Elettrificazione a basso rumore con sistemi automotive a 48 V

Di Marshall Beck, Applications Engineer

Introduzione

Le moderne normative sulle emissioni rendono necessario realizzare automobili più efficienti. Sebbene le case automobilistiche possano ottenere veicoli più ecologici attraverso l’elettrificazione di più funzioni dell’auto, un approccio di questo tipo richiede di rivedere i sistemi a 12 V dell’automobile in modo da gestire maggiori richieste di potenza senza incidere sull’efficienza o sul costo del sistema.

Le case automobilistiche stanno quindi realizzando auto più ecologiche attraverso una piattaforma elettrica a doppia fonte energetica, come nei veicoli elettrici mild hybrid (MHEV). Un MHEV combina una batteria a 12 V (per la compatibilità con i sistemi attuali) con un pacco batterie agli ioni di litio da 48 V per alimentare carichi ad alta potenza, come il motorino di avviamento/generatore (vedere la Figura 1). Un motorino di avviamento/generatore (ISG, integrated starter generator) convenzionale integrato è in grado di erogare meno di 15 kW di potenza per via dell’inefficiente trasferimento di potenza fra la sua cinghia e la trasmissione dell’automobile. Le più recenti versioni di ISG consentono una maggiore efficienza, con architetture parallele (P2/P3/P4) in grado di erogare fino a 20 kW, andando a ridurre la produzione di biossido di carbonio per il 15% circa.[1]

L’aumento delle richieste di potenza da parte dei motorini di avviamento/generatori dei MHEV ha portato i progettisti a rivolgersi alle batterie a 48 V. I motorini di avviamento/generatori P2/P3/P4 possono erogare maggiore potenza per azionare i componenti ausiliari. Un motorino di avviamento/generatore azionato a 48 V consente una maggiore potenza di uscita con una ridotta erogazione di corrente. Una minore richiesta di corrente permette di utilizzare fili di spessore inferiore per i 4 km di cablaggio,[2] il che permette di ridurre sensibilmente il peso, migliorare l’efficienza della vettura e ridurre i costi del sistema.

Figura 1. Schema a blocchi di esempio di un sistema per motorino di avviamento/generatore MHEV[3]
Oltre ad azionare il powertrain, la batteria 48 V funge da fonte di alimentazione di riserva per i componenti alimentati a 12 V, attraverso un regolatore CC/CC che genera l’alimentazione ridondante a 12 V dalla batteria 48 V. Data la semplicità dei regolatori step-down, è possibile creare una semplice alimentazione a polarizzazione per i driver del gate MOSFET. Un convertitore step-down da 1 A fornisce il requisito di carico da 500 mA dell’alimentazione di polarizzazione. L’LM5164-Q1 è in grado di soddisfare questa richiesta di potenza oltre al tipico requisito per transienti a 70 V specificato dalla ISO 21780 dell’Organizzazione Internazionale per la Normazione.

Inoltre, è importante considerare le prestazioni per le interferenze elettromagnetiche (EMI) del regolatore step-down, in quanto i sottosistemi a 48 V sono soggetti ai test di conformità CISPR 25 Classe 5 del Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques.

Figura 2. Rappresentazione nel dominio del tempo e della frequenza della forma d’onda della tensione commutata

Problemi di EMI con sistemi a doppia batteria da 12V e 48V

I principi generali della mitigazione EMI non cambiano fra i regolatori step-down a 12 V ed a 48 V. La corrente di ingresso discontinua del regolatore e la forma forma d’onda della tensione del nodo di commutazione generano delle EMI, mentre un convertitore step-down può causare problemi di conformità per la compatibilità elettromagnetica (EMC) con problemi di inadeguatezza del filtro di ingresso o del design del layout. Questo aspetto è una fortuna, perché la stessa capacità di potenza di uscita a 48 volte con una corrente di carico ridotta riduce le emissioni condotte (differenziali), la forma d’onda commutata, ossia la seconda fonte predominante di EMI, richiede la massima attenzione. La maggiore ampiezza delle forme d’onda commutate porta a maggiori EMI.

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