Sistemi a singolo chip dotati di diagnostica e funzionalità avanzate, garantiscono la sicurezza dei veicoli elettrici e ibridi in caso di incidenti e anomalie gravi.
La distribuzione dell’energia nei sistemi di gestione della batteria (BMS) per veicoli ibridi (HEV) ed elettrici (EV) fornisce energia alle funzioni principali del veicolo garantendo allo stesso tempo meccanismi di disconnessione sicuri nel caso di sovratensioni o sovracorrenti. Due componenti fondamentali del sistema di distribuzione dell’energia dedicati alla sicurezza, i relè ad alta tensione (contattori) e i fusibili di disconnessione (squib o pirofusibili), devono affrontare crescenti sfide di progettazione derivanti dalle richieste di supportare tensioni e correnti più elevate unitamente a maggiore efficienza e affidabilità. La Figura 1 mostra una panoramica dei relè ad alta tensione e dei fusibili di disconnessione.
Il fusibile non ripristinabile della batteria si attiva in scenari di emergenza per interrompere il collegamento tra la batteria e il resto dell’auto. I relè ad alta tensione, ovvero i contattori, collegano e disconnettono le linee di alimentazione durante il normale funzionamento.
In questo articolo discuterò delle tecnologie emergenti nei contattori e nei driver dei fusibili che stanno contribuendo a rendere il BMS più intelligente, sicuro ed efficiente.
Abilitazione di un sistema di disconnessione della batteria rapido e affidabile
In caso di collisione, è necessario interrompere l’alimentazione ai sistemi a valle per evitare ulteriori complicazioni o danni. Le due soluzioni più comuni oggi sono i classici fusibili a fusione e i fusibili pirotecnici. I fusibili tradizionali si attivano quando un eccesso di corrente scalda l’elemento sensibile che fonde; il valore della corrente di intervento è preimpostato in fabbrica. I fusibili pirotecnici richiedono l’impiego di un driver elettronico che invia un segnale al fusibile per provocarne la rottura; questo segnale viene prodotto da circuiti discreti o dai driver squib dell’airbag.
I fusibili pirotecnici offrono maggiore affidabilità e un’implementazione più rapida per fare fronte alle potenze sempre più elevate delle batterie dei veicoli HEV e EV.
Tuttavia, i sistemi tradizionali utilizzati per pilotare i fusibili pirotecnici sono inadeguati quando si cerca di ottenere tempi di reazione molto rapidi. La necessità di soddisfare i requisiti dell’Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO), ISO26262, aggiunge crescente complessità a questi progetti.
Per ottenere tempi di risposta più rapidi, il driver del fusibile pirotecnico DRV3901-Q1 di Texas Instruments implementa un’interfaccia hardware diretta a 2 pin che può bypassare l’interfaccia parallela seriale (SPI). Il driver DRV3901-Q1 ha la capacità di accoppiarsi con un sensore di tensione, corrente o resistenza (UIR) per un’implementazione ancora più rapida. Un sensore UIR, come il dispositivo BQ79631-Q1, può comunicare direttamente con il driver DRV3901-Q1 attraverso i pin hardware, eliminando la necessità di un microcontrollore.
Una delle funzioni più critiche del fusibile pirotecnico è quella di scollegare la batteria dal resto del sistema in caso di incidente o altro guasto critico. I progettisti del sistema devono garantire che le funzionalità del fusibile pirotecnico siano sempre disponibile per attivarsi in modo affidabile. La diagnostica integrata del DRV3901-Q1 monitora lo stato del driver, lo stato del fusibile pirotecnico e la disponibilità dell’alimentazione di riserva.
Per monitorare la disponibilità dell’alimentazione di backup, viene misurato il condensatore di riserva. Questo condensatore funge da fonte di alimentazione di riserva per il sistema del pirofusibile nel caso in cui l’alimentazione principale dalla batteria non sia più disponibile. Controllando periodicamente la tensione di scarica di questo condensatore, consente al driver DRV3901-Q1 e all’MCU di rilevare un guasto in questo sistema di back-up avvisando per tempo dell’anomalia.
È importante che il fusibile si attivi quando necessario, ma è altrettanto importante che non si accenda per sbaglio. Il driver DRV3901-Q1 è dotato di diagnostica di sicurezza integrata per impedire l’attivazione involontaria del fusibile pirotecnico. Ciò si ottiene attraverso diverse funzioni, tra cui driver separati high-side e low-side, pin ridondanti per l’accensione diretta dell’hardware e protezione CRC (Cyclic Redundancy Checking) sull’interfaccia periferica seriale.
Migliorare la distribuzione della potenza in tutto il veicolo
I collegamenti più comuni nelle linee di alimentazione di un HEV o EV sono i contattori principali che collegano la batteria ad alta tensione all’inverter di trazione. Possono essere presenti altre linee di alimentazione, come i contattori di carica AC/DC che collegano una stazione di ricarica alla batteria e i contattori ausiliari che collegano altri carichi elettrici come luci interne o riscaldatori.
Un contattore è un solenoide a bassa tensione che controlla un interruttore a relè meccanico in grado di fornire corrente elevata ed operare con tensioni elevate. I contattori nei veicoli HEV ed EV si stanno evolvendo per gestire sistemi di potenza ancora più elevata. L’elemento solenoide a bassa tensione del contattore è spesso azionato da un circuito di controllo, chiamato economizzatore.
Il circuito dell’economizzatore è diventato sempre più importante e complesso per raggiungere requisiti più elevati di efficienza, affidabilità e sicurezza e per contribuire a migliorare l’efficienza energetica in condizioni di alta potenza. Questi circuiti aiutano a ridurre il consumo di corrente necessario per mantenere chiuso il contattore. L’economizzatore può essere integrato direttamente nel contattore o aggiunto esternamente. I contattori che richiedono un economizzatore esterno aggiungono un livello di complessità che complica il raggiungimento degli obiettivi di sicurezza a livello di sistema.
Un driver per contattore ad alta potenza completamente integrato, come il driver DRV3946-Q1, può sostituire i complessi progetti con economizzatore. Il driver DRV3946-Q1 consente un’accensione efficiente e uno spegnimento sicuro del contattore. Per ottenere un’accensione più efficiente, il driver DRV3946-Q1 dispone di un controllo programmabile della corrente di picco e di mantenimento.
La Figura 2 mostra questa funzionalità in azione. È possibile fornire più corrente durante l’avvio per effettuare la connessione iniziale. Dopo aver effettuato il collegamento, nella fase di “mantenimento” la corrente può essere ridotta ad un livello inferiore. La possibilità di programmare le fasi di picco e mantenimento fornisce un’attivazione più robusta ed efficiente del contattore.
Anche lo spegnimento del contattore è fondamentale; avere la capacità di disconnettere rapidamente un contattore aiuta a prevenire la saldatura dei contatti e fornisce una prima linea di difesa al resto dei sistemi del veicolo quando qualcosa va storto. Le soluzioni comuni per l’implementazione del controllo della corrente di picco e mantenimento con capacità di scarica rapida portano a circuiti complessi. Il driver DRV3946-Q1 combina queste due funzioni in un unico chip per contribuire a ridurre la complessità del sistema, migliorare l’efficienza e la sicurezza.
Conclusione
Migliorare l’efficienza e l’affidabilità del contattore aiuta ad aumentare il chilometraggio percorribile e aumenta la sicurezza nel funzionamento quotidiano di veicoli ibridi ed elettrici. L’integrazione del driver del fusibile pirotecnico in una soluzione a chip singolo facilita decisioni più intelligenti e rapide su quando interrompere la connessione della batteria. Il driver del fusibile pirotecnico DRV3901-Q1 e il driver del contattore DRV3946-Q1 offrono ai progettisti di sistema valide opzioni per progettare veicoli più intelligenti e sicuri.
Jennifer Jordan è Product Marketing Engineer presso Texas Instruments
