Utilizzo di regolatori c.c./c.c. da 48 V in parallelo per aumentare la potenza dei veicoli autonomi

Il passaggio dai rail di alimentazione a 12 V a quelli a 48 V nelle automobili è spinto dall'insaziabile domanda di energia dovuta all'aumento del numero di impianti elettrici, tra cui sospensioni attive, sterzo, controllo della climatizzazione, sedili e finestrini elettrici e infotainment avanzato. L'alimentazione a 48 V è risultata determinante per fornire in modo efficiente molta energia, eliminando al contempo i componenti costosi e i cablaggi pesanti che sarebbero altrimenti necessari per soddisfare i severi standard di sicurezza e di prestazione dei sistemi a 12 V.

L'adozione di sistemi a 48 V è destinata inoltre ad accelerare con la sostituzione del parco macchine di motori a combustione interna (ICE) con veicoli elettrici (EV). Mentre i veicoli elettrici utilizzano sistemi da 400 o addirittura 800 V per azionare le ruote, i produttori - in particolare Tesla con il suo CyberTruck - hanno colto l'opportunità offerta dalla progettazione di un veicolo completamente nuovo per incorporare di serie i 48 V per il resto degli impianti elettrici del veicolo (Figura 1).

Figura 1: I veicoli di domani utilizzeranno sempre più spesso 48 V per sistemi come il pannello del conducente. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Più potenza con minori perdite resistive

Ma perché abbandonare una tecnologia a 12 V matura e comprovata? Dopotutto, ha svolto per decenni un ottimo lavoro e dispone ancora di un'enorme supply chain di componenti con prodotti collaudati. La risposta semplice è che mentre i modesti veicoli di un tempo avevano bisogno dell'elettricità per le luci interne, la radio e l'accendisigari (sì, le auto di allora avevano l'accendisigari incorporato), lo sterzo elettrico, il GPS e i sedili riscaldati erano solo dei sogni. Non c'era bisogno di altra potenza elettrica, oltre a quella standard di 12 V. Inoltre, le batterie al piombo forniscono circa 2 V per cella, quindi una batteria standard a sei celle forniva i 12 V richiesti con una regolazione della tensione molto semplice (ed economica).

Ma la fantasia dei progettisti di auto di ieri è diventata la realtà di oggi e tutti i tipi di veicoli, siano essi convenzionali, ibridi soft, ibridi EV (HEV) o EV, richiedono una maggiore potenza elettrica. La semplice equazione potenza (P) (in watt) = V x corrente (in ampere, A) ci dice che possiamo ottenere di più aumentando i volt o la corrente (o forse aumentando leggermente entrambi). Ma sappiamo anche che P = A² x resistenza (in ohm). Questo ci dice che ottenere un aumento di potenza semplicemente aumentando la corrente moltiplica le perdite resistive e va ad aggiungersi alle numerose sfide di gestione termica.

È meglio aumentare la tensione per ottenere più potenza dalla stessa corrente. Supponiamo, ad esempio, di avere bisogno di 75 W da un'alimentazione di 12 V. Ciò richiede una corrente di 75/12 = 6,25 A. Ma se aumentiamo l'alimentazione a 48 V, la stessa potenza può essere fornita da una corrente di 75/48 = 1,6 A. Una riduzione della corrente del 75% significa che i progettisti di automobili possono utilizzare cablaggi più leggeri, risparmiando sul peso e riducendo i costi (Figura 2).

Figura 2: L'adozione dell'alimentazione a 48 V per i sistemi chiave consente ai progettisti di ridurre il peso e il costo dei cablaggi. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Alimentazione a 48 V oltre il settore automotive

Le automobili non sono gli unici sistemi su ruote che possono trarre dei vantaggi dai bus a 48 V. Ad esempio, i robot da magazzino, le sedie a rotelle, i carrelli elevatori a forche e i veicoli autonomi per le consegne dell'ultimo chilometro sfruttano tutti l'alimentazione a 48 V (Figura 3). A differenza dell'esempio automotive, questi veicoli utilizzano principalmente i 48 V per alimentare i motori di trazione; un robot da magazzino non necessita di sedili riscaldati o di infotainment.

Figura 3: I veicoli autonomi per le consegne dell'ultimo chilometro arrivano a destinazione in modo più rapido ed efficiente grazie all'alimentazione a 48 V per i motori di trazione. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Per queste categorie di prodotti, le batterie al piombo-acido da 12 V vengono sostituite da batterie agli ioni di litio (Li-ion) da 48 V composte da più celle. Come ingegneri, sappiamo che queste batterie offrono una tensione nominale di 48 V, ma quando si scaricano la loro tensione diminuisce. Ciò significa che, per mantenere la tensione stabile mentre la batteria cede energia, avremo bisogno di una buona regolazione.

Vicor offre una linea di convertitori c.c./c.c. regolati isolati (fino a 3000 V_c.c.), che rappresentano una buona scelta per questo tipo di applicazione. Ad esempio, da un ingresso tra 14 e 72 V, il convertitore DCM2322T72S53A0T60 offre un'uscita regolata a 48 V fino a 2,1 A per una potenza di 100 W. Il convertitore è dotato di una topologia di commutazione a tensione zero (ZVS) ad alta frequenza che raggiunge un'efficienza del 90,1% per mantenere la situazione sotto controllo e prolungare la durata della batteria, fornendo al contempo un'elevata densità di potenza di 24,5 W/cm³.

Incremento della potenza

DCM2322T72S53A0T60 è un regolatore efficiente, ma per alcune modalità operative, come nel caso di una sedia a rotelle elettrica che deve affrontare una salita, l'applicazione potrebbe richiedere più di 100 W. Un'opzione potrebbe essere quella di specificare un regolatore c.c./c.c. da 48 V con una maggiore potenza di uscita. Ad esempio, DCM2322TA5N53A2M60 fornisce un massimo di 120 W a 48 V da un'alimentazione tra 43 e 154 V. Il compromesso che si ottiene utilizzando un singolo regolatore di potenza superiore è che in genere si verifica una certa perdita di efficienza di picco e la gestione termica si fa più problematica.

In alternativa, DCM2322T72S53A0T60 può essere facilmente distribuito come array di moduli per aumentare la potenza di uscita. Sono stati qualificati array fino a otto unità per una capacità fino a 800 W. La buona notizia è che la potenza massima dell'array è la somma della potenza massima dei singoli moduli. La topologia dell'array non impone alcun declassamento. Inoltre, se necessario, ogni modulo dell'array può funzionare con una tensione di ingresso diversa, pur continuando a fornire fino a 100 W a 48 V.

L'utilizzo dei moduli DCM2322 in modalità array comporta un compromesso: per facilitare il funzionamento in parallelo serve una rete di disaccoppiamento. In pratica, ciò significa che ogni DCM2322 richiede semplicemente un condensatore di uscita prima che l'uscita sia alimentata al bus comune. Ogni DCM2322 richiede inoltre un filtro di ingresso separato, anche se tutti i moduli condividono la stessa sorgente di tensione di ingresso. Il compito dei filtri è quello di limitare la corrente di ripple riflessa da ciascun modulo e di contribuire a sopprimere la generazione di correnti di frequenza di battimento che possono verificarsi quando più stadi di ingresso del gruppo propulsore possono interagire direttamente (Figura 4).

Figura 4: I convertitori di tensione regolati DCM2322 possono essere collegati tra loro per fornire fino a 800 W. Lo schema mostra i filtri di ingresso e le reti di disaccoppiamento necessarie per un funzionamento efficiente e silenzioso. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Conclusione

Il passaggio all'alimentazione da 12 a 48 V comporta vantaggi di sistema fondamentali per applicazioni come i robot da magazzino, le sedie a rotelle elettriche e i veicoli autonomi per le consegne dell'ultimo chilometro. Tali vantaggi includono il contenimento della corrente per consentire l'uso di cablaggi più leggeri e meno costosi.

Ma con l'aumentare della complessità di questi prodotti finali, aumenta anche la loro richiesta di energia. È possibile scalare il sistema di alimentazione di conseguenza utilizzando in parallelo più convertitori c.c./c.c. regolati ad alta densità di potenza di Vicor. Ciò consente ai sistemi a 48 V di fornire fino a 800 W o più.