Nuovo controllore bidirezionale dc-dc 12V-12V per sistemi ridondanti a doppia batteria per automotive

La rivoluzione dell’auto a guida autonoma sta raggiungendo nuovi traguardi e lo si percepisce ovunque.  Le aziende automotive stanno organizzando joint-venture con i giganti dell’high-tech, quali Google e Uber, e con importanti start-up per sviluppare veicoli autonomi di nuova generazione, che cambieranno le nostre strade e autostrade, ponendo le basi per le smart city del futuro. Per accelerare tale sviluppo, stanno sfruttando innovazioni tecnologiche quali machine learning, Internet of Things (IoT) e cloud computing. Più precisamente, i veicoli autonomi contribuiranno alla rivoluzione industriale già innescata dai popolari servizi di ridesharing, quali Uber e Lyft. Le tessere del mosaico si stanno componendo per creare un mondo in cui i veicoli intelligenti e autonomi diventino il futuro dei trasporti.

Introduzione

Prima o poi, per raggiungere un certo livello di autonomia, tutte le vetture a guida autonoma saranno dotate di sensori, telecamere, radar, GPS ad alte prestazioni, sistemi LIDAR (light detection and ranging), intelligenza artificiale (AI) e machine learning. Connettività all’IoT sicura e scalabile, data management e soluzioni cloud sono componenti altrettanto importanti, perché forniscono una base resiliente e prestazioni elevate sulle quali raccogliere, gestire e analizzare i dati dei sensori.

L’avvento del veicolo connesso ha implicazioni sociali di vasta portata, dai benefici ambientali alla sicurezza aumentata. Avere meno automobili in strada significa anche ridurre i gas che generano l’effetto serra, consentendo un minore consumo energetico e una migliore qualità dell’aria.

Sia per le auto a guida autonoma sia per le reti stradali intelligenti, telemetria endpoint, smart software e cloud costituiscono fattori di abilitazione essenziali. Le telecamere e i sensori a bordo dei veicoli a guida autonoma raccolgono una grandissima quantità di dati, che devono essere elaborati in tempo reale, per mantenere la vettura nella corsia appropriata e poterla guidare in sicurezza fino a destinazione.

Il networking basato su cloud e la connettività sono componenti altrettanto importanti. I veicoli a guida autonoma saranno dotati di sistemi di bordo che supporteranno le comunicazioni machine-to-machine, consentendo loro di apprendere da altri veicoli su strada per poter eseguire aggiustamenti che tengano conto delle variazioni meteorologiche e delle deviazioni per lavori in corso e detriti sulla carreggiata. Algoritmi avanzati e sistemi di deep learning sono essenziali per garantire che le vetture a guida autonoma possano adattarsi velocemente e automaticamente agli scenari in evoluzione.

Al di là dei componenti specifici, quali scalabilità dell’infrastruttura di cloud computing e gestione intelligente dei dati, nei sistemi “mission critical” è necessaria la ridondanza, fonti d’alimentazione incluse. Sono già disponibili soluzioni a batteria ridondante rilasciate in precedenza, come l’LTC3871 che lavora con due batterie aventi caratteristiche di tensione differenti, una Li-Ion da 48 V e una batteria piombo-acido da 12 V. Tuttavia, la maggior parte di queste soluzioni preesistenti non fornisce ridondanza per tensioni di batteria identiche, come per due accumulatori da 12 V, 24 V o 48 V.

Chiaramente è necessario un convertitore dc-dc buck-boost bidirezionale che possa operare tra due batterie a 12 V. Un convertitore dc-dc di questo genere dovrebbe essere utilizzato per caricare entrambe le batterie e permettere che le medesime forniscano corrente allo stesso carico. Inoltre, in caso di guasto di una di queste batterie è necessario identificarla e isolarla rispetto all’altra, di modo che quest’ultima continui a fornire alimentazione al carico senza alcuna interruzione. La recente introduzione del controllore bidirezionale dc-dc  LT8708 di Analog Devices svolge questa funzione critica, permettendo il collegamento di due batterie della stessa tensione.

Soluzione con un solo IC bi-direzionale

L’LT8708 è un regolatore switching buck-boost bidirezionale con un livello di efficienza del 98%, in grado di operare tra due batterie della stessa tensione, ideale per sistemi ridondanti per vetture a guida autonoma: può funzionare da una tensione di ingresso che si trova sopra, sotto o allo stesso livello di quella d’uscita, rendendolo adatto a due batterie da 12 V, 24 V o 48 V, comunemente impiegate in veicoli elettrici e ibridi. L’LT8708 funziona interposto tra le due batterie e previene lo spegnimento del sistema nel caso di guasto di una delle due; può essere utilizzato anche in sistemi a doppia batteria 48 V/12 V e 48 V/24 V.

L’LT8708 utilizza un singolo induttore e funziona in un intervallo di tensione d’ingresso da 2,8 V a 80 V, generando una tensione d’uscita da 1,3 V a 80 V, fornendo una potenza di diversi kilowatt, a seconda della scelta dei componenti esterni e del numero delle fasi. Semplifica inoltre la conversione di potenza bidirezionale nei sistemi di backup batteria/condensatore, che richiedono la regolazione, sia diretta sia inversa, di VOUT, VIN, e/o IOUT, IIN,. Le sei modalità di regolazione indipendenti di questo dispositivo ne consentono l’utilizzo in numerose applicazioni.

L’LT8708-1 può essere utilizzato in parallelo all’LT8708 per aumentare potenza e numero di fasi. L’LT8708-1 funziona sempre come slave rispetto al master LT8708, può essere sincronizzato in opposizione di fase ed è in grado di fornire la stessa potenza.

È possibile collegare fino a 12 unità slave a un singolo master, con l’aumento proporzionale della potenza e della capacità di erogazione di corrente dell’intero sistema.

La corrente diretta e inversa può essere monitorata e limitata sia in ingresso al convertitore sia in uscita. Tutti i quattro limiti di corrente (diretta di ingresso, inversa di ingresso, diretta d’uscita e inversa d’uscita) possono essere impostati indipendentemente usando quattro resistenze. Tramite l’utilizzo del pin direction (DIR), il chip può essere configurato per trasferire potenza da VIN a VOUT o da VOUT a VIN, una soluzione ideale per automotive, solare, telecom e sistemi alimentati a batteria.

L’LT8708 è disponibile in package QFN da 40 pin di 5 × 8 mm. Sono disponibili tre intervalli termici di funzionamento, due da

–40°C a +125°C per i range esteso e industriale e uno automotive per alta temperatura da –40°C a +150°C. La figura 1 mostra uno schema elettrico semplificato dell’LT8708 usato come convertitore bidirezionale 12V-12V.


Figura 1: Schema semplificato di un’applicazione bidirezionale, a doppia batteria da 12 V con LT8708.

 

Soluzione completa

Lo schema blocchi in figura 2 mostra gli altri componenti, necessari per completare il circuito per la ridondanza a doppia batteria in un’applicazione automotive. Come illustrato, l’LT8708 lavora con due integrati LT8708-1 per implementare una soluzione a 3-fasi in grado di fornire fino a 60 A in entrambe le direzioni. Per applicazioni di potenza più elevata è possibile aggiungere ulteriori dispositivi LT8708-1, fino a un numero di fasi pari a 12, o anche superiore. L’AD8417 è un amplificatore bidirezionale a sense di corrente che rileva il flusso della c da-e-verso le batterie. Quando questa corrente eccede un valore predeterminato, lo switch statico NMOS di high-side dell’LTC7001 apre i MOSFET back-to-back, per isolare entrambe le batterie dal circuito.

 

Figure 2: Schema a blocchi della soluzione completa, per un sistema ridondante.

 

L’LTC6810-2 esegue il monitoraggio delle batterie al litio. La misura della tensione di ogni singola cella della batteria viene eseguita in modo accurato e con un errore complessivo inferiore a 1,8 mV; il dispositivo è anche in grado di effettuare la misura ridondante della tensione di cella. L’LTC6810-2 è dotato di interfaccia isoSPI™ per le comunicazioni a lunga distanza, ad alta velocità, con immunità RF e il supporto del funzionamento bidirezionale. Il dispositivo include anche un sistema per il bilanciamento passivo di ogni cella con controllo PWM del duty cycle.

Panoramica sul controllo

L’LT8708 fornisce una tensione d’uscita che può essere superiore, inferiore o uguale a quella di ingresso. Permette anche il monitoraggio e la regolazione bidirezionale della corrente sia all’ingresso sia in uscita. L’architettura di controllo ADI utilizza una resistenza di sense di corrente sull’induttore nelle regioni di funzionamento buck, boost o buck-boost. La corrente dell’induttore viene controllata dalla tensione sul pin VC, il quale rappresenta l’uscita combinata di sei amplificatori di errore interni, da EA1 a EA6, che possono essere utilizzati per limitare o regolare le rispettive tensioni o correnti, come illustrato in Tabella 1.

 

Amplificatore Pin Definizione
EA1 IMON_INN IIN Negativa
EA2 IMON_ON IOUT Negativa
EA3 FBIN Tensione VIN
EA4 FBOUT Tensione VOUT
EA5 IMON_INP IIN Positiva
EA6 IMON_OP IOUT Positiva

Tabella 1. Amplificatori di errore (da EA1 a EA6)

La tensione VC ha un intervallo tipico min-max di circa 1,2 V. La tensione massima VC induce il più elevato valore di corrente positiva dell’induttore, provocando il maggior trasferimento di potenza da VIN a VOUT. La tensione minima VC induce il più elevato valore di corrente negativa dell’induttore, provocando conseguentemente il maggior trasferimento di potenza da VOUT a VIN.

In un semplice esempio di regolazione di VOUT, il pin FBOUT riceve il segnale di feedback della tensione VOUT, che viene confrontato con la tensione di riferimento interna EA4. Una tensione bassa su VOUT fa salire VC, quindi, una corrente più elevata scorre in VOUT. Al contrario, un livello più alto di VOUT riduce VC, diminuendo così la corrente in VOUT o arrivando anche a prelevare corrente e potenza da VOUT.

Come citato in precedenza, l’LT8708 è anche dotato di capacità di regolazione bidirezionale della corrente sia in ingresso sia in uscita. La corrente su VOUT può essere regolata o limitata nella direzione diretta e inversa (rispettivamente EA6 e EA2). La corrente su VIN può essere altrettanto regolata o limitata nella direzione diretta e inversa (rispettivamente EA5 e EA1).

In un’applicazione comune, VOUT potrebbe essere regolato utilizzando EA4, mentre i restanti amplificatori di errore monitorano la condizione di overcurrent in ingresso o uscita oppure una situazione di undervoltage all’ingresso. In altre applicazioni, come nei sistemi di backup a batteria, è possibile caricare a corrente costante (EA6) una batteria collegata a VOUT fino a una tensione massima (EA4) e, all’occorrenza, è anche possibile invertire il processo per fornire alimentazione a ritroso verso VIN usando gli altri amplificatori di errore per regolare VIN e limitare la massima corrente. Per ulteriori informazioni su questo soggetto potete consultare le specifiche dell’LT8708.

Conclusioni

L’LT8708 porta un nuovo livello di prestazioni, controllo e semplificazione nei sistemi automotive dc-dc a doppia batteria con identica tensione. Sia utilizzandolo per il trasferimento di energia tra due fonti d’alimentazione nei sistemi ridondanti sia per il backup d’alimentazione nelle applicazioni mission critical, l’LT8708 consente agli utenti il funzionamento da due batterie o due super condensatori alla stessa tensione. Questa possibilità rappresenta, per i progettisti di sistemi automotive, un valido aiuto nel tracciare il percorso verso nuovi progressi nell’elettronica delle vetture, permettendo di essere più efficienti e sicure.

A cura di Bruce Haug

 

 

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