Utilizzare convertitori di potenza bidirezionali e PFC per migliorare l'efficienza di HEV, BEV e della rete elettrica

I progettisti di sistemi di alimentazione per veicoli elettrici ibridi (HEV) e veicoli elettrici a batteria (BEV) sono sotto la costante pressione di migliorare l'efficienza e l'affidabilità riducendo i costi. Mentre il passaggio a due rail di alimentazione a 12 e 48 V ha contribuito a migliorare l'efficienza riducendo il peso del cablaggio del telaio, i progettisti hanno bisogno di soluzioni dedicate per gestire meglio le due fonti di alimentazione in modo che possano supportarsi meglio l'una con l'altra, consentendo al contempo al veicolo di supportare le applicazioni bidirezionali da veicolo a rete (V2G).

Questa esigenza ha portato allo sviluppo di convertitori bidirezionali e di sistemi di correzione del fattore di potenza bidirezionale (PFC) che consentono ai progettisti di ottimizzare le prestazioni complessive di un progetto di veicolo elettrico (EV) duale a 12/48 V e di collegarsi alla rete per il flusso di potenza bidirezionale.

Questo articolo definisce e riesamina i vantaggi della conversione di potenza bidirezionale nei sistemi automotive e gli standard associati. Introduce poi soluzioni di fornitori come Texas Instruments, Analog Devices e Infineon Technologies e mostra come utilizzarle per implementare convertitori di potenza bidirezionali.

Che cos'è la conversione di potenza bidirezionale?

In un HEV con architettura a doppia tensione 12/48 V, un alimentatore bidirezionale collega i sistemi a 12 e 48 V in modo che una batteria possa essere ricaricata dall'altra. Permette inoltre a ogni batteria di fornire energia supplementare per entrambi i rail di tensione in caso di sovraccarico (Figura 1). Di conseguenza, i progettisti possono utilizzare batterie più piccole per ciascun rail, con conseguente maggiore affidabilità, maggiore efficienza e costi inferiori.

Figura 1: Un alimentatore bidirezionale al centro di un'architettura a doppia tensione collega i sistemi a 12 e 48 V in modo che ogni batteria possa essere ricaricata dall'altra e fornire energia supplementare in caso di sovraccarico. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Nei BEV, i progettisti possono utilizzare il PFC bidirezionale per supportare la carica bidirezionale della batteria, così come il funzionamento V2G. Un sistema V2G supporta la maggiore efficienza in diversi modi:

• Può restituire energia alla rete durante i periodi di forte domanda
• Può ridurre il tasso di carica delle batterie, se necessario, per aiutare a bilanciare il carico sulla rete
• Permette di utilizzare il veicolo per immagazzinare energia da fonti di energia rinnovabili

Mentre i sistemi a doppia tensione negli HEV sono autonomi all'interno del veicolo e ottimizzano il risparmio di carburante, il caricabatterie bidirezionale in un sistema V2G è progettato per promettere maggiori benefici di costo al di là dei miglioramenti nel risparmio di carburante e deve interfacciarsi con il mondo esterno.

L'implementazione del V2G richiede tecnologie e algoritmi di comunicazione per rilevare lo stato della rete, così come la capacità di interfacciarsi con l'infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici (Figura 2).

Figura 2: Oltre alla conversione di potenza bidirezionale, i sistemi V2G devono includere vari standard di interconnessione e comunicazione. (Immagine per gentile concessione di Honda)

L'infrastruttura V2G che ne deriva apporta benefici economici, tra cui la possibilità di fornire energia alla rete nei periodi di picco della domanda (potenzialmente generando reddito per il proprietario del veicolo) e di ricaricare le batterie del veicolo nei periodi di bassa domanda di elettricità (riducendo i costi di ricarica del veicolo).

Norme relative alla conversione di potenza bidirezionale

Le specifiche LV148/VDA320 definiscono i requisiti elettrici e le condizioni di prova per la combinazione di un bus a 48 V e un bus a 12 V in sistemi automotive a doppia tensione (Figura 3). La norma LV148 è stata adottata dalle case automobilistiche tedesche Audi, BMW, Daimler, Porsche e Volkswagen, e si applica sia ai veicoli a combustione interna convenzionali sia agli HEV. Al momento della stesura del presente documento è in fase di sviluppo la norma ISO 21780 per "Veicoli stradali - Tensione di alimentazione di 48 V - Requisiti elettrici e prove".

Figura 3: Le specifiche LV148/VDA320 definiscono i requisiti elettrici e le condizioni di prova per la combinazione di un bus a 48 V e un bus a 12 V in sistemi automotive a doppia tensione; in figura è riportata la specifica per un bus a 48 V. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Vi sono diversi protocolli di comunicazione che possono essere applicati ai sistemi V2G, tra cui:

• ISO/IEC 15118: definisce un'interfaccia di comunicazione V2G per la carica e la scarica bidirezionale di veicoli elettrici. Utilizza la specifica IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) a banda larga per la comunicazione a onde convogliate (PLC) come il miglior protocollo per garantire una comunicazione robusta e un'elevata velocità di trasmissione dati. Operando a frequenze comprese tra 2 MHz e 30 MHz, HPGP permette al sistema di distinguere i dati validi su una linea connessa dal rumore proveniente da altre sorgenti vicine.
• IEC 61850: definisce i protocolli di comunicazione per i dispositivi elettronici intelligenti nelle sottostazioni elettriche che possono aiutare a gestire il flusso di energia tra le risorse elettriche rinnovabili e le apparecchiature di alimentazione dei veicoli elettrici (EVSE), come i caricabatterie.

Figura 4: IEC 61850 definisce i flussi di potenza e di dati per i sistemi V2G e utilizza la specifica IEEE P1901.2 HPGP PLC per garantire una comunicazione robusta e un'elevata velocità di trasmissione dati. (Immagine per gentile concessione del IBIS)

Convertitori c.c./c.c. multifase bidirezionali per sistemi a 12/48 V

L'elevato livello di potenza di un tipico convertitore bidirezionale c.c./c.c. a 12/48 V si traduce solitamente nell'uso di una topologia multifase. La progettazione multifase migliora l'efficienza complessiva della conversione consentendo la caduta di fase, riducendo il numero di fasi attive al diminuire della domanda di potenza. I progetti multifase consentono anche l'uso di componenti filtranti più piccoli sulle uscite di ogni fase; l'uso di induttori più piccoli migliora le prestazioni di risposta ai transitori di carico. Infine, il funzionamento delle fasi con l'appropriato interleaving risulta in un minor ripple di uscita.

LM5170-Q1 di Texas Instruments è un controller di corrente bidirezionale multifase ad alte prestazioni, destinato a gestire il trasferimento di corrente tra la sezione a 48 V e la sezione a 12 V dei sistemi a doppia batteria per autoveicoli (Figura 5). Integra funzioni analogiche essenziali che consentono la progettazione di convertitori ad alta potenza con un numero minimo di componenti esterni. Il funzionamento in parallelo multifase avviene collegando due controller LM5170-Q1 per il funzionamento a 3 o 4 fasi o sincronizzando più controller ai clock rifasati per un maggior numero di fasi.

Figura 5: Il controller di corrente bidirezionale multifase LM5170-Q1 gestisce il trasferimento di corrente tra le sezioni a 48 V e 12 V di un sistema automotive a doppia batteria; le frecce rosse evidenziano il flusso di corrente bidirezionale. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

LM5170-Q1 include amplificatori per il rilevamento di corrente differenziale a due canali e i monitor di corrente del canale dedicati per raggiungere una precisione della corrente tipica dell'1%. I robusti gate driver a semiponte da 5 A sono in grado di pilotare interruttori MOSFET paralleli che erogano 500 W o più per canale. Il modo di emulazione del diodo dei raddrizzatori sincroni impedisce le correnti negative, ma consente anche il funzionamento in modo discontinuo per una migliore efficienza a bassi carichi. Le caratteristiche di protezione versatili includono limite di corrente ciclo per ciclo sulle porte ad alta e bassa tensione, protezione dalle sovratensioni, rilevamento guasti del MOSFET e protezione da sovratemperatura. Questo controller è in grado di garantire la sicurezza funzionale nel settore automotive.

Texas Instruments offre il modulo di valutazione LM5170EVM-BIDIR con cui gli ingegneri possono valutare LM5170-Q1 in applicazioni con un sistema a doppia batteria a 12/48 V. Le due fasi operano in modalità interleaved a 180˚ e condividono uniformemente una corrente continua massima fino a 60 A. Questo modulo di valutazione comprende anche vari ponticelli per configurare in modo flessibile e pratico il circuito e adattarlo a molti casi d'uso diversi, compresa la capacità di essere controllato da un microcontroller (MCU) e da convertitori buck o boost unidirezionali ad alta potenza.

Architettura multifase master/slave per convertitori bidirezionali

Analog Devices offre regolatore a commutazione buck/boost LT8708 per l'uso nei convertitori di potenza bidirezionali a 12/48 V. LT8708 è un controller c.c./c.c. buck/boost sincrono a 4 interruttori da 80 V con capacità bidirezionale capace di supportare correnti di carico fino a circa 30 A. Per ottenere correnti più elevate, il controller master LT8708 può essere combinato con uno o più chip slave. L'uso di un'architettura master/slave può ridurre i costi della soluzione nei progetti multifase, poiché un singolo (più costoso) CI master può controllare più CI slave (a basso costo).

Poiché gli slave sono collegati al master, aumentano proporzionalmente la potenza e la capacità di corrente del sistema. Tuttavia, è importante che lo slave abbia le stesse modalità di conduzione del master LT8708 in modo che possa condurre corrente e potenza nella stessa direzione del master. Il master controlla i limiti complessivi di corrente e tensione per un sistema multifase LT8708 e gli slave li rispettano.

Uno slave può essere facilmente parallelizzato con LT8708 collegando tra loro quattro segnali (Figura 6). Su ogni slave sono disponibili due limiti di corrente aggiuntivi (corrente diretta V_IN e corrente inversa V_IN) impostabili in maniera indipendente.

Figura 6: Un convertitore c.c./c.c. trifase che utilizza i CI LT8708 (master) e slave mette in evidenza le quattro interconnessioni di segnale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La scheda dimostrativa DC2719A di Analog Devices utilizza un master LT8708 combinato con uno slave (LT8708-1) per erogare 40 A di corrente. La scheda può funzionare sia in modalità diretta che inversa. Il controller integra i regolatori della tensione di ingresso e uscita e due serie di regolatori della corrente di ingresso e uscita che controllano il flusso di corrente nelle due direzioni. Sono incluse funzioni per semplificare la conversione di potenza bidirezionale in sistemi ausiliari a batteria/condensatore e altre applicazioni che possono richiedere la regolazione di V_IN, V_OUT, I_IN e/o I_OUT.

Correzione del fattore di potenza bidirezionale per BEV interattivi con la rete

Per i progettisti di BEV interattivi con la rete, Infineon offre la scheda di valutazione EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, un correttore di fattore di potenza totem pole senza ponte da 3300 W con capacità di potenza bidirezionale (Figura 7). Questa scheda PFC totem pole senza ponte è destinata ad applicazioni che richiedono un'elevata efficienza (circa il 99%) e un'alta densità di potenza (4,4 W/cm3).

Figura 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 è una scheda PFC totem pole senza ponte da 3300 W. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

La topologia totem pole nelle applicazioni PFC con funzionamento in modalità di conduzione continua (CCM) è resa possibile grazie all'utilizzo di semiconduttori in banda proibita. In questo caso, Il MOSFET CoolSiC IMZA65R048M1 di Infineon in un contenitore TO-247 a quattro pin è utilizzato per aumentare l'efficienza al 99% a metà carico. Il convertitore funziona esclusivamente a un'alta tensione di linea (176 V rms minimo, 230 V rms nominale) in CCM con una frequenza di commutazione di 65 kHz.

Questo totem pole bidirezionale senza ponte da 3300 W (PFC/c.a./c.c. e inverter/c.a./c.c.) è una soluzione di sistema sviluppata con i semiconduttori di potenza di Infineon, così come i driver e i controller sempre di Infineon. I dispositivi di Infineon utilizzati nel progetto includono:

• MOSFET CoolSiC da 64 mΩ, 650 V (IMZA65R048M1) in un contenitore TO-247 a quattro pin come commutatori totem pole PFC ad alta frequenza
• MOSFET CoolMOS C7 da 17 mΩ, 600 V (IPW60R017C7) in un contenitore TO-247 per il percorso di ritorno PFC totem pole (ponte a bassa frequenza)
• Gate driver isolati 2EDF7275F (EiceDRIVER)
• ICE5QSAG QR flyback controller e 950 volt CoolMOS P7 MOSFET(IPU95R3K7P7AKMA1) per l'alimentazione ausiliaria bias
• Microcontroller XMC1404Q048X0200AAXUMA1 di Infineon per l'implementazione del controllo PFC

Il totem pole implementato nella scheda EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funziona in CCM sia in modalità raddrizzatore (PFC) che inverter, con implementazione di controllo digitale completo mediante il microcontroller XMC1404Q048X0200AAXUMA1 di Infineon.

Conclusione

Con i progettisti che cercano di migliorare l'efficienza, le architetture a doppia tensione 12/48 V sono emerse come la topologia di scelta per gli HEV e i BEV. Ciò ha creato la necessità di una gestione efficiente dell'energia per ottimizzarne l'uso. Sono emersi convertitori bidirezionali c.c./c.c. e caricabatterie per consentire ai sistemi a 12 e 48 V di supportarsi reciprocamente nei casi in cui uno necessiti di ricarica o in caso di sovraccarico.

Inoltre, nel caso dei BEV, uno stadio PFC bidirezionale supporta il flusso di potenza bidirezionale tra la batteria e la rete elettrica. La connessione V2G che ne deriva porta benefici economici che vanno oltre l'ottimizzazione del risparmio di carburante, compresa la possibilità di fornire energia alla rete nei periodi di picco della domanda e di ricaricare le batterie del veicolo nei periodi di bassa domanda di elettricità.

Letture consigliate

1. I convertitori di potenza specializzati colmano il divario da 12 V a 48 V negli impianti automotive
2. Portare i veicoli elettrici nella smart grid per la stabilità e la sicurezza