Sistemi di generazione (BSG – Belt-driver Starter Generator)

Sistemi di generazione (BSG – Belt-driver Starter Generator)

Piattaforma di driver comuni per sistemi a 12V e 48V

I Belt-driven starter generator (BSG) sono parte integrante dei sistemi di veicoli elettrici ibridi (HEV) e veicoli elettrici (EV)

I sistemi di generazione (BSG) svolgono più ruoli nelle architetture dei veicoli elettrificati. Sono responsabili dell’avviamento del motore, della fornitura del boost elettrico al motore e della generazione della tensione di carica durante la decelerazione o l’arresto per inerzia, che riduce l’usura dei sistemi di frenatura meccanica migliorando l’efficienza complessiva del sistema.

Figura 1: Generatore di avviamento e posizioni eBoost in un veicolo elettrificato

Indipendentemente dalla loro architettura o da dove si trovano, i sistemi di generazione (BSG) hanno dimostrato di essere parte integrante dell’elettrificazione del veicolo. Uno starter generator può essere utilizzato in più posizioni all’interno di un veicolo. La Figura 1 mostra le posizioni dei sistemi di BSG primario. Le posizioni P0 e P1 sono generalmente inferiori a 20 kW. I sistemi P0 stanno diventando molto comuni in quanto sono i più facili da implementare, richiedono meno riprogettazioni e sono più convenienti. Le posizioni P1 hanno vantaggi simili mentre eliminano le perdite della cinghia, con conseguente prestazioni più elevate e minore usura.

 

Implementazioni del circuito, il generatore di avviamento, BSG 

Un sistema di generazione BSG, è composto da più componenti elettrici e meccanici. Un inverter fornisce una spinta elettrica (boost elettrico) e un convertitore DC-DC per convertire l’energia meccanica nel rotore in energia elettrica in energy-harvesting mode (sistema di raccolta di energia). Il sistema è anche responsabile della posizione crank nei sistemi di arresto al minimo e dell’elevata coppia di avviamento richiesta per l’avviamento a freddo (cold start).

Meccanicamente, un BSG comprende lo statore, che è collegato a un inverter trifase, e il rotore, che genera un ampo facendo passare corrente continua (DC) attraverso gli avvolgimenti del rotore tramite un anello di contatto e spazzole. I progetti più recenti che utilizzano macchine a magneti permanenti possono eliminare la necessità di bobine di campo, ma questo approccio presenta altre sfide per la sicurezza poiché la magnetizzazione non può essere disattivata durante le condizioni di guasto. La Figura 2 mostra una tipica implementazione del circuito per una macchina a cinque fasi.

 

 

Figure 2: esempio di azionamento di un BSG a cinque fasi

 

Driver comuni per sistemi a 12V e 48V 

I sistemi Belt-driven starter generator (BSG) (sistemi di generazione dell’avviamento azionato a cinghia) vengono utilizzati su bus di alimentazione sia a 12 V che a 48 V. Un sistema BSG a 12V non è in grado di fornire lo stesso vantaggio di potenza di un generatore di avviamento a 48V. In genere, i sistemi a 12V sono limitati a <10 kW mentre i sistemi a 48 V possono generare fino a 25 kW o più. Con l’aumentare della potenza, aumentano anche le richieste dei gate driver. Per le posizioni P0/P1, è vantaggioso utilizzare un’architettura comune per entrambe le batterie da 12V e 48V senza componenti aggiuntivi o riprogettazione. L’utilizzo di un’architettura comune riduce i tempi di progettazione e il costo della distinta base (BOM) e consente un’unica piattaforma per i sistemi BSG sia nei sistemi a 12V che a 48V. Ad esempio, il gate driver half-bridge AMT49502 di Allegro MicroSystems può funzionare da 5,5 V a 80 V, rendendolo una piattaforma versatile per applicazioni BSG che funzionano su una  Vbb da 12 V o da 48 V. Il regolatore della pompa di carica del dispositivo fornisce l’azionamento del gate per due MOSFET a canale N. La Figura 3 mostra uno schema a blocchi funzionale per un progetto half-bridge. Richiedendo una sola alimentazione, tutta la logica interna è alimentata da un regolatore di alimentazione con logica on chip alimentato da un regolatore della pompa di carica. Il regolatore è responsabile di fornire 11 V regolati dal condensatore di bootstrap, che garantisce che il MOSFET high-side abbia 11 V sul gate con una tensione della batteria di 5,5 V. Il regolatore della pompa di carica fornisce anche la tensione alla logica interna, che riduce la dissipazione di potenza complessiva del chip. Ridurre al minimo il consumo di energia è la chiave per operare a 48 V senza richiedere una regolazione buck. Inoltre, una piccola pompa di carica integrata è responsabile del mantenimento dello switch high-side su un duty cycle del 100%.

Un amplificatore di  current sensing integrato ad alte prestazioni misura la corrente attraverso uno shunt di corrente low-side, consentendo a ciascuna corrente di fase di essere ricondotta a un microprocessore. Il rilevamento della corrente indipendente su ciascuna delle tre fasi dell’inverter consente il controllo completo del Field Oriented Control (FOC) con ridondanza. Ogni MOSFET può essere controllato in modo indipendente utilizzando gli ingressi logici insieme a un ingresso ENABLE secondario, che fornisce un percorso indipendente per disabilitare il bridge o per attivare la modalità sleep. È disponibile una porta di interfaccia seriale (SPI) per  la diagnostica e impostare i parametri funzionali.

 

 

Figura 3: Diagramma a blocchi funzionale per il gate driver AMT49502

 

Progettato per ambienti esigenti

I sistemi di generazione dell’avviamento possono produrre tensioni elevate sul ponte inverter. In modalità generatore, lo scopo dell’inverter è convertire le correnti trifase in tensione e corrente DC che possono essere applicate al sistema di batterie da 12V o 48V. In definitiva, la tensione creata dal motore si basa sulla velocità di rotazione. È importante che il ponte dell’inverter sopravviva ai transienti di tensione che si verificano durante la rotazione ad alta velocità e durante le transizioni dalle modalità di drive e generatore. I gate driver devono essere sufficientemente robusti per gestire le correnti elevate e i transienti di tensione presenti nel sistema. Progettando i gate driver per resistere a questi transienti, lo sviluppatore risparmia tempo prezioso nella progettazione e riduce al minimo il costo addizionale dell’aggiunta di soppressori  ad alta tensione per proteggere il sistema. Quando un MOSFET high-side si spegne in modalità generatore, i transienti di tensione sul ponte possono produrre tensioni negative di oltre 5 V sul driver low-side e più di 10 V sul nodo di fase. Il gate driver AMT49502 può sopravvivere a –8 V sul gate low-side e –18 V sul drive high-side rispetto al nodo di fase, come mostrato nella Figura 4. Una combinazione di robuste performance ai transienti e un algoritmo di controllo intelligente assicurano che anche i sistemi ad alta potenza non danneggino l’inverter.

 

Figura 4: Prestazioni tipiche dei transienti in un’architettura a 48V

 

I componenti dei veicoli elettrici (EV) devono essere abbastanza robusti da gestire sia i transienti di tensione negativa che soddisfare i requisiti sulle emissioni elettromagnetiche. Gli inverter del generatore di avviamento devono commutare rapidamente per mantenere l’efficienza fornendo la migliore riduzione delle emissioni possibile. Devono, inoltre, limitare l’entità delle emissioni elettromagnetiche per soddisfare i severi requisiti OEM.

Per soddisfare il compromesso tra alta efficienza e basse emissioni elettromagnetiche, il driver AMT49502 dispone di una topologia di pilotaggio del gate di corrente programmabile “piecewise” che consente l’accensione e lo spegnimento controllati di tutti i MOSFET nel sistema. Le transizioni MOSFET off-to-on e on-off sono controllate come descritto in dettaglio nella Figura 5. Tutti i parametri sono programmati tramite una porta SPI. Quando a un gate drive viene dato il comando di accendersi, una corrente, I1, viene generata sul terminale del gate high-side o low-side per una durata, t1. Questi parametri in genere dovrebbero essere impostati per caricare rapidamente la capacità di ingresso del MOSFET all’inizio della regione di Miller poiché la tensione di drain-source non cambia durante questo periodo. Successivamente, la corrente proveniente da GH o GL è impostata su un valore di I2 e rimane su questo valore mentre il MOSFET transita attraverso la regione di Miller e raggiunge lo stato di completamente acceso.

Le transizioni MOSFET on-off sono controllate come mostrato nella Figura 5. Quando a un gate drive viene comandato di spegnersi, una corrente, I1, viene assorbita dal terminale del gate high-side o low-side per una durata, t1. Questi parametri dovrebbero tipicamente essere impostati per scaricare rapidamente la capacità di ingresso del MOSFET all’inizio della regione di Miller poiché la tensione di drain-source non cambia durante questo periodo. Successivamente, la corrente assorbita dal terminale di gate high-side o low-side è impostata su un valore I2 e rimane su questo valore mentre il MOSFET transita attraverso la regione di Miller e raggiunge lo stato di completamente spento.

 

Figura 5: Rappresentazione di un gate drive programmabile “piecewise”

 

Il pieno controllo della commutazione MOSFET aumenta l’efficienza e riduce le EMI. La riduzione dei tempi morti e del tempo necessario al MOSFET per raggiungere il suo valore Vt migliora le prestazioni dell’inverter riducendo al minimo il tempo per la commutazione del MOSFET high-side e low-side e migliora la fedeltà della corrente sinusoidale. La corrente, programmabile nella regione di Miller controlla la switch del MOSFET, che limita le emissioni mantenendo i tempi di commutazione efficienti.

Il gate driver trifase A49100 di Allegro MicroSystems con certificazione ASIL D è disponibile per sistemi puramente a 48V. L’utilizzo di un driver trifase integrato, consente progetti e sistema ancora più piccoli.

L’A49100 offre diagnostica aggiuntiva e la possibilità di verificare ogni diagnostica con circuiti di test integrati. Per i progetti single-driver, questa funzione aggiuntiva di diagnostica e verifica fornisce un livello di sicurezza funzionale in grado di notificare all’unità di controllo del motore (ECU) una serie di guasti.

Alcuni modelli a 48 V possono trarre vantaggio da gate driver ultra piccoli. Ad esempio, il gate driver half-bridge A89500 da 10 a 100 V in un package DFN 3 × 3 mm è così piccolo che può ridurre lo spazio complessivo del circuito stampato (PCB).

Il dispositivo può essere utilizzato in un azionamento di bobina, o come inverter, con una corretta analisi di sicurezza. Il driver viene fornisce un’alimentazione di gate da 8 a 13 V e il bridge field-effect transistor (FET) si collega direttamente a una batteria da 48 V. Vedi il diagramma a blocchi di Figura 6 per i dettagli.

 

Figura 6: Package e diagramma a blocchi funzionale del gate driver A89500

 

Progettato per la sicurezza 

I guasti del generatore di avviamento possono causare un sovraccarico del pacco batteria agli ioni di litio, che può essere pericoloso se le celle sono in corto. Pertanto, i circuiti del generatore di avviamento devono essere conformi allo standard ISO 26262, che in genere richiede una certificazione di livello “B”. Ad esempio, un guasto nel ponte inverter mentre il generatore sta ancora girando ad alta velocità può causare una condizione di sovraccarico. In un sistema a cinque fasi, una soluzione è rimuovere efficacemente il campo magnetico sul rotore disabilitando il driver della bobina di campo. In questa implementazione, la progettazione è fondamentale per lo sviluppo di un sistema di sicurezza. I gate driver in questo sistema possono rendere il requisito più facile da raggiungere se sono progettati per la sicurezza. L’AMT49502, ad esempio, è stato progettato su un processo di sviluppo certificato ISO 26262 e il dispositivo è certificato come conforme ASIL B.

Dotato di una diagnostica avanzata, ogni driver half-bridge contiene quasi venti funzioni diagnostiche tra cui rilevamento del load dump, protezione da cortocircuito MOSFET, sotto-tensione del gate drive, sovratensione di alimentazione del ponte, avviso di alta temperatura e altre condizioni. La diagnostica IC fornisce al controller di sistema le informazioni necessarie per monitorare il funzionamento e prendere decisioni sulle azioni intraprese dal sistema per garantire un funzionamento sicuro. La Figura 7 mostra le funzioni diagnostiche supportate dal gate driver AMT49502.

 

 Figura 7: Funzioni diagnostiche del gate driver half-bridge AMT89502

Conclusione 

I sistemi BSG stanno diventando più comuni nei progetti di controllo motore HEV grazie alla loro facile implementazione, al footprint simile ai sistemi di alternatori esistenti e all’eliminazione di importanti modifiche al gruppo propulsore (nelle posizioni P2 – P4). Poiché i sistemi di generazione dell’avviamento continuano a evolversi, un’ulteriore integrazione potrebbe influire sul ruolo dei BSG nel tempo. In futuro, i sistemi a 48 V probabilmente domineranno nelle posizioni P3 – P4.

L’utilizzo di una piattaforma comune per i sistemi a 12V e 48V semplificherà e faciliterà la transizione alle soluzioni a 48V. I sistemi di generazione dell’avviamento trarranno vantaggio anche dalla diagnostica di sicurezza, dalla ridondanza offerta dal controllo del ponte ,dal rilevamento della corrente e dalle solide performance ai transienti.


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