Texas Instruments presenta nuovi prodotti e progetti di riferimento per veicoli elettrici e ibridi

I nuovi circuiti analogici con funzioni avanzate di monitoraggio e protezione delle batterie e dell’inverter di trazione consentono di ridurre le emissioni di anidride carbonica e aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici e ibridi (HEV/EV). Ne parliamo con Ivo Marocco, Director of Business Development and Functional Safety for Battery Automotive Products in HEV/EV presso Texas Instruments.

Texas Instruments (www.ti.com) ha presentato recentemente alcuni progetti di riferimento completamente testati per sistemi di gestione della batteria e inverter di trazione, insieme a nuovi circuiti analogici con funzioni avanzate di monitoraggio e protezione in grado di ridurre le emissioni di anidride carbonica e rendere possibile realizzare veicoli elettrici ibridi e veicoli elettrici (HEV/EV) con autonomia maggiore. 

Come velocizzare il time to market e ottenere al tempo stesso una maggiore accuratezza nel monitoraggio della batteria

Con la possibilità di scalare su circuiti di supervisione delle batterie da 6 a 90 celle in serie, il nuovo progetto di riferimento per il sistema di gestione della batteria (BMS, battery management system) di TI, utilizza l’avanzato monitor di precisione della batteria BQ79606A-Q1 con bilanciamento.

Figura 1 – Schema a blocchi del progetto di riferimento che utilizza il dispositivo BQ79606A-Q1.

 

Sfruttando questo progetto di riferimento gli ingegneri possono portare rapidamente i loro prodotti automobilistici sul mercato; il sistema utilizza un progetto di riferimento, che implementa il monitor per la batteria in una configurazione daisy-chain per creare una struttura di sistema estremamente accurata e affidabile per pacchi batteria agli ioni di litio da 3 a 378 serie, da 12 V a 1,5 kV.

Il BQ79606A-Q1 ad elevata integrazione consente un monitoraggio accurato dei livelli di temperatura e tensione e aiuta a massimizzare la durata della batteria e l’autonomia in marcia.

Inoltre il monitor per batteria BQ79606A-Q1 è dotato di comunicazione a stato sicuro per aiutare i progettisti di sistemi a soddisfare i requisiti fino ad ASIL D (Automotive Safety Integrity Level D), ossia l’obiettivo di sicurezza funzionale più elevato definito dalla norma ISO 26262 per i veicoli stradali.

 

Figura 2 – BQ79606A-Q1, schema applicativo.

 

Approfondiamo la conoscenza di questo nuovo componente in un’intervista a Ivo Marocco, ingegnere italiano laureato al Politecnico di Bari, che attualmente copre il ruolo di Director of Business Development and Functional Safety for Battery Automotive Products in HEV/EV in Texas Instruments, presso la sede di Dallas, citta texana dove vive e lavora.

Ivo Marocco, ingegnere italiano laureato al Politecnico di Bari, copre attualmente il ruolo di Director of Business Development and Functional Safety for Battery Automotive Products in HEV/EV in Texas Instruments, presso la sede di Dallas, citta texana dove vive e lavora.

D: Come mai la misura della tensione delle celle deve essere così precisa?

R: Diciamo innanzitutto che questo prodotto, progettato specificatamente per veicoli elettrici ed ibridi, non è soltanto un semplice monitor per batterie ma provvede ad effettuare il balancing dello stato di carica delle singole celle. Per quanto riguarda la precisione della misura, esiste una diretta correlazione tra la precisione con cui viene rilevata la tensione e la precisione dell’algoritmo che calcola lo stato di carica della batteria e lo stato di salute, due parametri che sono legati al valore di tensione, fino al livello del millivolt, di ciascuna cella. Un errore di misura di 1 – 10 mV si può tradurre in un apprezzabile valore di autonomia (qualche miglio o qualche chilometro) riportato dall’indicatore della vettura. Più è precisa la misura e più è accurato il risultato dell’indicatore di miglia. Il valore residuo dell’autonomia viene calcolato da un algoritmo predittivo che tiene conto sia del valore di tensione che delle caratteristiche di guida.

Quanto sia importante la precisione di questo sistema lo vediamo nelle gare di Formula E dove il pilota arriva alla fine della gara con meno dell’1% percento della capacità disponibile.

Ma la precisione della misura della tensione non è sufficiente: il sistema deve essere in grado di riportare con la stessa precisione, in maniera sincronizzata il valore della corrente che fluisce dalla batteria. Il nuovo chip ha la capacità di leggere in maniera accurata e sincronizzata entrambi questi valori, garantendo una precisione dell’ordine del digit.  

D: L’altro parametro al quale prestate molta attenzione è quello relativo alla temperatura…

R: Il monitoraggio della temperatura assolve a differenti scopi, in ogni caso tutti legati alla difficoltà delle celle al litio di operare a temperature elevate con problemi sia di performance che di sicurezza quando la temperatura supera i 75 gradi centigradi. Bisogna dunque monitorare dall’interno la temperatura del pacco batterie affinché la temperatura non superi quella soglia. Il monitoraggio della temperatura viene effettuato attraverso termistori inseriti nei punti chiave del pacco batteria collegati direttamente al convertitore analogico digitale del circuito integrato BQ79606A-Q1. Questa informazione viene trasferita alla centralina di controllo che può intervenire in maniera adeguata. C’è tuttavia un altro aspetto legato alla temperatura che ha un impatto sull’algoritmo che calcola lo stato di carica della batteria. L’algoritmo, infatti, dipende non solo dalla precisione con cui vengono misurate tensione e corrente, ma anche dalla temperatura delle celle in quanto l’impedenza della cella dipende dalla temperatura e l’impedenza, insieme a tensione e corrente, gioca un ruolo fondamentale nel calcolo dello stato di carica.  Il BQ79606A-Q1 è in grado di rilevare la temperatura con una precisione migliore del grado centigrado all’interno dell’intero range di temperatura.

 

Gestione termica affidabile sull’intero sistema dell’inverter di trazione

Con così tanti kilowatt di potenza che passano attraverso l’inverter di trazione di un veicolo elettrico e attraverso le batterie, l’innalzamento termico che ne deriva potrebbe danneggiare i costosi e sensibili elementi del powertrain. Una efficace gestione termica del sistema è fondamentale per le prestazioni del veicolo e per proteggere conducente e passeggeri.

Per proteggere dal surriscaldamento i sistemi powertrain, ad esempio un gruppo elettrogeno di avviamento a 48 V, TI ha introdotto il sensore analogico di precisione per la misura della temperatura TMP235-Q1. Questo dispositivo a bassa potenza e bassa corrente di riposo (appena 9 μA) fornisce un’elevata accuratezza di misura (±0,5 °C tipica e ±2,5 °C di accuratezza massima sull’intera gamma di temperature operative da -40 °C a 150 °C) per aiutare i sistemi come gli inverter di trazione a reagire ai picchi di temperatura e applicare appropriate tecniche di gestione termica.

Protezione avanzata senza sacrificare lo spazio nei sistemi con inverter di trazione

Il dispositivo di rilevamento della temperatura TMP235-Q1 si unisce ai gate driver UCC21710-Q1 e UCC21732-Q1 recentemente presentati nel consentire ai progettisti di creare inverter di trazione più piccoli e più efficienti. Questi dispositivi sono i primi gate driver isolati a integrare funzionalità di rilevamento per transistor bipolari a gate isolati (IGBT) e transistor ad effetto di campo al carburo di silicio (SiC), che aumentano l’affidabilità del sistema in applicazioni fino a 1,5 kVRMS e con una maggiore protezione da sovratensioni di isolamento oltre i 12,8 kV e con una tensione di isolamento specificata di 5,7 kV. Inoltre i dispositivi offrono brevi tempi di rilevamento per la protezione da eventi di sovracorrente, garantendo al tempo stesso un arresto sicuro del sistema.

Per alimentare i nuovi gate driver direttamente dalla batteria a 12 V dell’auto, TI ha rilasciato un nuovo progetto di riferimento per presentare tre tipi di opzioni di alimentazione a polarizzazione IGBT/SiC per gli stadi di potenza con inverter di trazione. Il progetto è costituito da circuiti di protezione dall’inversione di polarità, clamping dei transienti elettrici e protezione da sovratensione e sottotensione. La struttura compatta comprende il nuovo LM5180-Q1, un convertitore step-down sincrono da 100 V, 1 A, con corrente di riposo in standby tipica molto bassa di 10 μA.

 

Figura 3 – Progetto di riferimento di inverter per trazione con nuovi gate driver ad elevato isolamento e stadio di potenza IGBT.

 Package, disponibilità e prezzi dei prodotti

Prodotto Tipo di package Prezzo (quantità da 1.000 pezzi)
BQ79606A -Q1 Package HTQP da 48 pin, 9 mm x 9 mm US $ 5,49
TMP235-Q1 Package SC-73 da 5 pin, 2 mm x 1,25 mm US $ 0,18
LM5180-Q1 Package WSON da 8 pin, 4 mm x 4mm US $ 3,86
UCC21710-Q1 SOIC (small-outline integrated circuit) in plastica a 16 pin US $ 4,00
UCC21732-Q1 SOIC in plastica a 16 pin US $ 4,00

Ulteriori informazioni sulla gamma di progetti di riferimento e sui circuiti integrati di TI per sistemi sono disponibili sul sito TI.com/EV.

 

Approfittiamo della disponibilità di Ivo Marocco per porgli alcune domande di carattere generale relative alla corsa all’elettrificazione delle autovetture.

D: Quanto pesa l’automotive nel business di Texas Instruments?

R: La risposta è molto semplice: automotive e industrial sono diventate da tempo le due aree più importanti dell’attività di TI, determinanti per la crescita dell’azienda.

D: Ritiene che l’elettrificazione delle vetture sulla quale in molti stanno puntando adducendo la motivazione ambientale avrà successo nonostante le prospettive di una produzione elettrica interamente da fonti rinnovabili siano ancora lontane nel tempo e, allo stato attuale l’elettrificazione significa solamente lo spostamento dell’inquinamento da un luogo ad un altro.

R: Come dicevo prima, automotive e industrial sono le due aree più importanti per l’attività di Texas Instruments. Al momento questa scelta appare l’unica possibile ed in ogni caso questa è l’attività di cui mi occupo io. Per ora tutta l’attenzione è sullo sviluppo di prodotti dedicati all’automotive.

D: In quest’ambito, oltre all’elettrificazione, l’altro fondamentale trend riguarda la guida autonoma. Quale connessione esiste tra queste due tendenze e quali sono le iniziative di TI in quest’ultimo campo?

R: Il punto di connessione tra i due trend è sicuramente quello della sicurezza, con TI impegnata prevalentemente nella ricerca in ambito sensoristico. Le vetture autonome del futuro avranno una loro intelligenza (e a questo stanno lavorando da anni alcune società californiane) ma avranno bisogno anche di un grande numero di sensori, attuatori, sistemi di comunicazione: è in questo campo che Texas Instruments sta realizzando prodotti all’avanguardia.

D: Cosa pensa dei sistemi di ricarica veloce? Esiste qualche iniziativa di TI in questo campo?

R: Sicuramente la possibilità di ricaricare la batteria in pochi minuti anziché in qualche ora, spianerebbe la strada all’elettrificazione di massa. La ricerca in questo campo è portata avanti dai produttori di batterie: sfortunatamente, al momento, più velocemente si caricano le batterie (o con correnti più elevate) maggiore è il degrado delle celle. In ogni caso diventerà sempre più importante un monitoraggio accurato delle celle con TI in prima linea a fornire tutto il supporto necessario.

 

 

Arsenio Spadoni

Journalist, ElettronicaIn Publisher & Founder, Futura Elettronica Founder,

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.

0