Bridging di 12 V e 48 V in sistemi automobilistici a doppia batteria

Supporto di una topologia a doppio bus grazie ad un controller buck-boost bidirezionale.

I sistemi a batterie al piombo-acido da 12 V hanno trovato pane per i loro denti. Le normative sulle emissioni si fanno sempre più rigorose, i requisiti di carico di potenza nell’elettronica automobilistica avanzata aumentano e i componenti meccanici si convertono in funzioni elettroniche: tutto ciò porta ormai le tradizionali batterie automobilistiche al limite della loro capacità di corrente.

La reazione delle case automobilistiche e dei loro fornitori è stata lo sviluppo di un secondo sistema elettrico supplementare a 48 V che fornisce maggiore energia a basse correnti rispetto a quanto una tradizionale batteria da 12 V sia in grado di offrire da sola. 

La risposta a 48 V ai limiti dei 12 V

La nuova configurazione si articola in due rami separati. Il tradizionale bus a 12 V utilizza una batteria al piombo convenzionale per carichi consueti come infotainment, illuminazione e finestrini, mentre il nuovo sistema a 48 V è in grado di sostenere carichi maggiori come gruppi elettrogeni di avviamento, compressori per climatizzazione, sistemi attivi del telaio, sovralimentatori elettrici, turbocompressori e frenata rigenerativa.

Come mostrato in Figura 1, un alimentatore bidirezionale collega in bridging i sistemi a 12 V e 48 V. Il risultato è un veicolo più leggero che consuma meno carburante ed emette meno anidride carbonica.

Il sistema a 48 V consente di risparmiare peso per il cablaggio. Una tensione più elevata permette di utilizzare fili di sezione minore, riducendo quindi le dimensioni e il peso dei cavi senza sacrificare le prestazioni: gli odierni veicoli di fascia alta possono contenere oltre 4 km di cavi.

Figura 1. Un impianto elettrico a 48 V coadiuva il tradizionale sistema a 12 V. 

Insieme alla tradizionale batteria a 12 V, una batteria agli ioni di litio da 48 V o un supercondensatore e un convertitore DC/DC bidirezionale completano il sistema a doppia batteria per erogare fino a 10 kW di potenza disponibile. Il trasferimento di potenza bidirezionale è necessario per caricare la batteria se è scarica e per fornire potenza supplementare per la linea di tensione opposta in condizioni di sovraccarico.

In questo white paper verranno analizzati i requisiti di un sistema 12 V/48 V e verrà esaminato un innovativo schema di controllo in modalità di corrente utilizzando l’LM5170-Q1 di Texas Instruments. Questo controller buck/boost implementa tutti i circuiti di controllo per la conversione di energia bidirezionale, rendendo i sistemi notevolmente più semplici rispetto alle tradizionali implementazioni discrete.

LV148: il punto di partenza

Lo standard LV 148 per sistemi automobilistici a 48 V specifica che la tensione massima su una linea a 48 V deve raggiungere anche i 70 V per almeno 40 ms. Inoltre, il sistema deve rimanere funzionale senza alcuna perdita di prestazioni durante un tale evento di sovratensione. Per i fornitori di semiconduttori significa che tutto ciò che è collegato a una linea di tensione a 48 V deve resistere a 70 V in ingresso. L’industria automobilistica considera un margine di sicurezza del 10% o più: per soddisfare questo requisito, i componenti su una linea di tensione a 48 V non protetta dovrebbero essere omologati per 100 V.

Per il trasferimento di potenza dalla linea di tensione a 48 V alla linea a 12 V è possibile utilizzare un convertitore buck, mentre il trasferimento di potenza dalla linea di tensione a 12 V verso i 48 V è ottenibile con un convertitore boost. Le topologie buck e boost sono ben note nell’elettronica di potenza, ma la progettazione di due convertitori separati richiede spazio prezioso sulla scheda e aumenta la complessità e il costo del sistema.

Di solito i progettisti gestiscono questi sistemi a doppia batteria a 12 V e 48 V con uno schema a controllo digitale, che comprende più componenti discreti come amplificatori di rilevamento della corrente, driver del gate e circuiti di protezione. In alternativa, TI offre un’architettura mista in cui il microcontroller (MCU) offre una gestione intelligente di livello superiore, mentre un controller analogico integrato come l’LM5170-Q1 fornisce la conversione di potenza. L’LM5170-Q1 può essere implementato anche in una pura funzione analogica, eliminando l’MCU dal loop.

L’LM5170-Q1 trasferisce in modo efficiente una potenza elettrica superiore a 500 W per fase tra due sistemi di batterie per automotive da 48 V e 12 V e fornisce amplificatori integrati di rilevamento della corrente e driver del gate integrati per corrente elevata. Le funzioni di protezione del sistema includono un interruttore automatico integrato e un monitoraggio indipendente della corrente di fase, che elimina componenti discreti aggiuntivi. Lo stacking di più controller in parallelo consente l’erogazione di più kilowatt di potenza: il bus 48 V è in grado di erogare fino a 10 kW circa di potenza per l’azionamento di vari sistemi, come mostrato in Figura 2.

Figura 2. Un loop di controllo corrente dell’LM5170.

Lo schema di controllo in modalità di corrente media di TI regola la corrente media che passa fra le porte ad alta e bassa tensione in una direzione designata da un segnale DIR (Direction Input Response). Impostando DIR su «1», la corrente passa dalla porta 48 V alla porta 12 V. Impostando DIR su «0», la corrente passa dalla porta 12 V alla porta 48 V. Il comando DIR definisce come l’LM5170-Q1 controlla Q1 e Q2 in modalità buck o boost.

Uno schema di controllo convenzionale della modalità di corrente media pone due sfide: la funzione di trasferimento del loop di corrente varia in base alle condizioni della tensione e della corrente di esercizio, mentre il funzionamento bidirezionale richiede due diverse compensazioni del loop. All’interno dell’LM5170-Q1 di TI la funzione di trasferimento è la stessa per il funzionamento bidirezionale. Poiché la soluzione di TI mantiene un guadagno di loop costante, essa consente ad una singola rete resistore-condensatore (RC) di compensare sia la conversione buck che quella boost.

Vantaggi dello schema di controllo TI

• Accuratezza elevata: la regolazione di corrente bidirezionale con precisione all’1% del controller assicura un preciso trasferimento di potenza.
• Efficienza energetica: l’LM5170-Q1 consente un’efficienza del sistema superiore al 97%.
• Alta precisione: il controller provvede al monitoraggio della corrente con una precisione fino al 99%.
• Potenza elevata: i driver del gate half-bridge integrati con picco di 5 A offrono funzionalità a potenza elevata.
• Prestazioni superiori: la modalità di emulazione dei diodi dei transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) evita le correnti negative e migliora l’efficienza a carico leggero.
• Qualità di livello automobilistico: l’LM5170-Q1 è dotato di omologazione AEC-Q100 (Automotive Electronics Council).

La Tabella 1 descrive le caratteristiche da considerare per un sistema a 48 V.

Tabella 1. Confronto tra le caratteristiche dello schema di controllo LM5170-Q1.

 

Il circuito di applicazione semplificato, come mostrato in Figura 3, mostra la natura integrata dell’LM5170-Q1.

 

Figura 3. Un circuito di applicazione semplificato.

Sul controller LM5170-Q1 gli ingressi di segnale analogico o di modulazione di larghezza di impulso digitale (PWM) programmano il livello di regolazione della corrente. Gli amplificatori di rilevamento della corrente differenziale a doppio canale e i monitor della corrente di canale dedicati hanno un’accuratezza tipica che raggiunge l’1%. I driver del gate half-bridge da 5 A sono in grado di pilotare interruttori MOSFET in parallelo, erogando in genere 500 W o più per fase. La modalità di emulazione dei diodi dei raddrizzatori sincroni evita le correnti negative e migliora l’efficienza nel funzionamento in modalità discontinua in presenza di carichi leggeri. Le funzioni di protezione includono la limitazione della corrente ciclo per ciclo, la protezione da sovratensione su entrambe le porte ad alta e bassa tensione, il rilevamento guasti dei MOSFET e la protezione da sovratemperatura. 

Stadio di potenza e circuito di controllo

Lo schema di controllo della modalità di corrente media per il funzionamento a convertitore bidirezionale 48 V-12 V presenta uno stadio di potenza costituito da:

• Un FET high-side (Q1).
• Un FET low-side (Q2).
• Un induttore di potenza (LM).
• Un resistore a rilevamento di corrente (RCS).
• Due batterie: una sulla porta ad alta tensione e una sulla porta a bassa tensione.

Il circuito di controllo comprende:

• Un amplificatore di rilevamento della corrente con un guadagno pari a 50 e controllo della direzione tramite il comando DIR (0 o 1).
• Un amplificatore a transconduttanza che funge da amplificatore di errore del loop di corrente, con un segnale di riferimento (ISET) applicato sul pin non invertente per impostare il valore di regolazione della corrente CC di fase.
• Un comparatore PWM.
• Un segnale di rampa generato in proporzione alla porta ad alta tensione.
• Un circuito di controllo comandato tramite DIR per applicare il segnale PWM e controllare Q1 o Q2 come interruttore principale.
• Una rete di compensazione del loop sul nodo COMP.

Un convertitore bidirezionale 48 V-12 V richiede normalmente una regolazione della corrente molto accurata (migliore del 3%) per controllare con precisione la quantità di potenza erogata da una linea di tensione della batteria all’altra. Per via della potenza elevata, il sistema di solito richiede l’uso di circuiti multifase in funzionamento interlacciato parallelo per condividere il carico totale; la condivisione dovrebbe essere bilanciata in modo uniforme tra le singole fasi. Per questo motivo, una topologia con modalità di controllo della tensione non è adatta a causa della sua incapacità di realizzare una condivisione multifase.

L’LM5170-Q1 consente il funzionamento multifase in parallelo sincronizzando più controller per un numero di fasi maggiore. Ciascuna fase si sincronizza su un clock sfasato. L’utilizzo di un’architettura multifase riduce la dimensione fisica dei componenti e semplifica la gestione termica. Per collegare facilmente in parallelo ciascuna fase di potenza, lo schema di controllo in modalità buck o boost è il controllo in modalità di corrente. Il funzionamento multifase consente inoltre la commutazione interlacciata di ciascuna fase, riducendo l’ondulazione di uscita e quindi le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Infine, con due batterie in gioco aumenta la probabilità che una o entrambe le batterie dell’auto vengano scollegate e ricollegate durante la manutenzione. Quando vengono ricollegate è possibile che i cavi vengano collegati ai morsetti della batteria sbagliata, danneggiando quindi i componenti delle ECU. Per evitare questo tipo di danni è necessaria la protezione da inversione di polarità. Non è possibile utilizzare i diodi Schottky a causa della loro elevata perdita di potenza. Il controller a interruttore automatico high-side dell’LM5060-1-Q1, insieme ad un MOSFET a canale N, riduce invece la dissipazione di potenza. L’LM5050-Q1, in combinazione con il MOSFET esterno, funge da raddrizzatore a diodi quando collegato in serie con una fonte di alimentazione e permette di collegare alimentatori che vanno da 5 V a 75 V, nonché di resistere a transienti fino a 100 V.

Conclusione

Il Modulo di valutazione del convertitore bidirezionale LM5170 a 48 V-12 V (EVM) è pensato per presentare il controller LM5170-Q1. È possibile controllare la direzione del flusso di potenza attraverso un segnale di comando esterno o con il jumper sulla scheda. Tramite le diciture delle interfacce su scheda è possibile utilizzare l’EVM con un processore di segnale digitale (DSP), un FPGA (field-programmable gate array), una MCU o altri controller digitali. Collegando in parallelo due o più EVM si ottiene un convertitore multifase interlacciato per una maggiore potenza.

Inoltre, il “Progetto di riferimento del convertitore CC/CC bidirezionale per sistemi automobilistici a 12 V/48 V” risponde ai requisiti tipici di tensione operativa per i sistemi automobilistici a 12 V/48 V. Il sistema utilizza due controller di corrente LM5170-Q1 e una MCU C2000 TMS320F28027F per il controllo dello stadio di potenza, trasmettendo un feedback di tensione al sistema.

La soluzione a 12 V/48 V di TI permette di gestire la corrente utilizzando un innovativo schema di controllo della corrente media in grado di eliminare i circuiti di bilanciamento di fase aggiuntivi, tipici dei convertitori multifase. L’LM5170-Q1 offre un elevato livello di integrazione e riduce la superficie del circuito stampato (PCB), semplificando la progettazione e velocizzando lo sviluppo.

Risorse supplementari

• “Per saperne di più sui sistemi di TI per il settore automobilistico.”
• Leggete il white paper «Alla guida della rivoluzione verde nel settore dei trasporti».

Jiri Panacek è Systems Engineer, Powertrain Automotive Systems presso Texas Instruments.