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Reguladores con Protocolo LIN

(Local Interconnect Network - Red de Interconexión Local)

Hoy en día, el mayor desafío que tienen los fabricantes de automóviles es mejorar la eficiencia del combustible, a los efectos de reducir el consumo y las emisiones de gases de escape. Estos esfuerzos comienzan con el sistema eléctrico y a decir de los ingenieros, se debe comenzar con el sistema de carga y específicamente con un nuevo sistema integrado regulador – alternador.

Esto es una consecuencia de que los gobiernos están estableciendo reglas y directivas en cuanto a la polución se refiere, por lo que es necesario que la industria automovilística se ajuste a ellas. Como resultado, muchos vehículos tienen la tecnología adecuada para mejorar sus emisiones.

A raíz de lo expuesto más arriba, un reciente lanzamiento de circuito integrado alternador-regulador provee un mejoramiento en el sistema de carga, aumentando su eficiencia.

Esto es conocido con el nombre de Reguladores con LIN (Local Interconnet Network vs1.3), protocolo (o programa) que permite estandarizar y robustecer las comunicaciones con la ECU (Engine Control Unit). -->

El alternador provee de la potencia necesaria para los accesorios que tienen los vehículos y además para cargar la batería del automóvil. Después de rectificada la corriente y por diversas causas, el alternador tiene una eficiencia limitada. Mejorando el arrollamiento de estator por ejemplo (bobinando más juntas las espiras), se pueden obtener mejoras de hasta un 15% al 20%, con el consiguiente aumento de los costos para lograrlo, pero no es algo típico para la mayoría de los vehículos. Por lo tanto, mejorando la eficiencia de los sistemas de carga se puede afirmar que se está en la solución al problema.

Desde esta perspectiva, un mejoramiento de la eficiencia y una reducción del consumo de energía, significa mejorar el control de ambas.

Desde el punto de vista convencional, un regulador de voltaje simplemente aumenta o disminuye la cantidad de corriente del rotor del alternador y a veces mediante una lámpara testigo se indica si hay un problema en el sistema o mediante una señal de un regulador de funciones múltiples a la ECU.

Con la creación o advenimiento del Protocolo (o programa) LIN el regulador y el alternador se pueden interconectar a la ECU de manera que ésta maneje el sistema de carga del vehículo bajo una innumerable cantidad de situaciones del propio sistema.

La figura 1 muestra el regulador, el alternador, la batería y la ECU conectados a un sistema interfase (o de control) de carga.

 

Figura1: El sistema interfase de carga que usa el Protocolo LIN para controlar y diagnosticar información a la ECU.

 

 

Sistema Regulador de Voltaje-Alternador controlado por LIN

Mediante la combinación de tecnologías analógicas, digitales y de potencia se puede proveer de requerimientos de regulación inteligente en un circuito integrado. El circuito integrado de la compañía FreeScale TC80310 es un circuito integrado controlado por LIN que provee tanto la interfase como funciones integradas al mismo para programar la regulación de la potencia suministrada.

La figura 2 muestra el integrado con un núcleo digital, una memoria programable (OTP), un procesador de fase, un convertidor analógico-digital de 10 bit y varios bloques de circuitos.

Figura 2: Diagrama de bloques del integrado TC80310.

Este circuito integrado se denomina Producto Estándar de Aplicación Específica (ASSP) diseñado específicamente para controlar el alternador y no es el primero que existe en el mercado para este propósito.

Es una versión actualizada de diseños anteriores que han sido usadas en vehículos desde hace ya varios años atrás. Estas últimas versiones tienen en cuenta mejorar aún más la funcionalidad e incrementar la calidad de los procesos de manera de tender a una estrategia de defecto cero.

A partir de la capacidad de la tecnología de potencia, el circuito integrado incluye un transistor MosFet que maneja la corriente del rotor del alternador, además de un diodo en donde circula la energía cuando se corta la excitación de rotor para evitar un voltaje excesivo. El integrado tiene solamente siete conexiones y ningún componente externo para formar un completo regulador de voltaje. -->

 

 

 

Para un control de respuesta óptimo, el producto estándar de aplicación específica (ASSP) debe ser montado lo más cercano al alternador posible. Este requerimiento además de las característica solicitadas por los fabricantes de alternadores, están contempladas en el TC80310. Por otro lado, otras razones tales como las restricciones de espacio en el alternador y la necesidad de evitar calentamientos excesivos debido a las altas temperaturas de funcionamiento, es que el encapsulado del integrado cumple acabadamente con estos requerimientos.

Otra de las características del integrado, está relacionada con la capacidad de soportar las descargas electrostáticas (ESD) a tal punto de que cada terminal o pin de salida puede soportar hasta 6.000 volt, cuando en realidad la máquina puede generar +_200v. Para el caso de los terminales B y B+A, éstos pueden soportar hasta 8.000v. El rango de temperatura de funcionamiento está estipulado entre -40ºC a 150ºC.

Debido a que el regulador-alternador LIN se presenta en forma de cápsula, los requerimientos de cableado están dentro de lo que usualmente se conoce, en cuanto a su manipuleo. Los usuarios solamente deben conectar los siete terminales.

Control Mejorado

El protocolo de interfase LIN versión 1.3 del circuito integrado TC80310 permite una comunicación simple y de bajo costo entre el dispositivo y la ECU en tiempo real para optimizar la performance del sistema de carga. La información proporcionada por el producto estándar de aplicación específica (ASSP) incluye la programación de un voltaje de salida, un valor de corriente de excitación, la temperatura de trabajo, los datos del diagnóstico y el modo de trabajo.

Por medio del programa LIN, la ECU tiene la posibilidad de modificar el sistema de operación por ejemplo, adecuarlo a las exigencias de alguna agencia gubernamental de control de emisiones, controlando el alternador para optimizar el consumo de energía de acuerdo a una directiva de funcionamiento.

Si nos referimos a la Figura 2, vemos que hay una memoria (OTP) la cuál permite una configuración y ajuste deseado del circuito integrado y se programa durante la fabricación del mismo. No obstante, existen otros veinte parámetros seleccionables por el usuario que permiten una optimización para usos específicos. Esto hace que el dispositivo sea extremadamente flexible.

Los sistemas de carga logran una rápida respuesta a las solicitudes de variación de carga, si tienen el control de respuesta de carga o LRC (Load Response Control). Este control elimina el golpe y la vibración del motor debidos a la aplicación intespectiva o abrupta de una carga en el sistema eléctrico, a bajas rpm.

En la memoria (OTP) existen variables seleccionables entre las cuales está el control de respuesta de carga (LRC) con valores de rpm que pueden ser activados del orden de 2.400, 3.000, 4.000 rpm ó 0 rpm y un tiempo de duración del mismo que puede ser de 0, 3.0, 6.4 ó 12.3 segundos.

 

Además existen otros estados que pueden ser activados tales como el modo En Espera, Arranque con Fase, Arranque con LIN, Pre-Excitación, Excitación al 100% en corriente continua, Regulación con LRC, Regulación con/o LRC y Regulación de fase. Estos diferentes modos de operación tienen respuestas específicas del dispositivo (ASSP) y en muchos casos, la conexión LIN permite mejorar el control desde la ECU incluyendo transiciones entre los estados. La frecuencia típica de regulación es de 122Hz.

Refiriéndonos nuevamente a la Figura 2, vemos el bloque “Tº Measurement”. Aquí se genera un voltaje proporcional a la temperatura del integrado, que por medio de un convertidor analógico digital es convertido en un valor digital, que se transmite al controlador vía el LIN.

Obviamente, el dispositivo reduce el voltaje de regulación a medida que la temperatura aumenta. Los valores a los cuales se activa la compensación térmica están definidos por los datos cargados a la memoria del mismo.

El diseño del dispositivo también incluye rangos de voltaje de salida seleccionables que van desde los 10.6v hasta 16v y que son programados por el fabricante en la prueba final. Este valor es importante debido a que es el valor que el fabricante de alternadores usa para controlar la regulación a los efectos de optimizar la performance del mismo, además de la vida útil de la batería.

Para rangos de voltaje comprendidos entre 8.5v a 10.6v, la excitación del rotor tiene el 100% del ciclo de trabajo (la corriente de excitación es pulsante cuadrada, PWM) sin la función LRC o control de respuesta de carga. Para rangos menores a 5.0v se resetea el circuito integrado.

Sumado a la regulación de voltaje, el circuito tiene modos de operación por sobre voltaje y por bajo voltaje. Para voltajes del orden de los 16v a los 21v

 

 

 

el ciclo de trabajo es mínimo y para mayores de 21v, la excitación se corta.

Otra de las principales características de este circuito integrado es la habilidad para controlar la corriente de excitación por encima de los 8 Amper. Esto cubre un rango de requerimientos de alternador que va hasta los 150 Amper y aún hasta los 200 Amper. Como contrapartida, existe un valor mínimo de la potencia total que se utiliza como modo de arranque para conservar la potencia en caso de requerirla, que es de 250uA. Con el alternador detenido, la máxima corriente de consumo es de 110uA, lo que reduce notablemente el desgaste de la batería especialmente cuando el vehículo está mucho tiempo parado. El dispositivo tiene modos de detección de fallas entre las cuales podemos mencionar Fallas Mecánicas, Fallas Eléctricas, Fallas Térmicas, Fallas de programa LIN, Fallas de comunicación y Fallas de LIN.

Todo esto demuestra como se ha progresado en la detección de fallas desde aquella simple lámpara testigo de tablero de antaño.

Además de toda la funcionalidad que tiene el TC80310 en cuanto a la comunicación con la ECU, éste puede operar solo o en modo auto-arranque en caso de una desconexión del programa LIN.

Desarrollando el Ecosistema

Con las veinte funciones programables que tiene la memoria OTP del integrado, la tarea de los diseñadores de alternadores se torna sumamente sencilla y mucho menos complicada que para aquellos alternadores con los reguladores analógicos.

Para simplificar aún más el uso del integrado, existe una tableta o circuito de evaluación de a bordo (LIN EVB) que utiliza un software o programa especial para programarlo. Este software se obtiene del fabricante del integrado.

La Figura 5 muestra el alternador con el integrado, conectados a la tableta LIN EVB y ésta última conectada a una PC.

Figura 5: El circuito EVB provee del control total del regulador vía la interfase LIN.

 

Mejorando el Control y la Eficiencia

Mejorando el control por medio de este circuito integrado TC80310, se contribuye con el ahorro de la energía en hasta un 20% que es lo que los fabricantes de automóviles se han propuesto o establecido. Los fabricantes de alternadores y de automóviles pueden optimizar el sistema de carga basándose en la selección apropiada de los parámetros programables del integrado.

Obviamente, también se contribuye a la reducción de las emisiones de CO2.

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