Diseño de sistemas automotrices de batería dual de 48v / 12v
La mayoría de los principales fabricantes de automóviles de todo el mundo han estado trabajando para demostrar que el diseño de sistemas de energía de 48 V es un paso necesario y crucial en el largo y arduo viaje hacia el vehículo de pasajeros totalmente autónomo.
Pero esto no significa que la batería de 12V se esté agotando; Hay demasiados sistemas heredados en la base del vehículo instalado para que esto suceda, por lo que los autos autónomos tendrán sistemas de batería dual de 48V / 12V.
El desarrollo de sistemas de batería dual de 48 V / 12 V es un elemento clave para los sistemas de propulsión de los vehículos autónomos.
El hecho de que los coches autónomos estén equipados con un sistema de alimentación de CC de dos niveles 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 sellada de plomo-ácido (SLA) de 12 V— pero no ambos.
Sin embargo, además de tener dos circuitos de carga separados para estas baterías individuales debido a sus respectivas químicas, también debe existir un mecanismo que permita que la carga se mueva entre ellas sin causar ningún daño a las baterías ni a ninguno 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 genera un aumento del 10 al 15 por ciento en el ahorro de combustible para los vehículos con motor de combustión interna, lo que reduce las emisiones de CO2.
Además, los vehículos futuros 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 las 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 ahorro 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 ya suficientes, se ha producido un aumento significativo en los sistemas electrónicos de automoción. 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.
Además, existen nuevos estándares para el automóvil que afectan la forma en que deben funcionar estos sistemas. Un estándar automotriz recientemente propuesto, conocido como LV 148, combina un bus secundario de 48 V con el sistema automotriz de 12 V existente.
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 bidireccional de CC a CC, 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 objetivos de emisiones de CO2 cada vez más estrictos.
Nueva solución de energía 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. Considerando que, el bus de 48 V alimentará sistemas de chasis activos, compresores de aire acondicionado, suspensiones ajustables, sobrealimentadores eléctricos, turbos e incluso frenado regenerativo.
La implementación de una red de alimentación 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, el grupo Power by LinearTM (PbL) de Analog Devices 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.
Claramente se requiere la necesidad de un convertidor de CC a CC bidireccional reductor y elevador que vaya entre las baterías de 12 V y 48 V. Dichos convertidores podrían usarse para cargar cualquiera de las baterías y al mismo tiempo permitir que ambas baterías suministren corriente a la misma carga si es necesario en el sistema. Desde una perspectiva heredada, estos diseños iniciales de convertidores de CC a CC de 48 V / 12 V, batería dual, utilizaban diferentes componentes de potencia para aumentar y reducir el voltaje.
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 descendente.
Figura 1. LT8228 configurado en un sistema de respaldo de batería bidireccional simplificado
El LT8228, como se muestra en la Figura 1, 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 proporcionan aislamiento entre los terminales en condiciones de falla, como la conmutación de cortocircuitos del MOSFET.
En el modo de reducción, los MOSFET de protección en el terminal V1 evitan la corriente inversa. En el modo de aumento, los mismos MOSFET regulan la corriente de entrada de salida y se protegen con un disyuntor temporizador ajustable.
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 fallas e informes. 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 boost.
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 los 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 entrada.
En aplicaciones como sistemas de respaldo de batería, la función bidireccional permite que la batería se cargue con un suministro de voltaje más alto o más bajo. Cuando el suministro no está disponible, la batería aumenta o devuelve la energía al suministro.
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 la corriente del inductor inverso para condiciones tales como operación de carga ligera.
El LT8228 proporciona programación de límite de corriente de entrada y salida en modo buck y boost usando cuatro pines: ISET1P, ISET1N, ISET2P e ISET2N. El controlador también proporciona monitoreo de corriente de entrada y salida independiente usando los pines IMON1 e IMON2. La programación y el monitoreo del límite de corriente es funcional 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 sin maestro entre varios LT8228 en paralelo, lo que permite una mayor corriente de carga, 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 intercambio de corriente sea tolerante a fallas.
Las características adicionales incluyen:
- Tolerancia de voltaje de retroalimentación: ± 0.5% sobre temperatura
- Regulación y monitorización de corriente programable bidireccional
- Autoprueba, diagnósticos e informes de fallas extensos
- Frecuencia de conmutación programable fija o sincronizable: 80 kHz a 600 kHz
- Arranque suave programable y límite de corriente dinámico
- Uso compartido de corriente sin maestro y tolerante a fallas
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 dual, al permitir que los mismos componentes de alimentación externos se utilicen para fines de reducción y aumento. Funciona bajo demanda en modo reductor desde el bus de 48 V al bus de 12 V o en modo boost 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 baterías de 12 V y 48 V, que serán necesarios para los vehículos totalmente autónomos del futuro cercano.