Conception d’alimentation à double batterie 48V/12V pour l’automobile
Le développement des systèmes à double batterie 48V/12V est un élément clé pour les groupes motopropulseurs des véhicules autonomes.
Le fait que les voitures autonomes soient équipées d’un système d’alimentation CC à deux niveaux signifie que les systèmes internes des véhicules fonctionneront soit avec la batterie lithium-ion (Li-Ion) 48V, soit avec la batterie plomb-acide scellée (SLA) 12V. Cependant, en plus d’avoir deux circuits de charge séparés pour ces 2 batteries, en raison de leurs chimies respectives, il doit également y avoir un mécanisme qui permet à la charge de se déplacer entre elles sans dommages pour les batteries ou les équipements du véhicule. Qui plus est, les deux batteries permettent une redondance en cas de défaillance de l’une d’entre elles pendant le fonctionnement.
Bien que cela complique la conception des divers sous-systèmes électriques dans les véhicules, il y a certains avantages. Selon certains constructeurs automobiles, un système basé sur 48 V entraîne une économie de 10 % à 15 % de carburant pour les véhicules à moteur à combustion interne, réduisant ainsi les émissions de CO2. De plus, les futurs véhicules utilisant un système double 48V/12V permettront aux ingénieurs d’intégrer une technologie de suralimentation électrique qui fonctionne indépendamment de la charge du moteur, améliorant ainsi les performances d’accélération. De tels compresseurs sont déjà à un stade avancé de développement et seront implantés entre le système d’induction et le refroidisseur intermédiaire, en utilisant le rail 48 V pour actionner les turbos.
À l’échelle mondiale, les réglementations en matière d’économie de carburant se sont durcies, tandis que la conduite autonome avec connectivité continue de proliférer dans les nouvelles voitures. En conséquence, le système électrique 12V a atteint sa limite de puissance utilisable. Simultanément, comme si ces changements ne suffisaient pas, il y a eu une augmentation significative des systèmes électroniques automobiles. Ces changements, associés aux demandes d’énergie connexes, ont créé de nouvelles opportunités de conception. De toute évidence, la batterie au plomb de 12 V avec sa puissance limitée à 3 kW doit être complétée.
Les nouvelles normes automobiles ont un impact sur le fonctionnement de ces systèmes. Une nouvelle norme automobile connue sous le nom de LV 148, combine un bus secondaire 48 V avec le système 12 V existant. Le rail 48 V comprend un générateur de démarrage intégré (ISG) ou un générateur de démarrage par courroie, une batterie Li-Ion 48 V et un convertisseur CC/CC bidirectionnel, qui peut fournir des dizaines de kilowatts d’énergie disponible à partir du 48 V et du 12 V. Cette technologie est destinée aux voitures traditionnelles, ainsi qu’aux véhicules hybrides électriques et hybrides légers, car les constructeurs automobiles s’efforcent d’atteindre des objectifs d’émission de CO2 de plus en plus faibles.
Nouvelle solution d’alimentation pour les systèmes de batterie 48 V/12 V
Cette nouvelle norme exige que le bus 12 V alimente en permanence les systèmes d’allumage, d’éclairage, d’info divertissement et audio. Alors que le bus 48 V alimentera les systèmes de châssis actifs, les compresseurs de climatisation, les suspensions réglables, les compresseurs électriques, les turbos et même le freinage à récupération d’énergie.
La mise en place d’un réseau d’alimentation 48 V supplémentaire dans les véhicules n’est pas sans impact significatif. Les unités de contrôle électronique (ECU) seront affectées et devront ajuster leur plage de fonctionnement à la tension la plus élevée. Cela nécessitera que les fabricants de convertisseurs continu-continu doivent aussi introduire des circuits intégrés spécialisés pour permettre ce transfert de puissance élevée.
En conséquence, le groupe Power by LinearTM (PbL) d’Analog Devices a conçu et développé quelques convertisseurs continu-continu qui permettent ce transfert d’énergie avec un très haut rendement pour conserver l’énergie tout en minimisant les aspects thermiques de la conception.
Le besoin d’un convertisseur abaisseur et élévateur bidirectionnel CC/CC entre les batteries 12 V et 48 V est clairement nécessaire. De tels convertisseurs pourraient être utilisés pour charger l’une ou l’autre des batteries tout en le permettant simultanément en cas de besoin des deux batteries. Les conceptions existantes de convertisseur cc à cc pour double batterie 48 V/12 V utilisaient différents composants d’alimentation pour augmenter et abaisser la tension.
Le groupe PbL d’ADI a récemment introduit le contrôleur bidirectionnel LT8228 CC/CC qui utilise les mêmes composants externes d’alimentation pour la conversion élévatrice et la conversion abaisseur.
configuré dans un système de batterie de secours bidirectionnel simplifié
Le LT8228, comme illustré ci-dessus, est un contrôleur abaisseur ou boost synchrone bidirectionnel 100 V à courant constant ou à tension constante avec des réseaux de compensation indépendants. La direction du flux de puissance est déterminée automatiquement par le LT8228 ou est contrôlée de l’extérieur. Les MOSFET de protection d’entrée et de sortie protègent contre les tensions négatives, contrôlent les courants d’appel et assurent l’isolation entre les bornes dans des conditions de défaut telles que la commutation de courts-circuits MOSFET. En mode abaisseur, les MOSFET de protection à la borne V1 empêchent le courant inverse. En mode élévateur, les mêmes MOSFET régulent le courant d’appel de sortie et se protègent avec un disjoncteur temporisé réglable.
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