento del motore.

Nella Figura 2 viene illustrato un diagramma a blocchi sul modo di incorporare un ISG con LTC3871 e batterie 12 V - 48 V in un tipico motore a combustione interna.

Figura 2: Diagramma a blocchi delle tipiche applicazioni automotive del controller LTC3871. (Immagine per gentile concessione di Linear Technology)

Modalità buck e boost

Un semplice segnale di controllo può commutare dinamicamente il controller LTC3871 dalla modalità buck alla modalità boost e viceversa. Con due distinti amplificatori di errore, uno per la regolazione VHIGH e uno per la regolazione VLOW, è possibile una regolazione fine indipendente della compensazione del loop per i modi buck e boost, in modo da ottimizzare la risposta ai transitori. Quando è attiva la modalità buck, l'amplificatore di errore corrispondente, ITHLOW, è abilitato e controllerà la corrente di picco dell'induttore. Viceversa, in modalità boost è abilitato ITHHIGH e ITHLOW è disabilitato. Durante la transizione di modalità da boost a buck o da buck a boost, l'avvio graduale interno viene resettato e il pin ITH viene "parcheggiato" al livello di corrente zero per assicurare una transizione graduale alla nuova modalità.

Funzionamento multifase

È possibile collegare in serie più LTC3871 e azionarli sfasati per fornire più corrente di uscita senza aumentare il ripple della tensione di ingresso o uscita. Il collegamento del pin SYNC di un LTC3871 al pin CLKOUT di un altro LTC3871 consente al secondo dispositivo di sincronizzarsi con il primo. Il collegamento del segnale CLKOUT al pin SYNC dello stadio LTC3871 successivo allineerà sia la frequenza che la fase dell'intero sistema. È possibile collegare in serie un massimo di dodici fasi per ottenere un funzionamento contemporaneo sfasato.

La scheda dimostrativa per LTC3871, DC2348A, è configurabile sia in due che quattro fasi con uno o due LTC3871. La Figura 3 mostra la versione a quattro fasi. Questo circuito dimostrativo ha un intervallo di tensione di ingresso da 30 V a 75 V quando si opera in modalità buck e uscite a 12 V fino a 60 A. Quando questo circuito dimostrativo funziona in modalità boost, la tensione di ingresso può variare da 10 V a 13 V e l'uscita è 48 V fino a 10 A.

Figura 3: Scheda dimostrativa a quattro fasi per LTC3871. (Immagine per gentile concessione di Linear Technology)

Le curve di efficienza in Figura 4 sono tipiche per una scheda dimostrativa a quattro fasi che utilizza due dispositivi LTC3871. La curva della modalità buck mostra l'efficienza quando la scheda dimostrativa ricalibra un ingresso da 48 V a 12 V fino a 60 A, mentre la curva della modalità boost mostra l'efficienza quando la scheda dimostrativa innalza un ingresso a 12 V fino a 48 V e fino a 10 A. Si può notare su entrambe le curve che le efficienze di picco sono del 97%.

Figura 4: Curve di efficienza buck e boost per LTC3871 in configurazione a quattro fasi. (Immagine per gentile concessione di Linear Technology)

Protezione dalle sovracorrenti

In LTC3871 mentre è in modalità buck, è inclusa la protezione foldback di corrente per limitare la dissipazione di potenza in una situazione di sovracorrente o quando VLOW è in cortocircuito verso terra. In condizione di avvio graduale, la protezione fold-back di corrente viene abilitata automaticamente. La tensione di rilevamento massima viene progressivamente abbassata a un terzo del suo valore massimo programmato se VLOW scende al di sotto dell'85% del suo livello di uscita nominale. LTC3871 avvierà il salto del ciclo in condizioni di cortocircuito con cicli di lavoro molto leggeri per limitare la corrente di cortocircuito.

In un tipico controller boost, il diodo sincrono o il body diode del MOSFET sincrono conduce la corrente dall'ingresso all'uscita. Come risultato, un corto di uscita (VHIGH) trascinerà l'ingresso (VLOW) verso il basso senza un diodo di blocco o MOSFET che blocchi la corrente. Quando VHIGH è in cortocircuito verso terra, LTC3871 utilizza un MOSFET esterno a canale P a bassa RDSon per protezione da cortocircuito in ingresso. Il MOSFET a canale P è sempre acceso durante il normale funzionamento con la sua tensione di gate-source fissata a un massimo di 15 V. Se la tensione del pin UVHIGH scende al di sotto della soglia di 1,2 V, il pin FAULT si abbassa dopo 125 μs. Quando ciò accade, il MOSFET a canale P esterno viene disattivato dal pin PGATE.

Conclusione

L'utilizzo del controller LTC3871 permetterà di raggiungere un nuovo livello di prestazioni unitamente a un migliore controllo e una maggiore semplificazione dei sistemi c.c./c.c. a 48 V/12 V a doppia batteria in campo automotive, poiché consentirà di utilizzare gli stessi componenti di potenza esterni sia per step-up che per step-down. Può passare automaticamente dalla modalità buck, trasformando 48 V in 12 V, alla modalità boost, trasformando 12 V in 48 V. Per applicazioni di potenza più elevata, come l'avviamento del motore, è possibile parallelizzare fino a dodici fasi e il controller LTC3871 consente ad un singolo carico di assorbire energia da entrambe le batterie simultaneamente. La batteria aggiuntiva da 48 V alimenterà una parte selezionata dell'impianto elettrico del veicolo, aumentando così l'energia disponibile, riducendo il peso del cablaggio e le perdite elettriche. Grazie a questa fonte di energia aggiuntiva, saranno rese disponibili nuove tecnologie che renderanno i veicoli più sicuri, più efficienti e ridurranno le emissioni di CO₂.