Bruk spesialiserte strømomformere for forbindelse mellom 12 V og 48 V-bilelektriske systemer

Med den ekstra elektronikk, motorer og aktuatorer som stadig blir lagt til kjøretøyer med forbrenningsmotor (internal combustion engine – ICE), avslører det konvensjonelle 12 V bilelektriske systemet med lukket krets sine begrensninger – et system basert på blysyre-batteri ladet av dynamo. For eksempel, ved bruk av et 12 V-system, trekker enheter med høy effekt, som elektrisk styring, en stor strøm, noe som krever større og tyngre ledningsnett. Den ekstra vekten blir betydelig i et moderne kjøretøy, som kan ha flere kilometer med kabler.

En alternativ tilnærming benytter høyere Vage-systemer for effekthungrige installasjoner, for å senke strømtilførselen og gi rom for lettere kabling. Kommersielle implementeringer har et konvensjonelt 12 V-nettverk supplert med et 48 V-system basert på litium-ionbatterier (Li-ion). 12 V-systemet brukes til utrustninger som motorstyring, belysning og sete- og dørjustering, mens 48 V-systemet tar vare på tunge krav fra funksjoner som elektrisk styring, startsystem og klimaanlegg (HVAC).

Disse hybrid-bilelektriske systemene gir økt kompleksitet – og med det – nye designutfordringer. Nøkkelen blant disse utfordringene er styring av samtidig lading og utladning av de to batterikretsene, inkludert toveis nedtransformering (buck) og opptransformering) (step-up – boost) mellom batteriene.

Denne artikkelen beskriver utviklingen av doble 12/48 V elektriske elektriske systemer og forklarer fordelene med de nye systemene. Den undersøker deretter hvordan du bruker 12/48 V toveis spenningsregulatorer fra Linear Technology og Texas Instruments for å forenkle designkompleksiteten for systemer for to spenninger. Artikkelen vurderer også fordelene med en fremtidig desentralisert kjøretøytopologi på 48 V og ser på en bussomformer fra Vicor som er egnet for et slikt system.

Utfordringen med å gå over til 12/48 V design

Overgangen til 12/48 V-systemer blir i stor grad oppmuntret av behovet for å drive enheter med høyt effektforbruk, samtidig som det sikrer at kjøretøyet fremdeles oppfyller strenge regler for økonomi og utslipp. Bryteren for omkobling fra mekanisk til elektrisk drift, for ting som styring eller superladere reduserer for eksempel dramatisk friksjonstapet, samt det forbedrer drivstofføkonomien. Ifølge enkelte bilprodusenter resulterer et 48 V elektrisk system i 10 til 15 % forbedring av drivstofføkonomi med proporsjonal reduksjon i skadelige utslipp. 12 V-siden av systemet fortsetter å være nødvendig på grunn av det store volumet av gamle enheter for 12 V som vil bli montert i biler i mange år fremover.

12/48 V-konfigurasjonen består av to separate grener: Den tradisjonelle 12 V-bussen bruker et konvensjonelt blysyrebatteri for konvensjonelle belastninger, mens 48 V-systemet, drevet av et Li-ionbatteri, støtter de tyngre lastene. Mens det er behov for to separate ladekretser for å passe til de respektive batteriers elektrokjemi, må det være en mekanisme som lar ladningen bevege seg mellom dem, uten fare for skade på verken batteri eller noen av systemene de driver. Det må også være en mekanisme for å gi ekstra effekt for den motsatte spenningsskinnen i overbelastningstilstand.

En nylig foreslått standard for bilindustri – LV 148 – beskriver kombinasjonen av 48 V-bussen med det eksisterende 12 V-systemet. 48 V-systemet har en integrert startgenerator (ISG) eller remstartgenerator og litium-ionbatteriet. Systemet er i stand til å levere flere titalls kilowatt (kW) og er rettet mot konvensjonelle biler, samt hybridelektriske og milde hybridbiler.

Å konstruere et 12/48 V-system er utfordrende fordi det krever nøye styring av strømoverføringen fra kjøretøyets 48 V-skinne til 12 V-skinnen og tilbake. Et alternativ er å bruke en nedtransformeringsomformer (buck-omformer) for nedtransformering av spenningen, mens strømoverføring i motsatt retning kan leveres med en opptransformeringsomformer (boost converter). Men, ved å designe i separate DC-til-DC-omformere tar verdifull plass på kretskortet, samt øker systemkostnadene og kompleksiteten.

En alternativ tilnærming er å bruke en enkelt, toveis nedtransformerings-/opptransformeringsomformer (buck/boost converter) for likespenning(DC–DC) plassert mellom 12 V og 48 V-batteriene. En slik omformer kan brukes til å enten lade batteriene eller la dem levere strøm til kjøretøyets forskjellige elektriske laster (figur 1).

Figur 1: En toveis strømforsyning kan brukes til å styre strøm mellom 12 V- og 48 V-kretsene til bilelektriske systemer. (Bildekilde: Texas Instruments)

Toveis strømstyringer

Strømstyringskomponenter for 12/48 V-systemer er konstruerte for å oppfylle LV 148-standarden. Dette stiller spesielt store krav for overspenning til brikkene. Standarden gjør det mulig for maksimal spenning på en 48 V skinne å nå opp til 70 V i minst 40 millisekunder, samt at systemet kan forbli funksjonelt uten tap av ytelse under en slik overspenningshendelse. For halvlederleverandører betyr dette at alt som er koblet til kjøretøyets 48 V skinne må tåle 70 V ved inngangen (pluss en sikkerhetsmargin, samt tåle det samlede kravet opp til 100 V).

Linear Technology sin LT8228, en 100 V toveis synkronstyring for opptransformering eller nedtransformering med konstant strøm eller konstant spenning (se Digi-Keys tekniske artikkel, Styring for spenning og strømmodus for PWM-signalgenerering i likespenning-til-likespenning-koblingsregulatorer (DC-to-DC switching regulators)) med uavhengig kompensasjonsnettverk, dette er et eksempel på en toveis strømforsyning som er konstruert for å oppfylle LV 148-spesifikasjonene.

Styringen tar to innganger: V₁, 24 til 54 V forsyning fra litium-ionbatteriet; og V₂, 14 V inngang fra blysyrebatteriet (figur 2). Utgangene er 48 V ved 10 ampere (A) i opptransformeringmodus (boost mode) og 14 V ved 40 A i nedtransformeringsmodus (buck mode). Brikken tåler 100 V på både innganger og utganger. Driftsmodus styres eksternt fra en mikrostyring gjennom DRXN-pinnen eller velges automatisk.

Figur 2: Den toveis strømforsyningen; Linear Technology LT8228 tilbyr opp til 100 V spenning for opptransformering eller nedtransformering og oppfyller LV 148 spesifikasjoner. (Bildekilde: Linear Technology)

Inngangs- og utgangs-MOSFET-er beskytter mot negative spenninger, kontrollerer innkoblingsstrømstøt og gir isolasjon mellom terminalene under feilforhold, for eksempel bytte av MOSFET-shorts. I nedtransformeringsmodus beskytter MOSFET-ene på V₁ (24 V til 54 V inngang) terminalen mot reversstrøm. I opptransformeringmodus regulerer de samme MOSFET-ene innkoblingsstrømstøtet på utgangsstrømmen og beskytter seg selv med en justerbar timer-automatsikring. Intern og ekstern feildiagnostikk og rapportering er tilgjengelig via dedikerte pinner.

Texas Instruments (TI) tilbyr også en LV 148-kompatibel, to-kanals toveis strømstyring med høy effekt, LM5170. Enheten styrer strømoverføringen mellom en høyspenningsport (HV-port) (koblet til 48 V litium-ionbatteri) og en lavspenningsport (LV-port) (koblet til 12 V blysyrebatteriet). Uavhengige aktiveringssignaler aktiverer hver kanal på den doble styring.

To-kanals differensialstrømfølelsesforsterkere og dedikerte kanalstrøm-monitorer oppnår typisk nøyaktighet på 1 %. De robuste 5-halvbro-portdriverne er i stand til å kontrollere parallelle MOSFET-brytere som leverer 500 watt eller mer per kanal. Styringen kan operere i avbrudds- (diskontinuerlig) modus for bedre effektivitet under lette lastforhold (se Digi-Key tekniske artikkel, Forskjellen mellom koblingsregulator med kontinuerlige og diskontinuerlige modus og hvorfor det er viktig) og det forhindrer også negativ strøm. Beskyttelsesfunksjonene inkluderer syklus-for-syklus-spenningsspissgrense, overspenningsbeskyttelse av både 48 og 12 V batteriskinnene, deteksjon og beskyttelse av MOSFET-bryterfeil og beskyttelse mot overtemperatur.

LM5170 bruker gjennomsnittsstrøm-modusstyring , noe som forenkler kompensasjonen ved å eliminere det høyre halvplan-nivået i boost-driftsmodusen og ved å opprettholde en konstant sløyfeforsterkning uavhengig av driftsvager og belastningsnivå.

Linear Technology og TI-toveis strømstyring inkluderer funksjoner som gjør utformingen av strømstyringskretser enklere i bilelektronikk med doble 12/48 V-kretser . For eksempel tillater komponentene bruk av de samme eksterne strømkomponentene, enten de transformerer opp spenningen fra ett batteri eller transformerer ned spenningen fra det andre. Dette sparer plass og kostnader, samt det forenkler kretsens kompleksitet. Valget av disse eksterne komponentene må likevel gjøres nøye.

Kretskonstruksjon for utrustningen

Valg av ekstern komponent når du bruker LT8228 (så vel som TI-enheten) følger typisk samme gode design av koblingsregulator. For eksempel, koblingsfrekvens (f. Eks_SW) og induktorverdi (L) er valgt for å optimalisere effektivitet, fysisk størrelse og pris. På samme måte som induktorens strømfølende motstand, R_SNS2, sammen med inngangsforsterkningsmotstandene, R_IN2, er valgt for induktorstrømgrense for spenningsspisser, effektivitet og strømfølingsnøyaktighet (figur 3).

Figur 3: Blokkskjema for Linear Technology LT8228, som viser eksterne komponenter som er nødvendige for en typisk utrustning. (Bildekilde: Linear Technology)

Kondensator C_DM2 er valgt for å begrense nedtransformering på inngangen og øke utgangs-rippelspenning; på samme måte som kondensator C_DM4 er valgt for å begrense opptransformeringsinngangen og utgangs-rippelspenningen. V1D-pinnen på kondensator C_DM1 ved brukes for å omgå (bypasse) støy. Dempingskondensatorene C_V1 og C_V2 er valgt med sin ekvivalente seriemotstand (ESR)-verdi, konstruert for å redusere resonans på grunn av seriekabelinduktans koblet til henholdsvis V₁ og V₂.

Kompensasjonene for reguleringsløkkene for nedtransformering- og opptransformering er valgt for å optimalisere båndbredde og stabilitet. Hvis du vil ha mer informasjon om utforming med koblingsregulator for spenning, samt styringer/kontrollere, se Digi-Keys tekniske artikler: Design-kompromisser når du velger en høyfrekvent koblingsregulator, Forstå koblingsregulatorens kontrollsløyfesvar og Bruk koblingsregulatorer med lav EMI (elektromagnetisk forstyrrelse – electromagnetic interference) for å optimalisere strømutforminger med høy effekt.

Etter å ha valgt komponenter for å oppfylle gode konstruksjonsprinsipper for en vekslingsregulatordesign, er det noen komponentvalg som er spesielt nødvendige for å oppfylle kravene i en toveis 12/48 V bilutrustning.

For eksempel øker LT8228-ens nedtransformering-strømgrense, opptransformerings-strømgrense og V₂-strømovervåking er innstilt av henholdsvis R_SET2P, R_SET2Nog R_MON2-motstandene. Deretter velges V₁-strømfølende motstand, R_SNS1 (øverst til venstre i skjema), sammen med inngangsforsterkningsmotstandene R_IN1, de velges for å optimalisere effektivitet og nøyaktighet for strømføling.

LT8228 bruker den samme induktoren både for operasjonene til modusene for nedtransformering og opptransformering. I nedtransformeringsmodus er induktorstrømmen V2-utgangstrømmen, og i opptransformeringmodus er induktorstrømmen V2-inngangsstrømmen. Maksimal induktorstrøm i hver modus kan beregnes utifra ligning 1 og 2:

Ligninger 1 og 2

Der:

ƒ = koblingsfrekvens

L = valgt induktorverdi

I_{V2P (LIM)} = nedtransformeringsmodus V₂ utgangsstrøm-grense

I_{V2N (LIM)} = opptransformeringmodus V₂ inngangsstrøm-grense

Spenningsspisser på induktoren må være minst 20 til 30 % over den høye maksimale induktorstrømmen i nedtransformerings- og opptransformeringmodusen. Dette sikrer at den maksimale gjennomsnittlige strømreguleringen ikke påvirkes av grensen for induktorstrømspisser i noen av driftsmodusene. Induktorstrømmen blir registrert ved å bruke R_SNS2 som er plassert i serie med induktoren. Spissen på induktorstrømmen I_{L (PEAK)} blir oppdaget når I_CSA2 når 72,5 mikroampere (µA) (typisk).

Høy R_SNS2 (øverst til høyre) verdier forbedrer strømfølingsnøyaktighet mens lav R_SNS2-verdier forbedrer effektiviteten. Konstruktøren må velge verdien for R_SNS2 slik at inngangs-forsyningsspenningen for C_SA2 ikke påvirker gjeldende strømfølingsnøyaktighet, mens du minimerer strømtapet over induktoren. En anbefalt spenning over R_SNS2 ved spissen på induktorstrømmen er mellom 50 og 200 millivolt (mV).

Da må designeren velge R_IN2 for å angi grensen for spissen på induktorstrømmen i henhold til følgende formel:

Ligning 3

Etter å ha stilt inn strømspiss-grensen for induktorstrømmen, innstilles grensen for opptransformeringsstrømmen, nedtransformeringsstrømmen og V₁ strømmonitoren av henholdsvis R_SET1N, R_SET1P, og R_MON1-motstandene. Kondensatorer parallelt med R_SET-motstander velges for å sette strømgrensene til gjennomsnittsstrømmen for strømfølende motstander.

Reguleringspenning og overspenningsterskler for V1D (den regulerte utgangen i opptransformeringmodus) og V2D (regulert utgang i nedtransformeringsmodus) settes ved å velge resistive spenningsdelere til FB1- og FB2-pinnene. Underspenningsterskelen til V₁ og V₂ settes ved å velge de resistive spenningsdelere til UV1- og UV2-pinnene.

LT8228 sin utvendige krets krever også seks effekt-MOSFET-er (figur 4). Disse må velges ut fra hensyn til effektivitet og fordeling. De medfølgende Schottky-diodene (D2 og D3) er valgfrie og må velges ut fra effektivitetshensyn.

Figur 4: LT8228 krever seks eksterne N-kanals-MOSFET-er: V₁ beskyttelse-MOSFET-er M1A og M1B, V2-beskyttelse-MOSFET-er M4A og M4B, koblingstopp-MOSFET-M2, og koblingsbunn-MOSFET-M3. (Bildekilde: Linear Technology)

Når LT8228 opererer i nedtransformeringsmodus, er det å bytte MOSFET-M2-hovedsvitsj og MOSFET-M3 er den synkrone koblingen; V1D (noden som skal reguleres av opptransformeringsregulatoren og som ligger rett over og til venstre for DG1-styringen i figur 3) er inngangsspenningen og V2D (noden som skal reguleres av nedtransformeringsomformeren, øverst til høyre i figur 3 – bare til venstre for nedtransformerings-MOSFET-ene) er den regulerte nedtransformerte utgangsspenningen. I opptransformeringmodus blir situasjonen snudd – med M3 som hovedsvitsj og M2, den synkrone bryteren, med V2D som inngangsspenning, og V1D som utgangsspenning.

I løpet av avsvitsjingstiden (switching “off” time) vil svitsjing av MOSFET-ene, M2 og M3, bli utsatt for maksimal inngangsspenning (pluss eventuell tilleggsringing på bryternoden) over deres utløp (drain) til kilde. Dette gjør den viktigste parameteren når du velger koblings-MOSFET-er i høyspenningsutrustninger til gjennombruddsspenning (breakdown voltage) (BV)_DSS).

Konstruktøren må også ta i betraktning MOSFET-enes effekttap. Overdreven avledning påvirker systemeffektiviteten og kan føre til overoppheting som skade MOSFET-ene. Nøkkelparametrene når du bestemmer effekttap er på-motstand (motstand i påslått tilstand) (R_DS(ON)), inngangsspenning, utgangsspenning, maksimal utgangsstrøm og Miller-kapasitans (Millereffekt) (C_MILLER).

Eliminere 12 V-batteriet

Modenheten og påliteligheten til det 12 V-systemet som er basert på blysyrebatteri, betyr at det ikke forsvinner med det første. Men bilprodusentene jobber allerede med systemer for nye biler som kjører alt fra 48 V (bruker batterier som gir alt fra 48 til 800 V). Slike systemer benytter ikke-isolerte og toveisomformere som er i stand til å håndtere flere kilowatt effekt, samt forsyne strøm til både konvensjonelle 12 V elektriske apparater og enhetene for høyere spenning.

Et eksempel på en slik omformer er Vicor sin NBM2317S60E1560T0R, en høyeffektiv uisolert omformer som drives av en spenningsbuss på mellom 38 V til 60 V på høy-siden for å levere en spenning på 9,5 V til 15 V på lav-siden. Enheten har en maksimal kontinuerlig utgangseffekt på 800 W med maksimal effekt på opptil 1 kW. I nedtransformeringsdrift er utgangsstrømmen; 60 A kontinuerlig og 100 A forbigående. I opptransformeringsdrift er tallene; 15 A kontinuerlig og 25 A forbigående. Enhetens effekttetthet er 274 watt per centimeter kubikk (watt/cm³). Spiss-ffektiviteten er spesifisert som 97,9 %.

Enheten måler 23 x 17 x 7,5 millimeter og tar mindre plass enn langsommere kobling (sub 1 MHz). Antallet eksterne komponenter som trengs er redusert fordi omformeren ikke trenger noen eksterne filtre eller bulkkondensatorer. Det er heller ikke noe krav til utskiftning under drift eller begrensning av innkoplingsstrømstøt.

En måte å implementere en 12/48 V-arkitektur drevet fra et enkelt 48 V-batteri er en sentralisert topologi. Denne topologien er avhengig av en toveiskonverter med stor kapasitet. Et slikt system har flere ulemper, dette inkluderer termiske utfordringer med varmestyring, mangel på innebygd redundans, samt kostnader og vekt på utvidede ledningsnett som er nødvendige for installasjoner med med lav spenning (12 V), kombinert med høy strøm.

Vicor-enheten er konstruert for å løse disse problemene ved å tilrettelegge for en desentralisert arkitektur for et 12/48 V elektrisk system. Redundans er innebygd ved bruk av flere omformere og 12 V ledningsnett kan bli forkortet og dermed gjort mye lettere. I tillegg blir den utfordringen med varmestyring betydelig redusert. For eksempel, i et sentralisert system vil en enkelt omformer som leverer 3 kW effekt og kjører med 95 % effektivitet, måtte avlede 150 watt – stort sett som varme. Til sammenligning vil hver av omformerne i et distribuert system bestående av fire enheter som produserer 750 watt med 95 % effektivitet, avlede 37,5 watt. Mens de totale tapene forblir de samme, reduseres temperaturen på hver omformer betydelig (figur 5).

Figur 5: Høyeffektive DC-til-DC-omformere, som Vicor sin NBM2317S60E1560T0R muliggjør et 12/48 V-elektrisk system som er drevet fra ett enkelt 48 V batteri. I den desentraliserte topologien som er vist her, er det utfordringene med varmestyring forenklet og ledningene til 12 V holdes korte, noe som reduserer vekten. (Bildekilde: Vicor)

Vicor har gjort livet enklere for designere som ønsker å eksperimentere med 12/48 V systemdesign ved å introdusere evalueringskortet NBM2317D60E1560T0R for NBM2317 sine linje-IC-er. Kortet er forhåndskonfigurert i en nedtransformerings-topologi med 38 V til 60 V-inngang og én enkelt 13,5 V-uisolert utgang.

Konklusjon

Etter hvert som elektriske systemer i moderne kjøretøy utbrer seg, spøker det for eksistensen for det tradisjonelle 12 V-elektriske systemet. Innføringen av et 48 V-systemalternativ gir høyere effekt til å betjene systemer som elektrisk styring og superlading, samtidig som vekten og kostnadene for ledningsnett reduseres.

Imidlertid er det upraktisk å bytte til et enkelt 48 V-system på kort sikt, på grunn av volumet av gamle 12 V-produkter som brukes i kjøretøy. Løsningen er å ha 12 V og 48 V systemer sammen – med hvert sitt batteri.

Styring av strøm og lading av disse forskjellige spenningssystemene kan være kompleks hvis separate DC-til-DC-omformere brukes for hvert system. Innføringen av toveis DC-til-DC-omformere – som kan fungere som en bro mellom 12 og 48 V-systemene – forenkler design, reduserer kostnadene og oppmuntrer til adopsjon til rimeligere biler.

Anbefalt lesing:

1. Styring for spenning og strømmodus for PWM-signalgenerering i likespenning-til-likespenning-koblingsregulatorer (DC-to-DC switching regulators)
2. Forskjellen mellom koblingsregulator med kontinuerlige og diskontinuerlige modus og hvorfor det er viktig
3. Design-kompromisser når du velger en høyfrekvent koblingsregulator
4. Forstå koblingsregulatorens kontrollsløyfesvar
5. Bruk koblingsregulatorer med lav EMI for å optimalisere høyeffektive strømkonstruksjoner