Använd specialiserade kraftomvandlare för att överbrygga det dubbla gapet mellan 12 och 48 V i fordonssystem

Med all elektronik, motorer och styrdon som det finns allt mer av i förbränningsmotorfordon, möter konventionella fordonselsystem på 12 V med slutna kretsar — som bygger på en blysyrabatter som laddas av generatorn — sina begränsningar. I exempelvis ett 12 V-system drar effekttunga förbrukare som servostyrning mycket ström, vilket kräver kraftigare, tyngre kabelknippen. Den extra vikten blir avsevärd i ett modernt fordon, som kan ha flera kilometer av ledningar.

Ett annat tillvägagångssätt använder ett system med högre spänning för effektslukande tillämpningar för att sänka strömintensiteten och möjliggöra lättare ledningar. Kommersiella implementationer har ett konventionellt 12 V-nätverk kompletterat med ett 48 V-system baserat på litiumjonbatterier (Li-ion). 12 V-systemet används för förbrukare som motorstyrning, belysning och sätes- och dörrinställning, medan 48 V-systemet tar hand om effekttunga behoven från funktioner som servostyrning, motorstart och klimatanläggning.

Dessa hybridelfordonssystem medför ökad komplexitet och med det nya konstruktionsutmaningar. Den stora utmaningen är att kunna hantera samtidig laddning och urladdning av de två batterikretsarna, inklusive dubbelriktad spänningssänkning (buck) och spänningshöjning (boost) mellan batterierna.

I denna artikel beskriver vi utvecklingen av de dubbla fordonselsystemen på 12/48 V och förklarar fördelarna med det nya systemet. Vi går sedan igenom hur man använder 12/48 V dubbelriktade spänningsregulatorer från Linear Technology och Texas Instruments för att underlätta konstruktionskomplexiteten för system med dubbla spänningar. Artikeln behandlar även fördelarna med en framtida decentraliserad fordonstopologi med endast 48 V och tittar på en bussomvandlare från Vicor som är lämpad för ett sådant system.

Utmaningen att ställa om till en konstruktion för 12/48 V

Övergången till 12/48 V-system drivs till stor del av behovet att driva komponenter med hög strömförbrukning och samtidigt säkerställa att fordonet fortfarande uppfyller stränga ekonomi- och avgasbestämmelser. Exempelvis gör övergången från mekanisk till elektrisk drivning för komponenter som styrning och laddningskompressor till att friktionsförlusterna minskar dramatiskt och bränsleekonomin förbättras. Enligt vissa fordonstillverkare medför ett 48 V elsystem 10 till 15 procents förbättring av bränsleekonomin med en proportionell minskning av skadliga avgaser. 12 V-sidan av systemet fortsätter att behövas till följd det stora antalet gamla 12 V-komponenter som kommer att monteras i bilar i flera år framöver.

12/48 V-konfigurationen består av två separata sektorer: Den traditionella 12 V-bussen använder ett konventionellt bly-syra-batteri för konventionella laster, medan 48 V-systemet, vilket drivs av ett Li-jonbatteri, bär upp tyngre laster. Det krävs två separata laddningskretsar för att passa de respektive batteriernas elektrokemi, men det behövs också en mekanism som gör det möjligt för laddningen att flytta sig mellan mellan dem utan att riskera att skada endera batteriet eller något av systemen de driver. Det behöver även finnas en mekanism som ger extra effekt till den andra spänningsnivån i ett tillstånd av överlast.

En nyligen föreslagen fordonsstandard - LV 148 - beskriver kombinationen av 48 V-bussen med befintliga fordonssystem för 12 V. 48 V-systemet inbegriper en integrerad startmotorgenerator (ISG) eller remstartgenerator och Li-jonbatteri. Systemet klarar att leverera tiotals kilowatt (kW) och är avsett för konventionella bilar likväl som hybridel- och mildhybridfordon.

Att konstruera ett 12/48 V-system är utmanande eftersom det kräver noggrann hantering av effektöverföringen från fordonets 48 V-referens till dess 12 V-referens och omvänt. Ett alternativ är att använda en buck-omvandlare för spänningssänkningen, medan effektöverföringen i motsatt riktning kan ske med en boost-omvandlare. Men att pressa in separata DC/DC-omvandlare tar upp värdefull kortyta och ökar systemets kostnader och komplexitet.

Ett alternativt tillvägagångssätt är att använda en enda, dubbelriktad buck/boost DC/DC-omvandlare som är placerad mellan 12 och 48 V-batterierna. En sådan omvandlare kan användas för att antingen ladda batterierna eller låta dem försörja fordonets olika elektriska laster (figur 1).

Figur 1: En dubbelriktad strömförsörjning kan användas för att styra effekten mellan 12 V- och 48 V-kretsarna i elektriska system för fordon. (Bildkälla: Texas Instruments)

Dubbelriktad strömstyrning

Effekthanteringskomponenter för 12/48 V-system är utformade för att uppfylla LV 148-standarden. Särskilt ställer detta högre krav på överspänningstålighet på kretsarna. Standarden gör det möjligt att med en 48 V-matning uppnå 70 V i minst 40 millisekunder, och den gör att systemet förblir funktionellt utan prestandaförluster under en sådan överspänningshändelse. För leverantörer av halvledare, betyder detta att allt som är anslutet till fordonets 48 V-nivå måste tåla 70 V på ingången (plus en säkerhetsmarginal, vilket höjer kravnivån till 100 Vs).

Linear Technologys LT8228, en 100 V dubbelriktad synkron buck- eller boostregulator för konstantström eller konstantspänning (se Digi-Keys tekniska artikel Spänning- och strömlägesstyrning för PWM-signalgenerering i switchande DC/DC-regulatorer) med ett oberoende kompensationsnätverk, är ett exempel på en dubbelriktad strömförsörjning utformad för att uppfylla specifikationerna i LV 148.

Styrenheten har två ingångar: V₁, en 24 till 54 V försörjning från Li-jonbatteri; och V₂, en 14 V ingång från bly-syra-batteri (Figur 2). Utgångarna är på 48 Vs, 10 A i boost-läge och 14 Vs, 40 A i buck-läge. Kretsen tål 100 Vs på både ingångar och utgångar. Driftläget styrs externt från en microcontroller genom DRXN-pinnen eller väljs automatiskt.

Figur 2: Linear Technologys dubbelriktade strömförsörjning LT8228 erbjuder upp till 100 V boost- eller buck-spänning och uppfyller LV 148-specifikationerna. (Bildkälla: Linear Technology)

MOSFET:arna på ingång och utgång skyddar mot negativa spänningar, reglerar rusningsströmmar och ger isolation mellan anslutningar under feltillstånd, såsom exempelvis kortslutningar på switchande MOSFET:ar. I buck-läge förhindrar de skyddande MOSFET:arna backström på V₁-kontakten (24 V till 54 V ingång). I boost-läge reglerar samma MOSFET:ar den utgående rusningsströmmen och skyddar sig själva med en justerbar timerströmbrytare. Intern och extern feldiagnostik och rapportering är tillgänglig via specifikt avsedda pinnar.

Texas Instruments (TI) erbjuder även en LV 148-uppfyllande dubbelkanalig dubbelriktad strömstyrenhet med hög prestanda LM5170. Enheten hanterar strömöverföringen mellan en högspänningsport (HV-port) (ansluten till 48 V-litiumjonbatteriet) och en lågspänningsport (LV-port) (ansluten till 12 V-blysyrabatteriet). Oberoende enable-signaler aktiverar varje kanal på den dubbla styrenheten.

Den dubbelkanaliga strömavkännande differentialförstärkarna och dedikerade kanalströmövervakarna når normalt en precision på 1 procent. De robusta gatedrivkretsarna för 5 A med halvbrygga kan driva parallella MOSFET-switchar som kan leverera minst 500 W per kanal. Styrenheten kan drivas i icke-kontinuerligt läge för förbättrad effektivitet under lätta lastförhållanden (se Digi-Keys tekniska artikel Skillnaden mellan kontinuerligt och intermittent läge i switchade spänningsregulatorer och varför det är viktigt) och den förhindrar även negativ ström. Skyddsfunktionerna omfattar toppströmgräns cykel-för-cykel, överspänningsskydd för både 48 och 12 V-batterimatning, detektering och skydd av MOSFET-switchningsfel och övertemperaturskydd.

LM5170 använder styrning i medelströmläge, vilket förenklar kompensationen genom att det eliminerar höger halvplans nolläge i boost-läge och genom att behålla en konstant loppförstärkning oavsett driftspänningar och lastnivå.

Linear Technologys och TI:s dubbelriktade strömstyrning innefattar egenskaper som gör det enklare att konstruera strömhanteringskretsar för fordonselektronik med 12/48 V-dubbelsystem. Exempelvis gör komponenterna det möjligt att använda samma externa effektkomponenter oavsett om spänningen från ena batteriet ska höjas eller spänningen från det andra ska sänkas. Detta sparar utrymme och kostnader och reducerar kretskomplexiteten. Emellertid måste valet av dessa externa komponenter göras noggrant.

Kretskonstruktion för tillämpningar

Valen av externa komponenter vid användning av LT8228 (likväl som produkten från TI) följer i stort sett samma principer som för god konstruktion av switchade spänningsregulatorer. Exempelvis väljs switchningsfrekvensen (f_SW) och induktorvärdet (L) för att optimera effektivitet, fysisk storlek och kostnad. På liknande vis väljs induktorns strömavkänningsmotstånd, R_SNS2, samt dess ingångsförstärkningsmotstånd, R_IN2, för toppinduktorströmgräns, effektivitet och precision i strömavkänningen (figur 3).

Figur 3: Blockdiagram för Linear Technologys LT8228 visar de externa komponenter som krävs för en typisk tillämpning. (Bildkälla: Linear Technology)

Kondensatorn C_DM2 är vald för att begränsa buck-ingångens och boost-utgångens rippelspänning; på liknande vis väljs kondensatorn C_DM4 för att begränsa boost-ingångens och buck-utgångens rippelspänning. Kondensatorn C_DM1 vid V1D-pinnen används för att förbikoppla bruset. Dämpningskondensatorerna C_V1 och C_V2 väljs med sitt ekvivalenta serieresistansvärde (ESR) inställt så att det reducerar resonansen till följd av serieledningsinduktans ansluten till V₁ respektive V₂.

Kompenseringarna för buck- och boost-reglerlooparna väljs för att optimera bandbredd och stabilitet. För mer läsning om att konstruera kretsar med switchade spänningsregulatorer och styrenheter, se Digi-Keys tekniska artiklar: Konstruktionskompromisser vid val av en spänningsregulator med hög frekvens, Att förstå styrloopssvar för spänningsregulatorer och Använda switchade regulatorer med låg EMI för att optimera högeffektiva effektkonstruktioner.

Efter att ha valt komponenter som uppfyller sunda konstruktionsprinciper för en switchad spänningsregulator, krävs att vissa komponenter väljs specifikt för att uppfylla kraven som ställs på fordonstillämpningar med dubbelriktad 12/48 V.

På LT8228 ställs exempelvis strömgränserna för buckutgång/boostingång och V₂-strömmätaren in med hjälp av de respektive motstånden R_SET2P, R_SET2N och R_MONO. Sedan väljs strömavkänningsmotståndet för V₁, R_SNS1 (längst upp till vänster i diagrammet), tillsammans med dess ingångsförstärkningsmotstånd R_IN1 så att effektiviteten och precisionen i strömavkänningen optimeras.

LT8228 använder samma induktor för både buck- och boost-drift. I buck-läge är induktorströmmen V2-utgångsströmmen och i boost-läget är induktorströmmen V2-ingångsströmmen. Maximal induktorström i varje läge kan beräknas med ekvationerna 1 och 2:

Ekvationer 1 och 2

Där:

ƒ = switchningsfrekvens

L = valt induktorvärde

I_V2P(LIM) = buck-läge V₂ gräns utgångsström

I_V2P(LIM) = boost-läge V₂ gräns ingångsström

Toppinduktorströmmen ska vara minst 20 till 30 % över den högre maximala induktorströmmen för buck- och boost-lägena. Detta säkerställer att den maximala medelströmregleringen inte påverkas av toppinduktorns strömgräns i båda funktionslägena Induktorströmmen känns av med hjälp av R_SNS2 som är placerad i serie med induktorn. Toppinduktorströmmen I_L(PEAK) detekteras när I_CSA2 typiskt når 72,5 µA.

Höga värden på R_SNS2 (uppe till höger) förbättrar strömavkänningsprecisionen medan låga värden på R_SNS2 förbättrar effektiviteten. Konstruktören ska välja värdet på R_SNS2 så att den ingångsrefererade offsetspänningen för C_SA2 inte påverkar strömavkänningsprecisionen, samtidigt som effektförlusten över induktorn minimeras. En rekommenderad spänning över R_SNS2 vid toppinduktorströmmen är mellan 50 och 200 mV.

Sedan måste konstruktören välja R_IN2 för att ställa in toppinduktorströmgränsen enligt följande formel:

Ekvation 3

Efter att toppinduktorns strömgräns har ställts in, sätts gränsen för utgående boostström/buckström och V₁-strömmätningen med hjälp av de respektive motstånden R_SET1N, R_SET1P och R_MONO. Kondensatorer parallella med R_SET-motstånden väljs för att sätta strömgränserna till den genomsnittliga strömmen i strömavkänningsmotstånden.

Reglerspänningarna och överspänningströsklarna för V1D (reglerad utgång i boost-läge) och V2D (reglerad utgång i buck-läge) sätts genom att välja de resistiva avdelarna till pinnarna FB1 och FB2. Underspänningströskeln för V₁ och V₂ sätts genom att välja de resistiva avdelarna till pinnarna UV1 och UV2.

De externa kretsarna till LT8228 kräver även sex effekt-MOSFET:ar (figur 4). Dessa ska väljas baserat på effektivitet och med hänsyn tagen till genombrottsspänningen. De medföljande Schottky-dioderna (D2 och D3) är kan användas vid behov och ska väljas baserat på effektivitetsöverväganden.

Figur 4: LT8228 kräver sex externa MOSFET:ar med N-kanal:V₁ skydds-MOSFET:ar M1A och M1B, V2 skydds-MOSFET:ar M4A och M4B, switch-MOSFET M2 (topp) och switch-MOSFET M3 (botten). (Bildkälla: Linear Technology)

När LT8228 körs i buck-läge, är switch-MOSFET M2 huvudswitch och MOSFET M3 synkron switch; V1D (noden som regleras av boostregulatorn och som är placerad precis ovan och till vänster om DG1-styrenheten i figur 3) är ingångsspänningen och V2D (noden som ska regleras av buck-omvandlaren, längst upp till höger i figur 3 - precis till vänster om buck-MOSFET:arna) är den reglerade buck-utgångsspänningen. I boost-läge är situationen omvänd med M3 som huvudswitch och M2 som den synkrona switchen med V2D som ingångsspänning och V1D som utgångsspänning.

Under switchningens “off”-period, kommer både switch-MOSFET M2 och M3 att utsättas för maximal ingångsspänning (plus eventuell extra utringning på switchnoden) mellan drain och source. Detta gör att den viktigaste parametern när man väljer switch-MOSFET:ar i högspänningstillämpningar är genombrottsspänningen (BV_DSS).

Konstruktören måste också ta i beaktande MOSFET:ens effektavledning. Hög effektavledning belastar systemets effektivitet och kan överhetta och skada MOSFET:ar. Nyckelparametrarna i att bestämma effektavledningen är on-resistans (R_DS(ON)), ingångsspänning, utgångsspänning, maximal utgångsström och Miller-kapacitans (C_MILLER).

Att eliminera 12 V-batteriet

Den beprövade konstruktionen och tillförlitligheten hos 12 V-system som bygger på blysyrabatterier innbär att dessa inte kommer försvinna i närtid. Men fordonstillverkare arbetar redan på system för fordon som kör allting på 48 V (med hjälp av batterier som matar någonstans från 48 till 800 V). Sådana system använder oisolerade och dubbelriktade omvandlare som klarar att hantera flera kilowatts effekt och erbjuder effekt till både konventionella 12 V-enheter och komponenter med högre spänning.

Ett exempel på en sådan omvandlare är Vicors NBM2317S60E1560T0R, en högeffektiv oisolerad omvandlare för 38 till 60 V på spänningsbussen på högsidan, för att mata ut en spänning på 9,5 till 15 V på lågsidan. Enheten erbjuder en maximal kontinuerlig uteffekt på 800 W med upp till 1 kW toppeffekt. I buck-drift, är den utgående strömstyrkan 60 A kontinuerligt och 100 A transient; i boost-drift,, är siffrorna 15 A kontinuerligt och 25 A transient. Effekttätheten för komponenten är 274 watt per kubikcentimeter (cm³). Toppeffektiviteten är specificerad till 97,9 procent.

Enheten mäter 23 x 17 x 7,5 mm, tar upp mindre yta än långsammare, switchade lösningar (under 1 MHz). Antalet externa komponenter som behövs minskar eftersom omvandlaren inte kräver externa filter eller otympliga kondensatorer. Det finns heller inga krav för byte under drift (hot swap) eller begränsning av inrusningsströmmen.

Ett sätt att implementera en arkitektur med 12/48 V som drivs från ett enda 48 V batteri är en centraliserad topologi. Denna topologi bygger på en enda dubbelriktad omvandlare med hög kapacitet. Ett sådant system har flera nackdelar, bl.a. termiska utmaningar, brist på inbyggd redundans och kostnader och vikt för de långa ledningsknippen som krävs för tillämpningar med låg spänning (12 V) och hög ström.

Vicor-komponenten är konstruerad för att hantera dessa problem genom att den möjliggör en decentraliserad arkitektur för ett elsystem på 12/48 V. Redundans är inbyggt genom att flera omvandlare används, och kabelknippena för 12 V kan förkortas och därmed göras mycket lättare. Dessutom underlättas utmaningen att hantera de termiska aspekterna avsevärt. Exempelvis behöver en enda omvandlare, i ett centraliserat system, ge 3 kW effekt och köra vid 95 procent verkningsgrad för att leda bort 150 watt, till stor del som värme. I jämförelse skulle var och en av omvandlarna i ett distribuerat system innefatta fyra enheter som producerar 750 watt vid 95 procent verkningsgrad leda bort 37,5 watt. Trots att de totala förlusterna är lika, sänks temperaturen avsevärt i varje omvandlare (figur 5).

Figur 5: Högeffektiva DC/DC-omvandlare, såsom Vicors NBM2317S60E1560T0R, möjliggör ett fordonselsystem på 12/48 V som drivs med ett enda 48 V-batteri. I den decentraliserade topologin som visas här, underlättas de termiska utmaningarna och 12 V-ledningarna hålls korta, vilket sänker vikten. (Bildkälla: Vicor)

Vicor har gjort livet enklare för utvecklare som vill experimentera med 12/48 V-systemkonstruktion genom att introducera utvärderingskortet NBM2317D60E1560T0R för kretsar i NBM2317-serien. Kortet levereras förkonfigurerat i en buck-topologi med en 38 V till 60 V ingång och en 13,5 V oisolerad utgång

Slutsatser

Då elsystemen i moderna fordon sväller i storlek knakar de traditionella elsystemen på 12 V i fogarna under bördan. Införandet av ett alternativt 48 V-system levererar hög effekt som klarar att driva system som servostyrning och laddningskompressorer, samtidigt som det sänker vikten och kostnaderna för ledningsknippena.

Dock är det är opraktiskt att gå över till ett enda 48 V system på kort sikt, till följd av den stora mängden gamla 12 V produkter som används i fordon. Lösningen är att köra 12 och 48 V-systemen ihop, vart och ett med sitt eget batteri.

Att hantera effekten och laddningen av dessa olika spänningssystem kan bli komplext om separata DC/DC omvandlare används för vart och ett. Introduktionen av dubbelriktade DC/DC-omvandlare — som kan fungera som en brygga mellan 12- och 48 V-systemen — förenklar konstruktionen, sänker kostnaderna och främjar en utbredning till bilar i lägre prisklasser.

Rekommenderad läsning:

1. Spänning- och strömlägesstyrning för PWM-signalgenerering i switchade DC/DC-regulatorer
2. Skillnaden mellan kontinuerligt och intermittent läge i switchade spänningsregulatorer och varför det är viktigt
3. Konstruktionskompromisser vid val av en switchad spänningsregulator med hög frekvens
4. Att förstå styrloopssvar för spänningsregulatorer
5. Använda switchade regulatorer med låg EMI för att optimera högeffektiva effektkonstruktioner