Non ci sono prodotti a carrello.
di Issac K.C. Hsu, Product Marketing Engineer, Texas Instruments
Le iniziative a livello mondiale per ridurre le emissioni di gas a effetto serra (GHG) hanno innescato un’evoluzione nel campo automobilistico che richiede alle case automobilistiche di aumentare l’elettrificazione del powertrain nei nuovi veicoli. I veicoli elettrici mild hybrid (MHEV), che utilizzano sistemi di azionamento per motore a 48 V per contribuire a ridurre le emissioni di GHG del motore a combustione interna (ICE), sono emersi come un’alternativa interessante ai fini della compliance, in quanto i costi di implementazione sono molto inferiori rispetto a quelli di un veicolo elettrico full hybrid (FHEV). Questo white paper spiega come raggiungere il livello ASIL D (Automotive Safety Integrity Level D) di sicurezza funzionale negli MHEV fornendo al tempo stesso fino a 30 kW di potenza motrice e un’elevata integrazione per aiutare a ridurre l’ingombro su scheda utilizzando il driver per motore BLDC DRV3255-Q1 a 48 V BLDC.
MHEV e l’uso di sistemi di azionamento per motore a 48 V
Numerose iniziative a livello mondiale per ridurre le emissioni di gas a effetto serra (GHG) in paesi come gli Stati Uniti, il Giappone e la Cina, nonché nell’Unione Europea, hanno innescato un’evoluzione nel campo automobilistico. Ad esempio, la National Highway Traffic Safety Administration del Dipartimento dei Trasporti degli Stati Uniti ha pubblicato la sua dichiarazione finale sull’impatto ambientale[1] nel marzo 2020 che disciplina il risparmio di carburante dei veicoli dal 2021 al 2026. La Sezione 2.2.2.3 della dichiarazione stima che le autovetture e gli autocarri insieme porteranno un risparmio di carburante medio a livello aziendale di 40,4 mpg (miglia per gallone, pari a 5,8 l/100 km circa) entro il 2026. Anche l’unione europea si è impegnata a ridurre le emissioni di GHG del 40% entro il 2030 (rispetto al 1990) nell’ambito dell’Accordo di Parigi (COP21)[2].
Le case automobilistiche hanno molti modi per raggiungere gli obiettivi di riduzione delle emissioni di GHG. Uno di questi è costruire veicoli elettrici mild-hybrid (MHEV) che comprendono sistemi di azionamento per motore a 48 V. Poiché un motore a combustione interna (ICE) emette GHG durante la combustione, l’ICE di un MHEV si spegne quando il veicolo è in veleggio, contribuendo quindi a ridurre le emissioni di GHG dell’ICE. Quando questo avviene, il sistema di azionamento per motore a 48 V ricarica la batteria a 48 V per fornire elettricità per il veicolo. Gli MHEV sono un’opzione interessante per i costruttori di automobili per raggiungere gli obiettivi di riduzione delle emissioni di GHG, in quanto i costi di implementazione sono molto inferiori rispetto a quelli di un veicolo elettrico full hybrid e offrono flessibilità in termini di progettazione.
Il sistema di azionamento per motore a 48 V di un MHEV può essere accoppiato al sistema di trasmissione in punti diversi a seconda degli obiettivi di progettazione. La Figura 2-1 mostra i punti di collegamento sul sistema di trasmissione.
Figura 2-1. Punti di collegamento per azionamento motore (48 V) sul sistema di trasmissione
Se il sistema di azionamento per motori a 48 V è posto in P0 o P1, funziona come motorino di avviamento/generatore, in quanto è collegato all’ICE svolgendo entrambe le funzioni di motorino di avviamento e generatore. Se è posto in P2, P3 o P4, il sistema di azionamento per motore a 48 V funge da motogeneratore.
[boris]
Le sfide poste dalla progettazione di un sistema di azionamento per motore a 48 V
Sono molti i fattori alla base della buona riuscita di un progetto per un sistema di azionamento per motore a 48 V: elevata potenza di azionamento del motore, sicurezza e dimensioni ridotte. L’elevata potenza di azionamento del motore è importante per contribuire a ottenere le riduzioni delle emissioni di GHG. La sicurezza è importante, in quanto il motore a 48 V genera potenza durante il veleggio e la frenata e assiste con la sua potenza durante l’avviamento del motore fungendo da motorino di avviamento/generatore. Le dimensioni ridotte sono importanti perché il sistema per il motore a 48 V è alloggiato in un ristretto spazio nel vano motore vicino all’ICE.
Un tipico sistema di azionamento per motore a 48 V necessita di 10 kW – 30 kW di potenza elettrica per applicazioni per powertrain in campo automobilistico. Un sistema a doppia alimentazione a 48 V e 12 V può fornire supporto per questo livello di azionamento motore ad alta potenza. Esistono diverse architetture di alimentazione per gli azionamenti per motore ad alta potenza a 48 V.
La Figura 3-1 mostra l’architettura di azionamento per motore a 48 V più comune. Una batteria a 48 V è collegata al motore con un regolatore buck a CC/CC per la conversione verso il basso dell’alimentazione verso l’azionamento motore, un circuito integrato di gestione della potenza e un microcontroller da 48 V a 12 V. Un’alimentazione a 12 V dalla batteria a 12 V è dotata di diodo OR per garantire che l’alimentazione a 12 V sia presente per funzioni fondamentali di controllo del motore. La tensione dell’alimentazione a 48 V deve seguire gli standard previsti dalla ISO 21780 dell’Organizzazione Internazionale per la Normazione, come mostrato nella Figura 3-2.
Figura 3-1. Architettura di alimentazione comune per azionamenti motore a 48 V ad alta potenza
Figura 3-2. Specifiche ISO 21780 per livelli di tensione a 48 V
Considerazioni per l’azionamento motore ad alta potenza
Come mostrato nella Figura 3-1, un azionamento per motore a 48 V ad alta potenza aziona dei transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) per mettere in moto il motore. Per poter sostenere una potenza compresa fra 10 kW e 30 kW, questi MOSFET esterni devono sostenere correnti comprese fra 200 A e più di 600 A. Ridurre la RDS(ON) dei MOSFET può aiutare a ridurre la dissipazione di calore e le perdite di conduzione; in alcuni casi, è meglio collegare in parallelo più MOSFET per canale in modo da distribuire la dissipazione del calore di ciascun MOSFET. In questo modo, la carica totale del gate dei MOSFET è elevata e permette di sostenere enormi intervalli di corrente, ad esempio tra 300 nC e 700 nC. In casi estremi, per sostenere potenze di 30 kW, la carica totale del gate dei MOSFET potrebbe arrivare fino a 1.000 nC.
È importante ottimizzare la dissipazione di calore causata dalle perdite di commutazione e garantire che l’intera soluzione soddisfi le specifiche di compatibilità elettromagnetica (EMC). I tempi di salita e discesa del VDS dei MOSFET determinano le perdite di commutazione. Un tempo di salita e discesa più breve può ridurre le perdite di commutazione, ma incide sulle prestazioni EMC. La Figura 4-1 mostra la correlazione fra la carica del gate del MOSFET e il tempo di caduta durante la commutazione del MOSFET.
Figura 4-1. Tempo di caduta di VDS rispetto alla carica del gate
Come mostra la Figura 3-2, la batteria a 48 V potrebbe superare la tensione nominale e presentare una sovraelongazione dei transienti superiore al limite di 60 V. Al contrario, i pin di collegamento di fase dell’azionamento per motore devono sostenere una tensione transitoria negativa, poiché il tempo di recupero inverso dei diodi parassiti dei MOSFET li fa reagire lentamente. È complicato scegliere un azionamento motore in grado di mantenere un funzionamento normale a tensioni superiori a 48 V, pur rimanendo in grado di gestire una tensione negativa.
L’azionamento motore integrato DRV3255-Q1 BLDC a 48 V è progettato per azionare MOSFET con elevata carica del gate: la corrente di picco della sorgente dell’uscita del driver del gate è 3,5 A e la corrente di picco del sink dell’uscita del driver del gate è 4,5 A. Con una tale funzionalità di azionamento a corrente elevata è possibile ridurre i tempi di salita e discesa del DS del MOSFET, anche con una carica del gate di 1.000 nC. In alternativa, il DRV3255-Q1 implementa livelli selezionabili per la corrente di uscita del driver del gate. Questo aiuta i progettisti di sistema a regolare con precisione i tempi di salita e discesa attraverso i livelli di corrente regolabili per ottenere l’ottimizzazione fra le perdite di commutazione, andando a influire contemporaneamente sulla dissipazione di calore e sulle prestazioni EMC.
La tensione operativa massima per il pin di bootstrap del driver del gate del MOSFET lato high-side del DRV3255-Q1 è pari a 105 V. Oltre alla tensione massima di alimentazione del motore in funzionamento continuo a 90 V, il DRV3255-Q1 supporta il funzionamento a 90 V effettivi durante la messa in moto di motori a 48 V. La tensione transitoria più negativa del pin di bootstrap, dei pin di rilevamento della sorgente del MOSFET high-side e dei pin di rilevamento della sorgente del MOSFET low-side ha un valore nominale di –15 V.
Considerazioni sulla sicurezza e sulle dimensioni dei sistemi di azionamento per motore a 48 V
L’implementazione di un azionamento motore sicuro ad alta potenza richiede protezione, poiché la corrente che passa nel motore può avere un valore nominale superiore a 200 A. Una delle principali preoccupazioni per un sistema di azionamento per motore a 48 V è che il motore può generare una potenza indesiderata, portando a condizioni di sovratensione che potrebbero danneggiare il sistema. Il sistema deve avere un meccanismo per controllare i MOSFET funzionali (opportunamente accesi o spenti) per proteggere il sistema da ulteriori danni causati da condizioni di sovratensione. Tale protezione richiede tipicamente una logica sicura esterna e comparatori.
Il DRV3255-Q1 integra una logica di cortocircuito attivo che consente ai progettisti di sistema di decidere la risposta a un cortocircuito MOSFET. Invece di disabilitare tutti i MOSFET in risposta a una condizione di guasto, il dispositivo è configurabile per abilitare tutti i MOSFET high-side o tutti i MOSFET low-side, oppure abilitare dinamicamente tutti i MOSFET low-side o high-side. Il tempo di ritardo della risposta del dispositivo dell’ingresso di cortocircuito attivo è programmabile e configurabile tramite il registro SPI (Serial Peripheral Interface). Inoltre, il DRV3255-Q1 offre una copertura diagnostica completa ed è progettato ai sensi della ISO 26262; pertanto permette di realizzare un sistema di azionamento per motore a sicurezza funzionale fino al livello ASIL D (Automotive Safety Integrity Level D).
La Figura 5-1 mostra un tipico schema a blocchi per driver motore per il progetto di driver motore ad alta potenza da 48 V. L’implementazione di un sistema di azionamento per motore sicuro e robusto richiede diodi di clamp, circuiti di pilotaggio esterni, un resistore e diodi sink-path, comparatori e logica sicura esterna. Il DRV3255-Q1 integra la logica esterna e i comparatori, supporta fino a 105 V sul pin di bootstrap, gestisce una tensione transitoria negativa fino a –15 V e implementa un’uscita di corrente del driver del gate selezionabile ad alta corrente. L’effettiva implementazione del sistema di azionamento per motore ad alta potenza a 48 V con il DRV3255-Q1 è possibile rimuovendo i blocchi tratteggiati, come mostrato in Figura 5-2. Questo semplifica il progetto e riduce il numero di componenti sulla scheda, ottenendo quindi un progetto compatto che si adatta allo spazio ristretto di un vano motore.
Figura 5-1. Schema a blocchi del driver motore
Figura 5-2. Schema a blocchi semplificato per driver motore DRV3255-Q1
Conclusione
I sistemi di azionamento per motore a 48 V sono progettati per ridurre le emissioni di GHG nei MHEV. Come progettista di sistemi è importante progettare un sistema di azionamento per motore a 48 V ad alta potenza (da 10 kW a 30 kW), di piccole dimensioni ed a sicurezza funzionale. L’elevata corrente di azionamento del gate selezionabile, il supporto dei transitori di alta tensione, la logica di cortocircuito attiva e la conformità alla sicurezza funzionale del DRV3255-Q1 aiutano a creare un sistema di azionamento per motore MHEV a 48 V ad alta potenza, a sicurezza funzionale e di piccole dimensioni.
[/boris]
