Una maggiore durata della batteria può avere molti vantaggi, tra cui un aumento delle prestazioni del sistema, una migliore operatività e una riduzione dei costi. Uno dei modi per prolungare la durata della batteria consiste nell'ottimizzare la progettazione del circuito per limitare il numero di dispositivi attraverso i quali deve fluire la corrente prima di raggiungere un carico. In questo articolo scopri come la tecnologia PassThru™ può contribuire a rendere la vita di un sistema di accumulo di energia più duratura ed efficiente.
Introduzione
Prolungare la durata di una batteria significa prestazioni di sistema più elevate, tempi di attività più lunghi e costi inferiori. In genere, ci sono tre modi per raggiungere questo obiettivo, ovvero migliorando la tecnologia delle batterie, progettando dispositivi migliori e innovando i sistemi di gestione dell'alimentazione. Migliorare la tecnologia delle batterie implica la selezione della batteria giusta per una determinata applicazione e la progettazione del sistema di gestione della batteria appropriato per controllare la carica, regolare la temperatura e ridurre al minimo le perdite. La progettazione di dispositivi migliori richiede la considerazione di componenti hardware efficienti e di firmware robusto, entrambi necessari per garantire un equilibrio ottimale tra funzionalità e longevità. Per ottimizzare in modo intelligente il consumo energetico, è possibile sfruttare i più recenti sistemi di gestione della potenza che utilizzano algoritmi basati sull'intelligenza artificiale, topologie più recenti e metodi di controllo del convertitore efficienti, come la modalità PassThru e la modalità di risparmio energetico.
Conoscere i supercondensatori
L'uso di dispositivi di accumulo dell'energia, come i supercondensatori, insieme alle batterie, può essere utile in diversi casi d'uso. I vantaggi includono operazioni di carica e scarica rapide per brevi picchi di potenza, durata più lunga e maggiore efficienza complessiva del sistema. I supercondensatori, ad esempio, sono ideali per immagazzinare rapidamente energia e fornire energia di riserva. Tra i loro vantaggi è inclusa un'elevata resistenza a temperature e condizioni ambientali estreme. Se combinati con le batterie, come nelle auto elettriche, i supercondensatori aiutano a migliorare le prestazioni e a prolungare la durata della batteria. Inoltre, i supercondensatori sono una soluzione migliore per l'ambiente.
Figura 1. Confronto tra le tipiche caratteristiche di scarica di un supercondensatore da 24 V e quelle di una batteria Li-Po con un carico di 0,5 A.
Nella Figura 1 sono mostrate le differenze tra un supercondensatore e una batteria. Alla stessa tensione nominale, la batteria Li-Po a 6 celle da 0,1 Ah presenta le caratteristiche di una sorgente di tensione, dal momento che fornisce una tensione più stabile durante l'intero funzionamento. Al contrario, la tensione diminuisce linearmente quando la corrente scorre da un supercondensatore da 2 farad al carico. Questa caratteristica di scarica lineare dei supercondensatori richiede sistemi più efficienti per convertire la loro energia. In questo caso è preferibile utilizzare la funzionalità del convertitore buck-boost in quanto può regolare correttamente la tensione d'uscita indipendentemente dal fatto che la tensione in entrata sia inferiore o superiore all'impostazione della tensione d'uscita.
Cos'è la modalità PassThru?
La tecnologia PassThru è una caratteristica essenziale per i dispositivi con un'ampia corrente in ingresso. Migliora l'efficienza e prolunga la durata dei sistemi di accumulo dell'energia rispetto ai sistemi che utilizzano il controllo tradizionale (controller buck-boost standard). Il "passthrough" si verifica quando, in una finestra di tensione predefinita, l'ingresso viene passato direttamente all'uscita, comportandosi come un cavo in cortocircuito. La tecnologia PassThru agisce come una rete tra la fonte di alimentazione, ad esempio un supercondensatore, e il carico, garantendo la regolazione della tensione entro un intervallo accettabile specificato. Garantisce che il dispositivo funzioni nel modo più efficiente possibile fornendo un percorso diretto dalla fonte di alimentazione al carico. La modalità PassThru è una parte importante per garantire l'efficienza ottimale in qualsiasi dispositivo alimentato da supercondensatore, poiché riduce i cicli di carica/scarica del supercondensatore, oltre a migliorare le emissioni EMI e le prestazioni generali del dispositivo.
In che modo la modalità PassThru prolunga la vita di un sistema di accumulo dell'energia
La modalità PassThru nei convertitori buck-boost a 4 interruttori fornisce un percorso diretto dalla fonte di alimentazione al carico di uscita in base a un'impostazione specifica della finestra, come mostrato nella Figura 2. L'ingresso viene passato direttamente all'uscita. Ciò migliora l'efficienza nella finestra PassThru specificata eliminando le perdite di commutazione e migliora anche la compatibilità elettromagnetica, poiché non è presente alcuna frequenza di commutazione in modalità PassThru. La modalità PassThru in un convertitore buck-boost fornisce flessibilità poiché offre la possibilità di impostare una tensione d'uscita buck diversa rispetto alla tensione d'uscita boost. Ciò si distingue dai tipici circuiti integrati buck-boost che hanno solo una tensione d'uscita nominale. Questa funzione protegge anche il carico quando la tensione in entrata si comporta in modo anomalo. La tecnologia PassThru è una modalità d'esercizio dell'LT8210, l'unico circuito integrato con controller buck-boost sul mercato a disporre di questa funzionalità.
Figura 2. Schema del circuito del convertitore buck-boost con modalità PassThru.
Per informazioni dettagliate sul funzionamento dell'LT8210 in modalità PassThru, è possibile visualizzare la scheda tecnica o il profilo di efficienza della scheda dimostrativa. Nella Figura 3 viene mostrato il profilo di efficienza della scheda dimostrativa del DC2814A-A con una tensione in entrata compresa tra 4 V e 24 V e un carico compreso tra il 10% e l'80%. Utilizzando l'LT8210, questa scheda dimostrativa funziona con una tensione in entrata compresa tra 4 V e 40 V, una corrente a pieno carico di 3 A e una tensione d'uscita compresa tra 8 V e 16 V. Il funzionamento in modalità PassThru aumenterà l'efficienza fino al 5% per carichi più pesanti e fino al 17% per carichi più leggeri, ad esempio con un carico di corrente del 10%, se riferito al funzionamento buck-boost. Pertanto, in condizioni operative con carico leggero, la modalità PassThru offre un miglioramento significativo.
In particolare, mentre la modalità PassThru dell'LT8210 consente di impostare una tensione d'uscita boost diversa dalla tensione d'uscita buck, quando la tensione in entrata è vicina all'impostazione della tensione d'uscita, viene visualizzata la regione buck-boost. Questa regione buck-boost presente nell'LT8210 è dovuta all'intersezione delle regioni di controllo buck e boost rispetto alla regolazione della corrente di un induttore.
Figura 3. Profilo di efficienza del DC2814A-A.
Per comprendere l'effetto della modalità PassThru, considerare l'esempio del sistema nella Figura 4. Il convertitore buck-boost a 4 interruttori viene utilizzato come preregolatore per un convertitore del punto di carico, utilizzato anche come driver del motore. Sebbene la fonte di alimentazione sia un supercondensatore da 24 V, il motore CC richiede una specifica di entrata di 9 V e 0,3 A. Il convertitore buck-boost utilizzerà la modalità PassThru o il tradizionale controllo buck-boost a 4 interruttori che funziona in modalità di conduzione continua (CCM). Tenere presente che il tradizionale controllo buck-boost non dispone della modalità PassThru. Le uniche modalità operative sono buck, boost e buck-boost, come mostrato nella Figura 3.
Il sistema che utilizza la modalità PassThru ha la tensione d'uscita boost impostata su 12 V e la tensione d'uscita buck impostata su 27 V. Ciò consente alla tensione iniziale del supercondensatore di rientrare nei limiti della banda passante. Pertanto, il sistema funziona in modalità PassThru nell'intervallo di tensione del supercondensatore compreso tra 24 V e 12 V. Durante questo periodo, l'efficienza raggiunge il 99,9%. Tenere presente che, prima di passare alla modalità boost, il convertitore entrerà in modalità buck-boost, con un conseguente calo di efficienza. D'altra parte, il sistema che funziona con il tradizionale controllo buck-boost convenzionale è stato impostato per funzionare con una tensione d'uscita costante di 16 V. Ciò allo scopo di impostare la tensione d'uscita approssimativamente al centro delle impostazioni dei limiti della banda passante.
Figura 4. Diagramma a blocchi di un motore alimentato da un supercondensatore.
Figura 5. Confronto dell'efficienza di un sistema abilitato alla modalità PassThru rispetto a un convertitore buck-boost tradizionale gestito da CCM.
Nella Figura 5 viene mostrato un confronto dell'efficienza dei due convertitori buck-boost mentre la tensione passa da 4 V a 24 V, a 2,7 W. La modalità PassThru ha aumentato l'efficienza dal 22% al 27% rispetto al sistema controllato in modo tradizionale. Per convalidare ulteriormente la differenza tra i due sistemi, entrambi sono stati testati utilizzando la funzione di emulazione della batteria dell'IT6010C-80-300 di ITECH. Per emulare la risposta del supercondensatore con un tempo di esecuzione di almeno 120 secondi, sono state utilizzate le seguenti impostazioni: tensione iniziale di 24 V, tensione finale di 0 V, carica elettrica di 0,005 Ah e resistenza interna di 0,01 mΩ. Nella Figura 6 sono mostrate le forme d'onda dei due sistemi. Il canale 1 si riferisce alla tensione dell'emulatore della batteria, il canale 2 si riferisce alla tensione del motore e il canale 3 si riferisce alla corrente del motore. Il sistema controllato dalla modalità PassThru ha funzionato per 224 secondi, mentre il sistema controllato in modo tradizionale ha funzionato solo per 150 secondi. È stato quindi osservato un aumento del 49% del tempo di funzionamento per il sistema che utilizza la modalità PassThru.
Figura 6. Tempo di funzionamento totale di un motore alimentato da un supercondensatore.
Ecco alcuni degli aspetti che rendono più efficiente un sistema controllato dalla modalità PassThru:
- La modalità PassThru elimina il funzionamento buck.
- La tensione della batteria rientra nella banda passante.
- È progettato per funzionare con carichi leggeri, con particolare attenzione alle perdite di commutazione.
Conclusione
La tecnologia PassThru è un componente fondamentale per garantire prestazioni ottimali in qualsiasi dispositivo alimentato da un supercondensatore. L'utilizzo del controller buck-boost sincrono LT8210 dotato di modalità PassThru può ottimizzare notevolmente l'efficienza di un dispositivo alimentato da un supercondensatore rispetto a un sistema controllato in modo tradizionale (buck-boost gestito da CCM). Nel nostro esempio, la modalità PassThru ha consentito un aumento dell'efficienza del 27% e un aumento del tempo di esercizio totale del sistema, aumentando così il tempo di esercizio del sistema di accumulo dell'energia del 49%.
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