El nuevo IC facilita el diseño de sistemas automotrices de batería dual de 48 V/12 V

Introducción

El futuro de los sistemas de baterías de 48 V/12 V en automóviles está a la vuelta de la esquina. La mayoría de los principales fabricantes de automóviles de todo el mundo han estado trabajando para probar sus sistemas durante los últimos años y es evidente que su implementación será relativamente próxima. Este es un paso necesario y crucial en el largo y arduo viaje hacia el vehículo de pasajeros completamente autónomo que no requiere un ser humano a los controles y tiene una verdadera conducción autónoma. Sin embargo, esto no significa que la batería de 12 V desaparezca; hay demasiados sistemas heredados en la base de vehículos instalada para que esto ocurra. Esto significa que los coches autónomos tendrán tanto una batería de 12 V como una batería de 48 V.

Figura 1. Los automóviles de próxima generación serán alimentados por una batería de 12 V y una de 48 V.

Este hecho significa que los sistemas internos de los vehículos funcionarán con la batería de iones de litio (Li-Ion) de 48 V o con la batería de plomo-ácido sellada (SLA) de 12 V, pero no con ambas. Sin embargo, además de tener dos circuitos de carga separados para estas baterías individuales debido a sus respectivas químicas, también debe haber un mecanismo que permita que la carga se mueva entre ellas sin causar ningún daño a las baterías o a cualquiera de los sistemas dentro del vehículo. Además, tener dos baterías también permite la redundancia en caso de que una de ellas falle durante el funcionamiento.

Si bien esto ciertamente complica el diseño de los diversos subsistemas eléctricos dentro de los vehículos, se pueden obtener algunas ventajas. Según algunos fabricantes de automóviles, un sistema eléctrico basado en 48 V da como resultado una ganancia del 10 % al 15 % en el ahorro de combustible para los vehículos con motor de combustión interna, lo que reduce el CO2 emisiones Además, los futuros vehículos que utilicen un sistema dual de 48 V/12 V permitirán a los ingenieros integrar la tecnología de refuerzo eléctrico que funciona independientemente de la carga del motor, mejorando así el rendimiento de la aceleración. Dichos compresores ya se encuentran en etapas avanzadas de desarrollo y se colocarán entre el sistema de inducción y el intercooler, utilizando el riel de 48 V para hacer girar los turbos.

A nivel mundial, las regulaciones de economía de combustible se han endurecido, mientras que la capacidad de conducción autónoma con conectividad continúa proliferando en los automóviles nuevos. En consecuencia, el sistema eléctrico del automóvil de 12 V ha alcanzado su límite de potencia utilizable. Simultáneamente, como si estos cambios no fueran suficientes, ha habido un aumento significativo en los sistemas electrónicos automotrices. Estos cambios, junto con las demandas de energía relacionadas, han creado un nuevo espectro de oportunidades de ingeniería. Claramente, el sistema automotriz de batería de plomo-ácido de 12 V con su límite de potencia de 3 kW debe complementarse.

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Además, existen nuevos estándares de automóviles que afectan la forma en que estos sistemas deben funcionar. Un estándar automotriz recientemente propuesto, conocido como LV 148, combina un bus secundario de 48 V con el sistema automotriz existente de 12 V. El riel de 48 V incluye un generador de arranque integrado (ISG) o un generador de arranque por correa, una batería de iones de litio de 48 V y un convertidor de CC a CC bidireccional, que puede entregar decenas de kilovatios de energía disponible de los 48 V y 12 baterías V. Esta tecnología está dirigida a automóviles convencionales de combustión interna, así como a vehículos híbridos eléctricos e híbridos suaves, ya que los fabricantes de automóviles se esfuerzan por cumplir con las normas de CO cada vez más estrictas.2 objetivos de emisiones.

Nueva solución de alimentación para sistemas de baterías de 48 V/12 V

Este nuevo estándar requiere que el bus de 12 V alimente continuamente los sistemas de encendido, iluminación, infoentretenimiento y audio. Mientras que el autobús de 48 V impulsará sistemas de chasis activos, compresores de aire acondicionado, suspensiones ajustables, sobrealimentadores eléctricos, turbos e incluso frenado regenerativo.

La implementación de una red de suministro adicional de 48 V en los vehículos no deja de tener un impacto significativo. Las unidades de control electrónico (ECU) se verán afectadas y deberán ajustar su rango operativo al voltaje más alto. Esto requerirá que los fabricantes de convertidores de CC a CC también necesiten introducir circuitos integrados especializados para permitir esta transferencia de alta potencia.

En consecuencia, Power by Linear de Analog Devices (PbL) Group ha diseñado y desarrollado algunos convertidores de CC a CC que pueden permitir esta transferencia de energía con una eficiencia muy alta para conservar energía y al mismo tiempo minimizar los aspectos de diseño térmico.

La necesidad de un convertidor de CC a CC reductor y elevador bidireccional que vaya entre las baterías de 12 V y 48 V es claramente necesaria. Dichos convertidores podrían usarse para cargar cualquiera de las baterías mientras que simultáneamente permiten que ambas baterías suministren corriente a la misma carga si se requiere en el sistema. Desde una perspectiva heredada, estos diseños iniciales de convertidores de CC a CC de batería doble de 48 V/12 V usaban diferentes componentes de alimentación para aumentar y reducir el voltaje.

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Sin embargo, el grupo PbL de ADI presentó recientemente el LT8228, un controlador bidireccional de CC a CC que utiliza los mismos componentes de alimentación externos para la conversión ascendente que para la conversión reductora.

El LT8228, como se muestra en la Figura 2, es un controlador reductor o elevador síncrono de corriente constante o voltaje constante bidireccional de 100 V con redes de compensación independientes. La dirección del flujo de energía la determina automáticamente el LT8228 o se controla externamente. Los MOSFET de protección de entrada y salida protegen contra voltajes negativos, controlan las corrientes de irrupción y brindan aislamiento entre terminales en condiciones de falla, como la conmutación de cortocircuitos MOSFET. En el modo reductor, los MOSFET de protección en el terminal V1 evitan la corriente inversa. En el modo de incremento, los mismos MOSFET regulan la corriente de irrupción de salida y se protegen con un disyuntor de temporizador ajustable.

Figura 2. LT8228 configurado en un sistema de respaldo de batería bidireccional simplificado.

Además, el LT8228 ofrece un límite de corriente de entrada y salida bidireccional, así como un control de corriente independiente. El intercambio de corriente tolerante a fallas y sin maestro permite agregar o restar cualquier LT8228 en paralelo mientras se mantiene la precisión del intercambio de corriente. Los diagnósticos e informes de fallas internas y externas están disponibles a través de los pines de falla e informe. El LT8228 utiliza un paquete TSSOP de 38 derivaciones.

El LT8228 es un controlador síncrono de modo de corriente pico bidireccional de 100 V con MOSFET de protección. El controlador proporciona un voltaje de salida reductor, V2, desde un voltaje de entrada, V1, cuando está en modo reductor o un voltaje de salida elevador, V1, desde un voltaje de entrada, V2, cuando está en modo elevador. El voltaje de entrada y salida se puede configurar hasta 100 V. El modo de operación se controla externamente a través del pin DRXN o se selecciona automáticamente. Además, el LT8228 tiene MOSFET de protección para las terminales V1 y V2. Los MOSFET de protección brindan protección contra voltaje negativo, aislamiento entre los terminales de entrada y salida durante una falla interna o externa, protección contra corriente inversa y control de corriente de irrupción. En aplicaciones tales como sistemas de respaldo de batería, la función bidireccional permite que la batería se cargue desde un suministro de voltaje más alto o más bajo. Cuando el suministro no está disponible, la batería aumenta o devuelve energía al suministro.

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Para optimizar la respuesta transitoria, el LT8228 tiene dos amplificadores de error: EA1 en modo boost y EA2 en modo buck con pines de compensación separados VC1 y VC2, respectivamente. El controlador opera en modo de conducción discontinua cuando se detecta corriente inversa en el inductor para condiciones tales como operación con carga liviana. El LT8228 proporciona programación de límite de corriente de entrada y salida en operación de modo reductor y elevador usando cuatro pines: ISET1P, ISET1N, ISET2P e ISET2N. El controlador también proporciona monitoreo de corriente de entrada y salida independiente utilizando los pines IMON1 e IMON2. La programación y el monitoreo del límite de corriente son funcionales para todo el rango de voltaje de entrada y salida de 0 V a 100 V.

Además, el LT8228 proporciona un intercambio de corriente de salida tolerante a fallas y sin maestro entre múltiples LT8228 en paralelo, lo que permite una corriente de carga más alta, una mejor gestión del calor y redundancia. Cada LT8228 regula la corriente de salida promedio, eliminando la necesidad de un controlador maestro. Cuando un LT8228 individual está deshabilitado o en una condición de falla, deja de contribuir al bus promedio, lo que hace que el esquema de distribución de corriente sea tolerante a fallas.

Las características adicionales incluyen:

  • Amplio rango de tensión de entrada y salida de hasta 100 V
  • Tolerancia de voltaje de retroalimentación: ±0.5% sobre temperatura
  • Regulación y monitoreo de corriente programable bidireccional
  • Amplia autocomprobación, diagnósticos e informes de fallas
  • Frecuencia de conmutación programable fija o sincronizable: 80 kHz a 600 kHz
  • Arranque suave programable y límite de corriente dinámico
  • Uso compartido de corriente tolerante a fallos y sin maestro

Conclusión

El LT8228 brinda un nuevo nivel de rendimiento, control y simplificación a los sistemas automotrices de CC a CC de 48 V/12 V, batería doble, al permitir que se usen los mismos componentes de alimentación externos para propósitos de reducción y aumento. Funciona bajo demanda en modo reductor del bus de 48 V al bus de 12 V o en modo elevador de 12 V a 48 V. Al arrancar el automóvil o cuando se requiere energía adicional, el LT8228 permite que ambas baterías suministren energía simultáneamente al misma carga. Esto brinda a los diseñadores de conversión de energía un convertidor bidireccional rico en funciones que puede configurar fácilmente sistemas de batería de 12 V y 48 V, que serán necesarios para los vehículos totalmente autónomos del futuro cercano.

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