Usar conversores de energia bidirecionais e PFC para melhorar a eficiência do HEV, BEV e da rede elétrica

Os projetistas de sistemas de energia para veículos híbridos elétricos (HEVs) e veículos elétricos a bateria (BEVs) estão sob pressão constante para melhorar a eficiência e a confiabilidade, ao mesmo tempo em que reduzem os custos. Enquanto a mudança para trilhos de 12 e 48 volts duplos ajudou a melhorar a eficiência ao reduzir o peso da fiação do chassi, os projetistas precisam de soluções dedicadas para melhor gerenciar as duas fontes de energia para que possam suportar melhor uma à outra, ao mesmo tempo em que permitem que o veículo suporte aplicações bidirecionais de veículo para rede (V2G).

Esta necessidade levou ao desenvolvimento de conversores bidirecionais e sistemas de correção do fator de potência bidirecional (PFC) que permitem aos projetistas otimizar o desempenho geral de um veículo elétrico duplo de 12 volts/48 volts (EV) e também conectar à rede para fluxo de energia bidirecional.

Este artigo define e revisa os benefícios da conversão bidirecional de energia em sistemas automotivos e padrões associados. Em seguida, apresenta soluções de fornecedores como Texas Instruments, Analog Devices e Infineon Technologies e mostra como elas podem ser usadas para implementar conversores de energia bidirecionais.

O que é conversão bidirecional de energia?

Em um HEV com arquitetura de dupla voltagem de 12 volts/48 volts, uma fonte de alimentação bidirecional liga os sistemas de 12 volts e 48 volts para que uma bateria possa ser recarregada pela outra. Ela também permite que cada bateria forneça energia extra para qualquer um dos trilhos de tensão no caso de uma condição de sobrecarga (Figura 1). Como resultado, os projetistas podem usar baterias menores para cada uma, resultando em maior confiabilidade, maior eficiência e menor custo.

Figura 1: Uma fonte de alimentação bidirecional no coração de uma arquitetura de dupla voltagem liga os sistemas de 12 volts e 48 volts para que cada bateria possa ser recarregada pela outra e fornecer energia extra no caso de uma condição de sobrecarga. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Nos BEVs, os projetistas podem usar PFC bidirecional para apoiar o carregamento bidirecional da bateria, assim como a operação V2G. Um sistema V2G suporta maior eficiência de várias maneiras:

• Pode retornar energia para a rede durante períodos de alta demanda
• Pode reduzir a taxa de carga das baterias conforme necessário para ajudar a equilibrar a carga na rede
• Permite que o veículo seja utilizado para armazenar energia de fontes renováveis de energia

Enquanto os sistemas de dupla tensão em HEVs são autocontidos dentro do veículo e aumentam a economia de combustível, o carregador bidirecional em um sistema V2G é projetado para trazer benefícios de custo mais amplos além das melhorias na economia de combustível e deve fazer interface com o mundo exterior.

A implementação da V2G requer tecnologias e algoritmos de comunicação para sentir o status da rede, bem como a capacidade de interface com a infra-estrutura de carregamento de veículos elétricos (Figura 2).

Figura 2: Além da conversão de energia bidirecional, os sistemas V2G precisam incluir vários padrões de interconexão e comunicação. (Fonte da imagem: Honda)

A infra-estrutura V2G resultante traz benefícios econômicos, incluindo a capacidade de fornecer energia à rede durante períodos de pico de demanda (potencialmente gerando renda para o proprietário do veículo) e recarregar baterias de veículos durante períodos de baixa demanda de eletricidade (reduzindo os custos de carregamento de veículos).

Normas relacionadas à conversão de energia bidirecional

As especificações do LV148/VDA320 definem os requisitos elétricos e as condições de teste para combinar um barramento de 48 volts e um barramento de 12 volts em sistemas automotivos de dupla voltagem (Figura 3). O LV148 foi adotado pelas montadoras alemãs Audi, BMW, Daimler, Porsche e Volkswagen, e se aplica tanto aos veículos convencionais de combustão interna quanto aos HEVs. No momento desta redação, a norma ISO 21780 para "Veículos rodoviários - Tensão de alimentação de 48 V - Requisitos e testes elétricos" está em desenvolvimento.

Figura 3: As especificações do LV148/VDA320 definem os requisitos elétricos e as condições de teste para combinar um barramento de 48 volts e um barramento de 12 volts em sistemas automotivos de dupla voltagem; mostrada é a especificação para um barramento de 48 volts. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Há vários protocolos de comunicação que podem ser aplicados aos sistemas V2G, inclusive:

• ISO/IEC 15118: Define uma interface de comunicação V2G para carga/descarga bidirecional de veículos elétricos. Ele usa a especificação IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) de comunicação de linha de força em banda larga (PLC) como o melhor protocolo para garantir uma comunicação robusta e uma alta taxa de dados. Operando em freqüências entre 2 MHz e 30 MHz, o HPGP permite ao sistema distinguir dados válidos em uma linha conectada contra ruído de outras fontes próximas.
• IEC 61850: Define protocolos de comunicação para dispositivos eletrônicos inteligentes em subestações elétricas que podem ajudar a gerenciar o fluxo de energia entre recursos elétricos renováveis e equipamentos de abastecimento de veículos elétricos (EVSE), tais como carregadores.

Figura 4: IEC 61850 define fluxos de energia e dados para sistemas V2G e usa a especificação IEEE P1901.2 HPGP PLC para garantir uma comunicação robusta e uma alta taxa de dados. (Fonte da imagem: IBIS)

Conversores multi-fásicos bidirecionais DC-DC para sistemas de 12 volts/48 volts

O alto nível de potência de um conversor bidirecional típico DC-DC de 12 volts/48 volts geralmente resulta no uso de uma topologia multifásica. Um projeto multifásico melhora a eficiência geral da conversão ao permitir a queda de fase, reduzindo o número de fases ativas à medida que a demanda de energia diminui. Os projetos multifásicos também permitem o uso de componentes de filtro menores nas saídas de cada fase; o uso de indutores menores melhora o desempenho transitório da carga. Finalmente, a operação das fases com a intercalação apropriada resulta em menor ondulação de saída.

A LM5170-Q1 da Texas Instruments é um controlador de corrente bidirecional multifásica de alto desempenho destinado a gerenciar a transferência de corrente entre a seção de 48 volts e a seção de 12 volts dos sistemas automotivos de bateria dupla (Figura 5). Integra funções analógicas essenciais que permitem o projeto de conversores de alta potência com um número mínimo de componentes externos. A operação paralela multifásica é obtida conectando dois controladores LM5170-Q1 para operação em três ou quatro fases, ou sincronizando vários controladores com relógios com mudança de fase para um número maior de fases.

Figura 5: O controlador de corrente bidirecional multifásica LM5170-Q1 gerencia a transferência de corrente entre as seções de 48 volts e 12 volts de um sistema automotivo de dupla bateria; as setas vermelhas destacam o fluxo de corrente bidirecional. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

A LM5170-Q1 inclui amplificadores de sentido de corrente diferencial de canal duplo e monitores de corrente de canal dedicados para alcançar uma precisão de corrente típica de 1%. Os robustos portões de meia ponte (A) de 5 amperes são capazes de acionar interruptores MOSFET paralelos com 500 watts ou mais por canal. O modo de emulação de diodos dos retificadores síncronos evita correntes negativas, mas também permite o funcionamento em modo descontínuo para maior eficiência com cargas leves. As características de proteção versáteis incluem limitação de corrente ciclo a ciclo, proteção de sobretensão tanto em portas de alta como de baixa tensão, detecção de falha MOSFET e proteção contra sobretemperatura. Este controlador é capaz de segurança funcional automotiva.

A Texas Instruments oferece o módulo de avaliação LM5170EVM-BIDIR para que os engenheiros possam avaliar a LM5170-Q1 em aplicações de sistema de bateria dupla de 12 volts/48 volts. As duas fases operam em 180˚ e compartilham uniformemente uma corrente DC máxima de até 60 A. Este módulo de avaliação também inclui vários jumpers para configurar o circuito de forma flexível e conveniente para atender a muitos casos de uso diferentes, incluindo a capacidade de ser controlado por um microcontrolador (MCU) e conversores de alta potência unidirecionais de corda ou de impulso.

Arquitetura multifásica mestre/escravo para conversores bidirecionais

A Analog Devices oferece o controlador regulador de comutação comutador de balde LT8708 para uso em conversores de potência bidirecionais de 12 volts/48 volts. O LT8708 é um controlador DC-DC de 4 interruptores síncronos de 80 volts com capacidade bidirecional que pode suportar correntes de carga de até cerca de 30 A. Para maiores necessidades de corrente, o controlador mestre LT8708 pode ser combinado com um ou mais chips escravos. O uso de uma arquitetura mestre/escravo pode reduzir os custos de solução em projetos multifásicos, uma vez que um único CI mestre (mais caro) pode controlar vários CIs escravos (de menor custo).

Como os escravos estão conectados ao mestre, eles aumentam proporcionalmente a potência e a capacidade atual do sistema. Entretanto, é importante que o escravo tenha os mesmos modos de condução que o LT8708 para que possa conduzir a corrente e a potência na mesma direção que o mestre. O mestre controla os limites gerais de corrente e tensão para um sistema multifásico LT8708, e os escravos obedecem a esses limites.

Um escravo pode ser facilmente paralelizado com o LT8708, conectando quatro sinais juntos (Figura 6). Dois limites de corrente adicionais (corrente VIN direta e corrente VIN reversa) estão disponíveis em cada escravo que podem ser definidos independentemente.

Figura 6: Um conversor DC-DC trifásico utilizando o LT8708 (master) e os circuitos integrados escravos destaca as quatro interconexões de sinal. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A placa demo DC2719A da Analog Devices usa um LT8708 combinado com um escravo associado (LT8708-1) para fornecer 40 A de corrente. A placa pode operar tanto no modo para frente como no modo reverso. O controlador tem reguladores de tensão de entrada e de saída integrados, e dois conjuntos de reguladores de corrente de entrada e de saída que controlam o fluxo de corrente na direção direta ou inversa. Estão incluídas características que simplificam a conversão de energia bidirecional em sistemas de backup de bateria/capacitor e outras aplicações que podem precisar de regulamentação de VIN, VOUT, IIN e/ou IOUT.

Correção do fator de potência bidirecional para BEVs interativos da rede

Para os projetistas de BEVs interativos de rede, a Infineon oferece a placa de avaliação EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, um corretor de fator de potência do totem sem ponte de 3300 W com capacidade de potência bidirecional (Figura 7). Esta placa PFC sem ponte do totem é destinada a aplicações que requerem alta eficiência (cerca de 99%) e alta densidade de potência (72 watts por polegada cúbica).

Figura 7: O EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 é uma placa PFC de 3300 W sem ponte de pólos totens. (Fonte da imagem: Infineon)

A topologia totem-pole em aplicações PFC com operação em modo de condução contínua (CCM) é viabilizada pelo uso de semicondutores de banda larga. Neste caso, o Infineon IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET em um pacote de quatro pinos TO-247 é usado para empurrar a eficiência para 99% com meia carga. O conversor opera exclusivamente a uma alta tensão de linha (176 volts rms mínimo, 230 volts rms nominal) em CCM com uma freqüência de comutação de 65 kilohertz (kHz).

Este totem de 3300 W sem ponte (PFC/AC-DC e inversor/AC-DC) é uma solução de sistema desenvolvida com semicondutores de potência Infineon, assim como os controladores e controladores Infineon. Os dispositivos Infineon utilizados no projeto incluem:

• 64 miliohm (mΩ) 650 volts CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1) em um pacote TO-247 de quatro pinos como comutadores de alta freqüência PFC de pólos totem
• 17 mΩ 600 volts CoolMOS C7 MOSFET(IPW60R017C7) em um pacote TO-247 para a trajetória de retorno do PFC do totem-pole (ponte de baixa freqüência)
• 2EDF7275F portões isolados(EiceDRIVER)
• Controlador ICE5QSAG QR flyback e CoolMOS P7 MOSFET 950 volts(IPU95R3K7P7AKMA1) para a alimentação auxiliar de polarização
• XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Microcontrolador Infineon para implementação de controle PFC

O totem implementado na placa EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 opera em CCM tanto no modo retificador (PFC) quanto no modo inversor, com implementação de controle digital completo usando o microcontrolador Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1.

Conclusão

Com designers buscando melhorar a eficiência, arquiteturas de dupla voltagem 12 volts/48 volts surgiram como a topologia de escolha para HEVs e BEVs. Isto criou a necessidade de uma gestão de energia eficiente para otimizar seu uso. Conversores bidirecionais DC-DC e carregadores de bateria surgiram para permitir que sistemas de 12 volts e 48 volts se apoiem mutuamente nos casos em que seja necessário recarregar um, ou no caso de uma condição de sobrecarga.

Também, no caso dos BEVs, uma etapa PFC bidirecional suporta o fluxo de energia bidirecional entre a bateria e a rede de serviços públicos. A conexão V2G resultante traz benefícios econômicos além de melhorias na economia de combustível, incluindo a capacidade de fornecer energia à rede durante períodos de pico de demanda, e recarregar baterias de veículos durante períodos de baixa demanda de eletricidade.

Leitura recomendada

1. Usar conversores de energia especializados para fazer a ponte entre a Dual 12 V e a Gap 48 V em sistemas automotivos
2. Trazendo EVs para a Smart Grid para Estabilidade e Segurança