Bidirektionale DC/DC-Controller für 48V/12V-Doppelbatterie-Fahrzeugsysteme

Von Rich Miron

Zur Verfügung gestellt von Digi-Key Electronics

Mit den Fortschritten bei autonomen Fahrzeugen und bei der Vernetzung von Automobilen zusammen mit der Forderung nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch wurden die Grenzen der Belastbarkeit von herkömmlichen elektrischen 12-Volt-Automobilsystemen erreicht. Hinzu kommen neue Herausforderungen durch höhere Leistungsanforderungen der ständig wachsenden Zahl der an das elektrische Automobilsystem angeschlossenen Anwendungen. Daher muss das herkömmliche elektrische Automobilsystem mit 3 kW und 12 V ergänzt werden.

Das vorhandene 12V-System wird nach dem neuen Automobilstandard LV148 mit einem sekundären 48V-Bus kombiniert. Zur 48V-Schiene gehören u. a. folgende Elemente:

  • Ein riemengetriebener Starter-Generator oder ein integrierter Starter-Generator (ISG)
  • Eine 48V-Lithium-Ionen-Batterie
  • Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler, der aus den 12V- und 48V-Batterien 10 kW liefern kann

Während die Automobilhersteller versuchen, die Forderung nach immer niedrigeren CO2-Emissionen zu erfüllen, zielt diese Technologie auf Hybridfahrzeuge mit elektrischem und herkömmlichem Verbrennungsantrieb ab.

Der 12V-Bus wird weiterhin für die Versorgung von Systemen wie Beleuchtung, Infotainment, Audio und Zündung zuständig sein. Andere Systeme wie verstellbare Aufhängungen, elektrische Turbolader, Kompressoren für die Klimaanlage und das aktive Chassis sowie die Unterstützung von Nutzbremsen werden vom 48V-Bus übernommen. Durch den 48V-Bus, der bald seinen Einzug in aktuelle Modellreihen halten wird, könnte auch der Start des Motors unterstützt werden, was glattere Stopp-Start-Übergänge ermöglichen würde.

Ein weiterer Vorzug eines Busses mit höherer Spannung wäre eine Einsparung durch den geringeren Querschnitt und das geringere Gewicht der Kabel. Dies ist extrem wichtig, denn in den heutigen High-End-Fahrzeugen können über vier Kilometer Kabel verlegt sein.

Automobile verwandeln sich immer mehr in Computer auf Rädern. Dies schafft Potenzial für die Kommunikation mit vielen Plug&Play-Geräten. Da Pendler durchschnittlich 9 Prozent des Tages in ihrem Auto verbringen, sorgt die Einführung von Telematik und Multimedia für mehr Unterhaltung und hat das Potenzial, die Produktivität zu erhöhen.

Wie oben bereits erwähnt wurde, ist das autonome Fahrzeug eine treibende Kraft beim höheren Energiebedarf für Komponenten wie Radar und LiDAR, Sensoren, Kameras und Computer. Auch benötigen die Fahrzeuge mehr Energie für eine bessere Vernetzung. Die Fahrzeuge müssen nicht nur in der Lage sein, eine Verbindung mit dem Internet, sondern auch mit Verkehrsampeln, Gebäuden und anderen Strukturen herzustellen. Auch Öl- und Wasserpumpen, die Servolenkung und Antriebskomponenten werden im Laufe der Zeit nicht mehr mechanisch, sondern elektrisch angetrieben.

Viele Automobilzulieferer sagen für die nächsten fünf Jahre eine starke Nachfrage nach den für autonome Fahrzeuge benötigten technologischen Bausteinen voraus. Aber es ist schon heute möglich, von den Vorzügen eines 48V-Batteriesystems zu profitieren. Einige Automobilhersteller sind z. B. der Meinung, dass ein 48V-System bei internen Verbrennungsmotoren zu einer Kraftstoffersparnis von 10 bis 15 % führt. Dies führt wiederum zu einer entsprechend geringeren CO2-Emission.

Darüber hinaus werden die Ingenieure in der Lage sein, in Fahrzeuge eine elektrische „Booster“-Technologie zu integrieren, die künftig vom dualen 48V/12V-System versorgt wird. Diese Technologie funktioniert unabhängig von der Motorbelastung und wird damit die Beschleunigung verbessern. Zwischen Ladeluftkühler und Ansaugsystem wird beispielsweise ein Kompressor eingebaut, der sich bereits in einer vorgerückten Entwicklungsphase befindet. Dieser Kompressor wirft die Turbolader mit 48 V an.

Aber die Zulieferer müssen auf allen Gebieten wegen der zusätzlichen 48V-Stromversorgung der Fahrzeuge verschiedene Klippen bei der Konstruktion überwinden. Ein spezifisches Beispiel wären Hersteller von Halbleitern und ECUs (Electronic Control Units), die ihre Teile neu konstruieren müssen, damit sie unter der höheren Busspannung von 48 V funktionieren. Auch die Hersteller von DC/DC-Wandlern müssen spezielle ICs entwickeln, die mit der höheren Spannung umgehen können. Linear Technology erfüllt diese Anforderungen und bietet mehrere DC/DC-Wandler an, die diese Energieübertragung bereits sehr effizient bewältigen können, sodass die Energie erhalten bleibt und nur geringe Anforderungen an die thermische Auslegung gestellt werden.

Da die dualen 12V/48V-Automobilsysteme bereits am Horizont sichtbar sind, werden offensichtlich DC/DC-Aufwärts- und -Abwärtswandler benötigt. Mit einem derartigen Wandler könnten beide Batterien geladen werden, und bei Bedarf könnten beide Batterien gleichzeitig Strom liefern. Bei vielen früheren DC/DC-Wandlern für duale 12V/48V-Batteriesysteme wurden für die Abwärts- und Aufwärtswandlung der Spannung unterschiedliche Leistungskomponenten eingesetzt. Dies ist bei dem kürzlich herausgekommenen bidirektionalen DC/DC-Wandler LTC3871 von Linear Technology nicht der Fall. Bei diesem Controller werden für Abwärts- und Aufwärtswandlung der Spannung dieselben externen Leistungskomponenten verwendet.

Eine bidirektionale IC-Lösung

Der LTC3871 ist ein zweiphasiger synchroner bidirektionaler 100V/30V-Abwärts- und Aufwärtsregler. Er kann die bidirektionale DC/DC-Regelung und das Laden der Batterien in 12V- und 48V-Systemen übernehmen. Er wandelt im Aufwärtsmodus vom 12V-Bus zum 48V-Bus und im Abwärtsmodus vom 48V-Bus zum 12V-Bus. Über ein Steuersignal kann jeder der beiden Modi bei Bedarf konfiguriert werden. Bei Anwendungen mit hohen Stromstärken (bis zu 250 A) kann die Filterung des Eingangs und des Ausgangs minimiert werden, da bis zu 12 Phasen parallel betrieben und mit Phasenverschiebung getaktet werden können. Die hochentwickelte Stromarchitektur sorgt für eine hervorragende Stromanpassung zwischen parallelen Phasen. Eine 12-Phasen-Schaltung kann im Aufwärts- oder Abwärtsmodus jeweils bis zu 5 kW liefern.

Mit dem LTC3871 können beide Batterien gleichzeitig Strom liefern, wenn zusätzliche Energie benötigt wird, z. B. beim Anlassen des Motors. Mit diesem Bauteil ist ein Wirkungsgrad von bis zu 97 % möglich. Die maximal an die Last gelieferte Stromstärke wird von der programmierten Stromschleife auf dem Chip geregelt. Der Regler arbeitet mit vier Steuerschleifen, zwei für die Spannung und zwei für die Stromstärke, die eine Regelung von Strom und Spannung auf dem 12V- bzw. 48V-Bus erlauben.

Der LTC3871 kann mit einer vom Benutzer wählbaren Frequenz zwischen 60 kHz und 475 kHz betrieben und in diesem Bereich mit einem externen Takt synchronisiert werden. Darüber hinaus kann für den Betrieb bei geringen Lasten entweder ein Impulssprungmodus oder ein kontinuierlicher Modus gewählt werden. Weitere Merkmale sind eine Unter- und Überspannungssperre, eine unabhängige Schleifenkompensation für den Aufwärts- und den Abwärtsmodus, Überlastungs- und Kurzschlussschutz, eine Genauigkeit der Spannungsregelung von ±1 % über den gesamten Temperaturbereich und ein externer Vcc-Anschluss zur Erhöhung des Wirkungsgrads. Der LTC3871 war zur Diagnose in ISO26262-Systemen bestimmt und wurde dann für die ACE-Q100-Spezifikationen für die Automobilelektronik qualifiziert.

Der LTC3871 ist derzeit in einem thermisch optimierten 48-Pin-LQFP-Gehäuse in drei möglichen Temperaturstufen erhältlich. Diese Temperaturstufen umfassen einen Hochtemperaturbereich für den Automobilbau von -40 °C bis 150 °C und den Bereich von -40 °C bis 125 °C für den erweiterten und industriellen Einsatz. Abbildung 1 zeigt den Schaltplan eines typischen Einsatzes des Bauteils. Das P-Kanal-MOSFET oben auf dem Schaltplan dient als Kurzschluss- und Überstromschutz.

Bild: Schaltplan eines bidirektionalen Einsatzes des LTC3871 von Linear Technology

Abbildung 1: Schaltplan eines typischen bidirektionalen Einsatzes des LTC3871 mit 12V-Ausgang und 26V- bis 58V-Eingang für Stromstärken bis zu 30 A. (Bildquelle: Linear Technology)

Integrierter Start-Generator (ISG)

Anlasser und Lichtmaschine eines Automobils können durch einen elektronisch gesteuerten ISG ersetzt werden. Dies bietet folgende Vorteile:

  • Der Anlasser, die einzige passive Komponente während des Normalbetriebs des Motors, entfällt
  • Die Kopplung von Kurbelwelle und Lichtmaschine über Riemenscheibe und Keilriemen entfällt
  • Während eines Load-Dump kann eine schnelle Regelung der Generatorspannung erfolgen
  • Die Bürsten und Schleifringe bei manchen derzeit eingesetzten Lichtmaschinen mit Rotorwicklungen entfallen

Die drei Hauptmerkmale eines ISG sind Kraftunterstützung, Generierung von Elektrizität und Start-Stopp-Funktion. Ein ISG kann die Beschleunigung eines Fahrzeugs durch Generierung von elektrischer Energie durch Nutzbremsen unterstützen. Der durch Nutzbremsen generierte Strom lädt die 48V-Batterie. Dies führt zu einer Kraftstoffersparnis und daher zu geringerer CO2-Emission. Darüber hinaus produziert der ISG elektrischen Strom, während der Motor läuft. Dies entspricht der Funktionsweise einer herkömmlichen Lichtmaschine. Schließlich kann der ISG den Verbrennungsmotor beim Anhalten des Fahrzeugs ausschalten, um Kraftstoff zu sparen und beim Treten auf das Gaspedal sofort wieder starten. Dies wird üblicherweise als Start-Stopp-System bezeichnet. Ein ISG ermöglicht in diesem System einen weicheren Übergang beim Starten des Motors.

Abbildung 2 zeigt ein Blockdiagramm, in dem veranschaulicht wird, wie der LTC3871, der ISG und die 12V- und 48V-Batterien in einem typischen Fahrzeug mit internem Verbrennungsmotor angeordnet sind.

Blockdiagramm eines typischen Einsatzes des LTC3871 von Linear Technology im Automobilbau

Abbildung 2: Blockdiagramm eines typischen Einsatzes des LTC3871 von Linear Technology im Automobilbau. (Bildquelle: Linear Technology)

Abwärts- und Aufwärtsmodus

Der LTC3871 kann durch ein einfaches Steuersignal übergangslos vom Abwärts- in den Aufwärtsmodus und umgekehrt geschaltet werden. Mit zwei getrennten Fehlerverstärkern, einem für die VHIGH-Regelung und einem für die VLOW-Regelung, ist eine unabhängige Feineinstellung der Schleifenkompensation für den Abwärts- und den Aufwärtsmodus möglich. Dies ermöglicht eine optimale Reaktion auf Spitzen. Im Abwärtsmodus ist der entsprechende Fehlerverstärker ITHLOW aktiv und steuert den maximalen Induktionsstrom. Entsprechend ist im Aufwärtsmodus ITHHIGH aktiv und ITHLOW inaktiv. Während des Übergangs zwischen den Modi wird der interne Sanftanlauf zurückgesetzt und der ITH-Pin auf Stromstärkepegel 0 geparkt, um einen sanften Übergang in den neuen Modus zu gewährleisten.

Mehrphasenbetrieb

Mehrere LTC3871 können in Reihe geschaltet und mit Phasenverschiebung betrieben werden, um eine höhere Ausgangsstromstärke zu erzielen, ohne die Welligkeit der Eingangs- oder Ausgangsspannung zu erhöhen. Durch Verbindung des SYNC-Pins eines LTC3871 mit dem CLKOUT-Pin eines anderen LTC3871 kann das zweite Bauteil mit dem ersten synchronisiert werden. Durch Verbindung des CLKOUT-Signals mit dem SYNC-Pin der nächsten LTC3871-Stufe werden die Frequenz und die Phase des Gesamtsystems angeglichen. Durch Reihenschaltung können maximal 12 Phasen gleichzeitig mit Phasenverschiebung betrieben werden.

Die Demoplatine DC2348A für den LTC3871 ist in zwei bzw. vier Phasen mit einem oder zwei LTC3871 konfigurierbar. Abbildung 3 zeigt die Vier-Phasen-Version. Diese Demo-Schaltung hat einen Eingangsspannungsbereich von 30 V bis 75 V beim Betrieb im Abwärtsmodus und eine Ausgangsspannung von 12 V bei bis zu 60 A. Wenn die Demo-Schaltung im Aufwärtsmodus betrieben wird, ist eine Eingangsspannung 10 V bis 13 V möglich, und die Ausgangsspannung beträgt 48 V bei bis zu 10 A.

Bild: Demo-Platine mit vier Phasen für den LTC3871 von Linear Technology

Abbildung 3: Demo-Platine mit vier Phasen für den LTC3871. (Bildquelle: Linear Technology)

Der Verlauf des Wirkungsgrads in Abbildung 4 ist typisch für eine Demo-Platine mit vier Phasen mit zwei LTC3871. Die Verlaufskurve des Abwärtsmodus zeigt den Wirkungsgrad der Demo-Platine, wenn die Eingangsspannung von 48 V bei bis zu 60 A auf 12 V abgesenkt wird, während die Verlaufskurve im Aufwärtsmodus den Wirkungsgrad bei einer Erhöhung der Eingangsspannung 12 V bei bis zu 10 A auf 48 V zeigt. Bemerkenswert ist, dass die Spitzenwerte des Wirkungsgrads beide bei 97 % liegen.

Bild: Verlaufskurven des Wirkungsgrads bei der Abwärts- und Aufwärtswandlung für den LTC3871 von Linear Technology

Abbildung 4: Verlaufskurven des Wirkungsgrads bei der Abwärts- und Aufwärtswandlung für den LTC3871 bei einer Auslegung für 4 Phasen. (Bildquelle: Linear Technology)

Überstromschutz

Der Stromrücklaufschutz zur Begrenzung der Verlustleistung bei Überstrom oder beim Kurzschließen von VLOW mit Masse ist im Abwärtsmodus des LTC3871 aktiv. Der Stromrücklaufschutz wird beim Sanftanlauf automatisch aktiviert. Die maximal gemessene Spannung wird stufenweise vom programmierten Maximalwert aus auf ein Drittel des Maximalwerts herabgesetzt, wenn VLOW unter 85 % des nominellen Ausgangspegels sinkt. Der LTC3871 überspringt bei einem Kurzschluss mit sehr geringer Auslastung Zyklen, um den Kurzschlussstrom zu begrenzen.

In einem typischen Aufwärts-Controller leitet die synchrone Diode oder die Substratdiode des synchronen MOSFETs Strom vom Eingang zum Ausgang. Das Ergebnis ist, dass ein Kurzschluss am Ausgang (VHIGH) den Eingang (VLOW) ohne Sperrdiode oder MOSFET zur Sperrung des Stroms herunterzieht. Wenn VHIGH mit Masse kurzgeschlossen wird, übernimmt im LTC3871 ein externes P-Kanal-MOSFET mit niedrigem RDS(ON) den Kurzschlussschutz des Eingangs. Das P-Kanal-MOSFET ist im Normalbetrieb immer aktiv, wobei die Gate-Spannunsquelle auf einem Maximalwert von 15 V gehalten wird. Wenn die Spannung am UVHIGH-Pin unter den Schwellenwert von 1,2 V sinkt, geht der FAULT-Pin 125 μs später auf LOW. Wenn dies der Fall ist, wird das externe P-Kanal-MOSFET durch den PGATE-Pin abgeschaltet.

Fazit

Der LTC3871 bringt einen neuen Leistungsschub sowie eine bessere Steuerung und eine Vereinfachung von dualen 48V/12V-DC/DC-Automobilsystemen, da für die Abwärts- und Aufwärtswandlung dieselben externen Komponenten verwendet werden können. Er kann automatisch zwischen dem Abwärtsmodus, in dem 48 V auf 12 V herabgesetzt werden, und dem Aufwärtsmodus, in dem 12 V auf 48 V heraufgesetzt werden, umgeschaltet werden. Bei höherem Energiebedarf, z. B. beim Start des Motors, können bis zu 12 Phasen parallel betrieben werden. Darüber hinaus kann der LTC3871 Energie für dieselbe Last aus beiden Batterien ziehen. Die zusätzliche 48V-Batterie ist für einen bestimmten Teil der elektrischen Anlage des Fahrzeugs bestimmt. So wird die verfügbare Energie erhöht, das Gewicht der Verkabelung wird verringert, und die elektrischen Verluste werden gesenkt. Durch diese zusätzliche Energie können neue Technologien eingesetzt werden, die die Fahrzeuge sicherer und effizienter machen und die CO2-Emission senken.

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Über den Autor

Rich Miron

Rich Miron, Senior Technical Content Developer bei Digi-Key Electronics, ist seit 2007 in der Gruppe für technische Inhalte tätig und ist hauptsächlich für das Schreiben und Bearbeiten von Artikeln, Blogs und Produktschulungsmodulen verantwortlich. Vor Digi-Key hat er Mess- und Regelsysteme für Atom-U-Boote getestet und qualifiziert. Rich hat einen Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik von der North Dakota State Universität in Fargo.

Über den Verlag

Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics mit Sitz in Thief River Falls, Minnesota (U.S.A.), ist ein globaler Komplettanbieter von Elektronikbauteilen in Prototyp-, Design- und Produktionsstückzahlen und bietet mehr als sechs Millionen Produkte von mehr als 750 Markenherstellern über seine Digi-Key-Website an.