Novi IC olajša načrtovanje 48 V / 12 V avtomobilskih sistemov z dvojnimi akumulatorji
Analog Devices, Inc.
Avtor: Tony Armstrong
2020_285_13
Prihodnost 48 V / 12 V avtomobilskih baterijskih sistemov je takoj za vogalom. Večina večjih proizvajalcev avtomobilov po vsem svetu že nekaj let dela na dokazovanju svojih sistemov in očitno je, da bo njihovo izvajanje razmeroma blizu. To je nujen in ključen korak na dolgi in naporni poti do popolnoma avtonomnega potniškega vozila, ki ne potrebuje človeka pri nadzoru in ima resnično avtonomno vožnjo. Kljub temu to še ne pomeni, da bo 12 V baterija izginila; V obstoječih vozilih je preveč starih sistemov, da bi se to lahko zgodilo. To pomeni, da bodo avtonomni avtomobili imeli tako 12 V kot 48 V baterijo.
To dejstvo pomeni, da bodo notranji sistemi vozil delovali na 48 V litij-ionsko (Li-Ion) baterijo ali na 12 V zaprto SLA-baterijo – vendar ne na obe hkrati. Kljub temu, da poleg teh dveh baterij zaradi ustrezne kemije obstajata dve ločeni polnilni vezji, mora obstajati tudi mehanizem, ki omogoča, da se polnjenje dogaja med njima, ne da bi pri tem poškodovali akumulatorje ali kateri koli sistem znotraj vozila. Še več, ker imamo dve bateriji tudi to omogoča redundanco v primeru, če ena izmed njiju odpove med delovanjem.
-
- Slika 1: Avtomobile nove generacije bosta napajali 12 V in 48 V bateriji
-
- Slika 2: LT8228 konfiguriran v poenostavljenem dvosmernem rezervnem sistemu akumulatorja
Čeprav to zagotovo otežuje zasnovo različnih električnih podsistemov v vozilih, je treba povedati tudi nekaj prednosti. Po mnenju nekaterih proizvajalcev avtomobilov električni sistem na osnovi 48 V povzroči 10 – 15-odstotni boljši izkoristek goriva kot pri vozilih z motorjem z notranjim zgorevanjem in s tem zmanjša emisije CO2. Poleg tega bodoča vozila, ki uporabljajo dvojni 48 V / 12 V sistem, inženirjem omogočajo, da vključijo električno ojačevalno tehnologijo, ki deluje neodvisno od obremenitve motorja in s tem izboljša zmogljivosti pospeška. Takšni kompresorji so že v naprednih fazah razvoja in bodo nameščeni med indukcijskim sistemom in med hladilnikom, pri čemer 48V napajalnik krmili turbo polnilnike.
Predpisi o varčevanju z gorivom po vsem svetu se zaostrujejo, medtem ko se sposobnost avtonomne vožnje s povezljivostjo še naprej širi v nove avtomobile. V skladu s tem je 12 V avtomobilski električni sistem dosegel mejo uporabne moči. Samodejno je, kot da teh sprememb že ni dovolj, prišlo do občutnega povečanja avtomobilskih elektronskih sistemov. Te spremembe, skupaj s povezanimi zahtevami po moči, so ustvarile nov spekter inženirskih priložnosti. Jasno je, da je 12-voltni avtomobilski sistem s svinčevo baterijo in mejo moči 3 kW treba dopolniti.
Poleg tega obstajajo novi avtomobilski standardi, ki vplivajo na delovanje teh sistemov. Na novo predlagani avtomobilski standard, znan kot LV 148, kombinira sekundarni 48 V vodilo z obstoječim avtomobilskim 12 V vodilom. 48 V vodilo vključuje integriran zaganjalni generator (ISG) ali generator zaganjalnika jermena, 48 V Li-ionsko baterijo in dvosmerni DC-DC, ki lahko iz 48 V in 12 V baterij odda desetine kilovatov razpoložljive energije. Ta tehnologija je namenjena običajnim avtomobilom z notranjim zgorevanjem, pa tudi hibridnim električnim in blagim hibridnim vozilom, saj si avtomobilski proizvajalci prizadevajo doseči vse strožje cilje glede emisij CO2.
Nove močnostne rešitve za 48 V/12 V sisteme baterij
Ta novi standard zahteva, da 12 V vodilo neprekinjeno napaja sisteme za vžig, razsvetljavo, zabavo in avdio sisteme. Medtem ko bo 48 V vodilo poganjalo sisteme šasije, kompresorje za klimatsko napravo, nastavljivo vzmetenje, električne superpolnilnike, turbo polnilnike in celo regenerativno zaviranje.
Vgradnja dodatnega 48 V napajalnega omrežja v vozila ne bo ostala brez vpliva. Vpliv bodo čutile elektronske krmilne enote (ECU), ki bodo morale svoj obseg delovanja prilagoditi višji napetosti. To bo zahtevalo, da bodo morali tudi proizvajalci DC-DC pretvornikov vpeljati specializirane ICje, da bodo omogočili ta prenos velike moči.
Skladno s tem je skupina Analog Devices Power by LinearTM (PbL) zasnovala in razvila nekaj DC-DC pretvornikov, ki omogočajo ta prenos energije z zelo visoko učinkovitostjo z namenom ohranitve energije, hkrati pa minimizirajo termalne aspekte.
Jasno je, da je potreben dvosmerni DC-DC pretvornik navzgor/navzdol, ki se nahaja med baterijami 12 V in 48 V. Takšne pretvornike je mogoče uporabiti za polnjenje ene od baterij in hkrati omogočiti obema akumulatorjema zagotavljanje toka z isto obremenitvijo, če je to potrebno v sistemu.Zgodovinsko gledano so te zasnove DC-DC pretvornikov za dve bateriji 48 V / 12 V uporabljale različne močnostne komponente za povečanje in zmanjšanje napetosti.
Vendar pa je skupina ADI PbL pred kratkim predstavila LT8228, dvosmerni DC-DC krmilnik, ki za iste stopnje pretvorbe uporablja enake zunanje napajalne komponente za pretvorbo navzgor ali navzdol.
LT8228, kot je prikazano na sliki 2, je 100 V dvosmerni sinhronski krmilnik s konstantnim tokom ali konstantno napetostjo z neodvisnimi kompenzacijskimi vezji. Smer pretoka moči samodejno določi LT8228 ali pa ga zunanje nadzorujemo. Vhodni in izhodni zaščitni MOSFETi ščitijo pred negativnimi napetostmi, nadzorujejo previsoke vhodne tokove in omogočajo izolacijo med sponkami v pogojih napake, kot je kratek stik MOSFETa. V načinu pretvorbe navzdol zaščitni MOSFET na priključku V1 preprečuje povratni tok. V načinu pretvorbe navzgor isti MOSFET uravnava izhodni previsok tok in se zaščiti z odklopnikom, ki vsebuje nastavljivi timer.
Poleg tega LT8228 ponuja dvosmerno omejitev vhodnih in izhodnih tokov ter neodvisno spremljanje toka. LT8228ju se lahko vzporedno dodat ali odvzame dodaten LT8228 zaradi zagotavljanja delitev toka, ki je neobčutljivo na napake brez nadzornega vezja. Notranja in zunanja diagnostika ter poročanje o napakah sta na voljo preko priključkov za sporočanje napak. LT8228 uporablja TSSOP ohišje z 38 priključki.
LT8228 je 100 V dvosmerni sinhroni krmilnik z načinom vršnjega toka in zaščitnimi MOSFETi. Krmilnik zagotavlja izhodno napetost v režimu navzdol, V2, od vhodne napetosti, V1, ko je v buck načinu ali v načinu navzgor, V1, od vhodne napetosti, V2. Vhodno in izhodno napetost lahko nastavite do 100 V. Način delovanja je zunanje krmiljen preko DRXN priključka ali če je izbrano samodejno. Poleg tega ima LT8228 zaščitne MOSFETe za V1 in V2 priključke. Zaščitni MOSFET-ji zagotavljajo zaščito pred negativno napetostjo, izolacijo med vhodnimi in izhodnimi sponkami med notranjo ali zunanjo napako, zaščito pred povratnim tokom in nadzor nad vhodnim tokom. V aplikacijah, kot so rezervni sistemi za akumulatorje, dvosmerna funkcija omogoča polnjenje akumulatorja bodisi z višjo ali nižjo napetostjo. Kadar napajanje ni na voljo, baterija povečuje ali povrne energijo napajanju.
Za optimizacijo odziva na prehodne pojave ima LT8228 dva ojačevalnika napak: EA1 v načinu navzgor in EA2 v načinu navzdol z ločenimi kompenzacijskimi priključki VC1 oziroma VC2. Krmilnik deluje v načinu neprekinjene prevodnosti, ko zazna povratni tok skozi tuljavo za pogoje, kot je delovanje nizke obremenitve. LT8228 ponuja programiranje mejnih vrednosti vhodnih in izhodnih tokov v buck in boost načinu delovanja z uporabo štirih priključkov: ISET1P, ISET1N, ISET2P in ISET2N. Krmilnik omogoča tudi neodvisno spremljanje vhodnih in izhodnih tokov s pomočjo priključkov IMON1 in IMON2. Programiranje in spremljanje mejnih vrednosti je funkcionalno za celotno vhodno in izhodno napetostno območje od 0 V do 100 V.
Poleg tega LT8228 zagotavlja brezhibno delitev izhodnega toka brez napak med več LT8228 vzporedno, kar omogoča večji tok obremenitve, boljše upravljanje toplote in redundanco. Vsak LT8228 uravnava povprečni izhodni tok, kar odpravlja potrebo po glavnem regulatorju. Ko je posamezen LT8228 onemogočen ali je v stanju napake, preneha prispevati k povprečnemu vodilu, zaradi česar je shema delitve toka tolerantna.
Dodatne funkcije vključujejo:
- Toleranca povratne napetosti: ± 0,5% nad temperaturo
- Regulacija in spremljanje trenutnega toka je dvostransko programirana
- Obsežno samotestiranje, diagnostika in poročanje o napakah
- Programirana fiksna ali sinhronizacijska stikalna frekvenca: 80 kHz do 600 kHz
- Programiran mehki zagon in omejitev dinamičnega toka
- Deljenje toka brez nadzorne naprave in neodvisno od napak
Zaključek
LT8228 prinaša novo raven zmogljivosti, nadzora in poenostavitve na 48 V / 12 V, dvojno baterijo, v DC-DC avtomobilske sisteme, kar omogoča, da se iste zunanje napajalne komponente uporabljajo za režim delovanja navzgor ali navzdol. Deluje na zahtevo v načinu buck od 48 V vodila do 12 V vodila ali v načinu boost od 12 V do 48 V. Ob zagonu avtomobila ali ko je potrebna dodatna moč, LT8228 omogoča, da obe bateriji napajata breme z energijo. To razvijalcem pretvorbe moči daje bogat dvosmerni pretvornik, ki z lahkoto konfigurira 12 V in 48 V akumulatorski sistem, kar bo potrebno za popolnoma avtonomna vozila v bližnji prihodnosti.
O avtorju
Tony Armstrong je bil direktor marketinga izdelkov za Analog Devices ‘Power by Linear. Odgovoren je bil za vse vidike izdelkov za pretvorbo in upravljanje električne energije od njihove uvedbe do zastarelosti. Preden se je pridružil podjetju ADI, je Tony zasedal različne položaje na področju trženja, prodaje in poslovanja pri Linear Technology, Siliconix Inc., Semtech Corp., Fairchild Semiconductors in Intel. Dobil je B.S. iz uporabne matematike z univerze v Manchestru, Anglija.
