Contrôleurs CC/CC bidirectionnels pour systèmes automobiles à double batterie 48 V/12 V

Avec les progrès des véhicules autonomes et de la connectivité automobile, ainsi que le renforcement de la réglementation en matière d'économie de carburant, la limite utilisable du système électrique automobile traditionnel de 12 V a été atteinte. À cela s'ajoutent les nouveaux défis associés aux demandes d'alimentations électriques plus élevées provenant des applications de plus en plus connectées aux systèmes électriques automobiles. Par conséquent, il est nécessaire d'enrichir le système traditionnel d'alimentation électrique automobile de 3 kW, 12 V.

Le système 12 V existant est combiné à un bus secondaire de 48 V dans la nouvelle norme automobile proposée : LV148. Voici certains des éléments inclus dans le rail 48 V :

• Un générateur de démarrage par courroie ou un générateur de démarrage intégré (ISG)
• Une batterie lithium-ion de 48 V
• Un convertisseur CC/CC bidirectionnel pouvant délivrer jusqu'à 10 kW d'énergie à partir des batteries combinées de 12 V et de 48 V

Les constructeurs automobiles s'efforçant d'atteindre des objectifs d'émissions de CO₂ de plus en plus stricts, cette technologie est destinée aux véhicules électriques hybrides et à combustion interne classiques.

Le bus 12 V continuera généralement à alimenter des systèmes tels que l'éclairage, l'infodivertissement, le son et l'allumage. D'autres systèmes, notamment les suspensions réglables, les turbos/compresseurs électriques, les compresseurs de climatisation, le châssis actif ainsi que le freinage régénératif, seront alimentés par le bus 48 V. L'utilisation d'un bus 48 V, qui devrait bientôt être disponible dans toutes les gammes de modèles de production, pourrait également prendre en charge le démarrage du moteur, ce qui simplifierait les opérations d'arrêt et de démarrage.

L'utilisation d'un bus à haute tension présente l'avantage supplémentaire de pouvoir réduire la taille des sections de câbles afin d'économiser à la fois de la place et du poids. C'est extrêmement important, car il peut y avoir plus de quatre kilomètres de câblage dans les véhicules haut de gamme actuels.

Les véhicules ressemblent de plus en plus à des ordinateurs sur roues. Cela crée un potentiel d'interfaçage avec de nombreux dispositifs de type plug-and-play. Alors que les gens qui vont au travail en voiture passent en moyenne 9 % de la journée dans leur véhicule, l'introduction de la télématique et du multimédia peut potentiellement augmenter la productivité tout en offrant des divertissements supplémentaires.

Comme mentionné plus haut, les véhicules autonomes constituent l'une des motivations à l'origine du besoin d'énergie supplémentaire, avec des composants comme le radar et le LiDAR, des capteurs, des caméras et un ordinateur. En outre, les véhicules ont besoin de plus d'énergie pour améliorer la connectivité. Les véhicules doivent non seulement pouvoir se connecter à Internet, mais également aux feux de circulation, aux autres véhicules, aux bâtiments et autres structures. De plus, les pompes à huile et à eau, la direction assistée et les composants de la transmission finiront un jour ou l'autre par basculer vers le courant électrique au lieu d'être entraînés mécaniquement.

Au cours des prochaines années, de nombreux constructeurs automobiles prévoient une forte demande concernant les modules technologiques qui seront nécessaires pour les véhicules autonomes. Cependant, il est d'ores et déjà possible d'exploiter les avantages du système de batterie 48 V. Par exemple, certains constructeurs automobiles affirment que les moteurs à combustion interne utilisant un système électrique de 48 V représentent un gain d'économie de carburant de 10 à 15 %. Cela entraîne une réduction correspondante des émissions de CO₂.

En outre, les ingénieurs pourront intégrer la technologie d'appoint électrique dans les véhicules qui utiliseront un système double de 48 V/12 V à l'avenir. Cette technologie pourra fonctionner indépendamment de la charge du moteur, ce qui contribuera à améliorer les performances d'accélération. Par exemple, un compresseur, qui est déjà dans sa phase de développement avancé, sera placé entre le refroidisseur intermédiaire et le système à induction. Ce compresseur utilisera 48 V pour faire tourner les turbos.

Cependant, de façon générale, les fournisseurs devront faire face à de nombreux défis en termes de conception en raison de l'implémentation de véhicules avec un réseau d'alimentation de 48 V supplémentaire. Prenons l'exemple des fabricants de semi-conducteurs et de calculateurs : ils devront repenser leurs pièces pour qu'elles puissent fonctionner avec l'alimentation de bus 48 V plus élevée. De plus, les fournisseurs de convertisseurs CC/CC devront développer des circuits intégrés spécialisés permettant de gérer le transfert de puissance plus élevé. Pour répondre à ce besoin, Linear Technology a mis à disposition plusieurs convertisseurs CC/CC permettant déjà de gérer ce transfert d'énergie de manière très efficace, ce qui permettra à la fois de conserver l'énergie et de minimiser la conception thermique requise.

Avec le système automobile double 12 V/48 V qui se profile à l'horizon, la nécessité d'un convertisseur CC/CC abaisseur et élévateur bidirectionnel est évidente. Avec ce convertisseur, l'une ou l'autre des batteries pourrait être chargée et le courant pourrait être fourni à la même charge en cas de nécessité. De nombreux premiers modèles de convertisseurs CC/CC à double batterie 12 V/48 V utilisent des composants d'alimentation séparés pour élever et abaisser la tension. Ce n'est pas le cas du contrôleur CC/CC bidirectionnel LTC3871 de Linear Technology lancé récemment. Ce contrôleur utilise les mêmes composants d'alimentation externes pour abaisser la tension et pour l'élever.

Une solution unique et bidirectionnelle avec circuit intégré

Le LTC3871 est un contrôleur bidirectionnel élévateur ou abaisseur synchrone biphasé 100 V/30 V. Il est capable de fournir un contrôle CC/CC bidirectionnel et une charge de la batterie entre les réseaux du système 12 V et 48 V. Il fonctionne en mode élévateur du bus 12 V au bus 48 V, et en mode abaisseur du bus 48 V au bus 12 V. Un signal de contrôle appliqué configure l'un ou l'autre mode à la demande. Pour les applications à courant élevé (jusqu'à 250 A), les exigences de filtrage d'entrée et de sortie peuvent être minimisées, car jusqu'à douze phases peuvent être mises en parallèle et cadencées hors phase. Une excellente adaptation du courant entre les phases en parallèle est fournie par l'architecture avancée en mode courant. Une conception à 12 phases peut fournir jusqu'à 5 kW en mode élévateur ou abaisseur.

Le LTC3871 permet aux deux batteries de fournir simultanément de l'énergie lorsqu'une puissance supplémentaire est requise, par exemple lors du démarrage du moteur. Avec ce dispositif, il est possible d'avoir un rendement atteignant 97 %. Le courant maximal fourni à la charge est régulé par la boucle de programmation de courant intégrée. Il existe quatre boucles de commande (deux pour la tension et deux pour le courant) qui permettent de contrôler la tension et le courant sur chacun des bus 12 V ou 48 V.

Fonctionnant à une fréquence fixe pouvant être sélectionnée par l'utilisateur entre 60 kHz et 475 kHz, il est possible de synchroniser le LTC3871 avec une horloge externe sur la même plage. De plus, l'utilisateur peut sélectionner un fonctionnement avec une charge faible grâce aux modes de saut d'impulsion ou de fonctionnement en continu disponibles. Les autres fonctionnalités incluent le verrouillage en cas de sous-tension/surtension, la compensation de boucle indépendante pour les modes élévateur et abaisseur, la protection contre les surcharges et les courts-circuits, une précision de régulation de la tension de sortie de ±1 % en fonction de la température et une alimentation EXTVcc pour un rendement accru. Le LTC3871 a été conçu pour une couverture de diagnostic dans les systèmes ISO26262 et a été qualifié pour répondre aux spécifications automobiles AEC-Q100.

Le LTC3871 est actuellement disponible en boîtier LQFP thermiquement amélioré à 48 sorties avec trois grades de température possibles. Ces catégories de températures comprennent une plage automobile haute température de -40°C à +150°C et une plage de -40°C à +125°C pour les grades étendus et industriels. Le schéma d'application typique des dispositifs est présenté à la Figure 1. En haut du schéma, le transistor MOSFET à canal P sert à assurer une protection contre les courts-circuits et les surintensités.

Figure 1 : Schéma d'application bidirectionnelle typique du LTC3871 illustrant une sortie 12 V à partir d'une entrée de 26 V à 58 V pouvant fournir 30 A de courant. (Source de l'image : Linear Technology)

Générateur de démarrage intégré (ISG)

Le démarreur et l'alternateur d'une automobile peuvent être remplacés par un ISG à commande électronique. Cela se traduit par les avantages suivants :

• Élimination du démarreur, seul composant passif lors du fonctionnement normal du moteur
• Possibilité d'élimination du couplage de la courroie et de la poulie entre le vilebrequin et l'alternateur
• Pendant les coupures d'alimentation électrique, un contrôle rapide de la tension du générateur peut être réalisé
• Élimination des balais et des bagues collectrices dans certains alternateurs à rotor bobiné utilisés actuellement

Les trois principales fonctionnalités de l'ISG sont l'assistance électrique, la production d'électricité et la fonction démarrage/arrêt. L'ISG peut aider à la décélération du véhicule en générant de l'énergie électrique via le freinage régénératif. La puissance générée par le freinage régénératif charge la batterie 48 V, ce qui réduit la consommation de carburant et, par conséquent, les émissions de CO₂. En outre, l'ISG produit de l'énergie électrique pendant le fonctionnement du moteur, comme un alternateur classique. Enfin, quand un véhicule s'arrête, l'ISG permet au moteur à combustion interne de s'éteindre pour économiser le carburant, puis le redémarre instantanément lorsqu'on appuie sur l'accélérateur. Il s'agit du système start-stop. L'utilisation d'un ISG dans ce système permet une transition en douceur lors du démarrage du moteur.

La Figure 2 illustre un schéma fonctionnel démontrant la manière dont les batteries 12 V et 48 V, le LTC3871 et l'ISG sont intégrés dans un véhicule à moteur à combustion interne typique.

Figure 2 : Schéma fonctionnel d'applications automobiles LTC3871 typiques. (Source de l'image : Linear Technology)

Modes abaisseur et élévateur

Un simple signal de commande peut faire basculer le LTC3871 du mode abaisseur au mode élévateur, et inversement, de manière dynamique et fluide. Avec deux amplificateurs d'erreur distincts (l'un pour la régulation VHIGH et l'autre pour la régulation VLOW) un réglage précis et indépendant de la compensation de boucle pour les modes abaisseur et élévateur est possible, ce qui permet d'optimiser la réponse transitoire. En mode abaisseur, l'amplificateur d'erreur correspondant (ITHLOW) est activé et contrôle le courant de crête de l'inductance. Inversement, en mode élévateur, ITHHIGH est activé et ITHLOW est désactivé. Lors d'une transition de mode élévateur vers abaisseur ou abaisseur vers élévateur, le démarrage progressif interne est réinitialisé et la broche ITH est placée au niveau de courant zéro pour assurer une transition en douceur vers le nouveau mode.

Fonctionnement multiphase

Il est possible de connecter plusieurs LTC3871 en chaîne et de les exécuter hors phase afin de fournir davantage de courant de sortie sans augmenter l'ondulation de la tension d'entrée ou de sortie. La connexion de la broche SYNC d'un LTC3871 à la broche CLKOUT d'un autre LTC3871 permet une synchronisation du deuxième dispositif au premier. La connexion du signal CLKOUT à la broche SYNC de l'étage suivant du LTC3871 aligne à la fois la fréquence et la phase de l'ensemble du système. Douze phases au maximum peuvent être reliées en chaîne pour fonctionner simultanément hors phase les unes par rapport aux autres.

La carte de démonstration pour le LTC3871, la carte DC2348A, est configurable en deux ou quatre phases avec un ou deux LTC3871. La Figure 3 illustre la version à quatre phases. Ce circuit de démonstration présente une plage de tensions d'entrée de 30 V à 75 V en mode abaisseur et permet de produire 12 V jusqu'à 60 A. Lorsque ce circuit de démonstration fonctionne en mode élévateur, la tension d'entrée peut varier de 10 V à 13 V et la sortie est de 48 V jusqu'à 10 A.

Figure 3 : Carte de démonstration à quatre phases LTC3871. (Source de l'image : Linear Technology)

Les courbes de rendement de la Figure 4 sont typiques d'une carte de démonstration à quatre phases utilisant deux dispositifs LTC3871. La courbe en mode abaisseur montre le rendement lorsque la carte de démonstration passe d'une entrée 48 V à 12 V et jusqu'à 60 A, tandis que la courbe du mode élévateur indique son rendement lorsque la carte de démonstration passe d'une entrée 12 V à 48 V et jusqu'à 10 A. On peut noter sur les deux courbes que les rendements de crête sont de 97 %.

Figure 4 : Courbes de rendement abaisseur et élévateur pour le LTC3871 avec une conception à 4 phases. (Source de l'image : Linear Technology)

Protection contre la surintensité

La protection contre le repli de courant, pour limiter la dissipation de puissance en cas de surintensité ou lorsque VLOW est court-circuité à la terre, est incluse dans le LTC3871 en mode abaisseur. La protection contre le repli de courant est automatiquement activée lors de conditions de démarrage progressif. La tension de détection maximale est progressivement abaissée jusqu'à atteindre un tiers de la valeur maximale programmée si VLOW passe en dessous de 85 % de son niveau de sortie nominal. Le LTC3871 commence à sauter des cycles dans des conditions de court-circuit avec des rapports cycliques très faibles afin de limiter le courant de court-circuit.

La diode synchrone ou la diode de substrat du MOSFET synchrone conduit le courant de l'entrée à la sortie dans un contrôleur élévateur typique. Un court-circuit de sortie (VHIGH) entraîne ainsi l'entrée (VLOW) vers le bas sans diode de blocage ni MOSFET pour bloquer le courant. Lorsque VHIGH est court-circuité à la terre, le LTC3871 utilise un MOSFET externe à canal P à faible R_DS(ON) pour la protection contre les courts-circuits en entrée. Le MOSFET à canal P est toujours activé en fonctionnement normal avec une tension grille-source fixée à 15 V maximum. Si la tension de la broche UVHIGH passe en dessous de son seuil de 1,2 V, la broche FAULT passe à l'état bas 125 µs plus tard. Lorsque cela se produit, le MOSFET externe à canal P est désactivé par la broche PGATE.

Conclusion

L'utilisation du LTC3871 apporte un nouveau niveau de performances, ainsi qu'un contrôle amélioré et une simplification accrue des systèmes automobiles à double batterie CC/CC 48 V/12 V, car elle permet d'utiliser les mêmes composants de puissance externes à des fins de dispositif élévateur et abaisseur. Le LTC3871 permet de basculer automatiquement entre le mode abaisseur, passant de 48 V à 12 V, et le mode élévateur, passant de 12 V à 48 V. Pour les applications à plus haute puissance, comme le démarrage du moteur, jusqu'à douze phases peuvent être mises en parallèle et le LTC3871 permet à la même charge d'extraire simultanément de l'énergie des deux batteries. La batterie supplémentaire de 48 V alimente une certaine partie du système électrique du véhicule, ce qui permet d'augmenter l'énergie disponible, de réduire le poids du faisceau de câbles et d'atténuer les pertes électriques. Avec cette énergie supplémentaire, de nouvelles technologies vont pouvoir être activées pour rendre les véhicules plus sûrs, augmenter leur rendement et réduire leurs émissions de CO₂.