Pojazdy elektryczne: 48V wypiera 12V

Pojazdy elektryczne - a w szerszym ujęciu e-mobilność - to prawdopodobnie jedno z najważniejszych wyzwań, z jakimi firmy technologiczne i konsumenci musieli się zmierzyć w ostatnich latach. Chociaż istnieje coraz większa potrzeba znalezienia przyjaznych dla środowiska systemów, rewolucjonizujących  sposób przemieszczania się, równolegle istnieje również potrzeba zapewnienia dostępnych cen i wysokiej wydajności zielonych technologii.

Producenci pojazdów muszą spełniać coraz bardziej rygorystyczne normy emisji CO₂, a jednocześnie, aby zachować konkurencyjność, zwiększać osiągi pojazdów. Rozwiązaniem tego istotnego wyzwania jest elektryfikacja czysto elektrycznych pojazdów (EV), pojazdów hybrydowo-elektrycznych (HEV) i pojazdów z silnikiem spalinowym (ICE). Z kolei stosowanie akumulatorów o wyższym napięciu, takich jak 48V, 400V i 800V, mających zaspokoić zwiększone wymagania w zakresie zasilania, zwiększyło stopień skomplikowania architektury zasilania i stworzyło nowe problemy, wynikające z ich rozmiaru i wydajności.

Bramą do elektryfikacji są systemy stosowane w tzw. łagodnych pojazdach hybrydowych (mild-hybrid-electric vehicle, MHEV). Określane również jako lekki napęd hybrydowy, przyczynią się do wykładniczego wzrostu popularności modeli hybrydowych. System stosowany w MHEV jest w stanie odzyskać energię pojazdu podczas hamowania i dostarcza energię podczas ponownego uruchamiania pojazdu, zmniejszając w ten sposób zużycie gazu i emisję CO₂.

Alternatywne podejście do elektryfikacji znajdujemy w modelach HEV, w których silnik elektryczny współpracuje z silnikiem spalinowym, dzięki czemu pojazd może podróżować w 100% w trybie elektrycznym przez kilka kilometrów. Inną popularną alternatywą jest hybrydowy pojazd elektryczny typu plug-in (plug-in hybrid-electric vehicle, PHEV), w którym akumulator może być ładowany przez sieć, a zasięg przy zerowej emisji wzrasta do około 50 kilometrów. W tym przypadku poziom elektryfikacji jest zdecydowanie wyższy niż w przypadku technologii MHEV i hybrydowych, jednak  podobnie ma się rzecz z kosztem jego zakupu – mimo to na rynek wchodzą obecnie dziesiątki modeli PHEV.

Pojazdy akumulatorowo-elektryczne (BEV, battery-electric vehicles) nie mają silnika spalinowego (ICE) i są zamiast tego napędzane kombinacją falownika i silnika elektrycznego. Pojazdy typu BEV można ładować przez sieć oraz poprzez odzyskiwanie energii podczas hamowania. Wśród samochodów elektrycznych znajdują się również pojazdy elektryczne o rozszerzonym zasięgu (extended-range electric vehicles, EREV) z małym silnikiem spalinowym, używanym wyłącznie jako generator prądu do ładowania akumulatorów, gdy poziom ich naładowania jest niski. Ostatnią kategorię reprezentują pojazdy elektryczne na ogniwa paliwowe (fuel-cell electric vehicles, FCEV), które są zasilane ogniwami wodorowo - paliwowymi.

Rysunek 1: Prognoza światowego rynku pojazdów elektrycznych według typu układu napędowego (źródło: Vicor / HIS).

Rozwiązaniem mogłyby być nie tylko nowe technologie magazynowania energii, takie jak akumulatory półprzewodnikowe czy wodorowe ogniwa paliwowe, ale także zwiększona wydajność samochodów, osiągnięta dzięki redukcji masy i nowym architekturom sieci elektrycznej pojazdu.

Współczesne wyzwania elektryfikacji

‘Współczesne wyzwania związane z elektryfikacją to utrzymanie niskich kosztów, sprostanie ambitnym celom emisji CO₂, elastyczne reakcje wobec zmiennych wymagań  zasilania, zasilanie starszych odbiorników 12 V, budowa lżejszych, bardziej wydajnych pojazdów, zwiększanie poziomów mocy, szybszy czas ładowania i zarządzanie wyższymi napięciami akumulatorów 800 i 400V’ mówi Patrick Wadden, Global VP Automotive Business Development w Vicor Corporation.

Aby zwiększyć efektywność paliwową silników spalinowych i zmniejszyć emisje CO₂, producenci samochodów osobowych, ciężarowych, autobusów i motocykli w szybkim tempie elektryfikują swoje pojazdy. Istnieje wiele możliwości wyboru sposobu elektryfikacji, ale większość producentów wybiera raczej 48-woltowy system mild-hybrid zamiast pełnego hybrydowego układu napędowego. W systemie mild-hybrid do tradycyjnej baterii 12V dodawana jest bateria 48V.

‘W pojeździe znajduje się akumulator 800- lub 400-woltowy. Moduł pobiera napięcie 800 lub 400 woltów z akumulatora i przekształca je na 48 woltów do zasilania takich urządzeń, jak elektryczna turbosprężarka, przednia szyba czy pompy chłodzące. Systemy zasilane z baterii 800 lub 400V mają możliwość całkowitego wyeliminowania baterii 48V i stworzenia jej wirtualnej wersji. Eliminacja akumulatora 48V zapewnia producentom pojazdów wyższą gęstość mocy, zmniejszenie masy i rozmiaru ogniw, co z kolej umożliwia większy zasięg pojazdu. Rozwiązania te są skalowalne, dlatego są dedykowane dla szerokiej gamy pojazdów, od popularnych modeli do wersji luksusowych’ dodaje Wadden.

Rysunek 2: Konwersja czyli zastosowanie wirtualnych akumulatorów 48 V.

Rysunek 3: Przechodzenie z 12V na 48V.

Technologia 48V skutecznie rozdziela moc

Technologia 48V zwiększa wydajność zasilania czterokrotnie (P = V•I), co może być wykorzystane do uruchamiania urządzeń o większych obciążeniach, takich jak klimatyzacja czy katalizator. Aby zwiększyć osiągi pojazdu, system 48V może też zasilać silnik hybrydowy, służąc do szybszego i płynniejszego przyspieszania przy jednoczesnej oszczędności paliwa.

‘Przezwyciężenie niechęci wobec zmiany opracowywanej latami, zoptymalizowanej pod względem kosztów 12-woltowej sieci dostarczania energii (power delivery network, PDN) może być obecnie największym wyzwaniem’ - powiedział Wadden. ‘Dla przemysłu motoryzacyjnego 48-woltowy system mild-hybrid zapewnia sposób na szybkie wprowadzanie na rynek nowych, praktycznych pojazdów o niższej emisji i większym przebiegu. Zapewnia również nowe, atrakcyjne opcje projektu, służące wyższym osiągom i parametrom, przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji CO₂’.

Zdecydowana większość używanych scentralizowanych konwerterów DC-DC jest nieporęczna i ciężka, ponieważ wykorzystuje stare topologie przełączania PWM o niskiej częstotliwości. Bardziej współczesną architekturą, którą należy wziąć pod uwagę, jest zdecentralizowane dostarczanie energii (Rysunek 4) za pomocą modułów zasilania.

‘Dzięki lżejszemu okablowaniu pojazdu, korzyści ze zdecentralizowanego modelu można uzyskać już na poziomie systemu: istnieją pewne korzyści wynikające z umieszczenia konwertera blisko odbiornika, wynikające z minimalizacji impedancji i rezystancji, uproszczenia metod chłodzenia, a w niektórych przypadkach można nawet wyeliminować chłodzenie cieczą. Nowa topologia stwarza dodatkowe, elastyczne opcje wdrożenia bezpieczeństwa funkcjonalnego’ mówi Wadden.

Opisywana architektura zasilania wykorzystuje mniejsze konwertery i o niższej mocy, z 48V na 12V. Zdecentralizowana architektura zasilania oferuje ponadto znaczące korzyści w zakresie zarządzania ciepłem w systemie zasilania.

‘Spójrzmy na diagram systemu scentralizowanego i porównajmy go z systemem zdecentralizowanym. Po lewej mamy tradycyjną srebrną skrzynkę 3kW z wejściem 400V i wyjściem 12V, rozprowadzające zasilanie do odbiorników 12V w samochodzie. Po prawej stronie znajduje się przykład wykorzystania 48V w samochodzie: konwerter jest umieszczony bezpośrednio w punkcie odbioru,  zdecentralizowany model eliminuje dużą srebrną skrzynkę i rozkłada dystrybucję mocy w pojeździe zgodnie z potrzebami. […] Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię coraz trudniej jest zarządzać systemem zdecentralizowanym, a dalsze dodawanie staromodnych ‘srebrnych pudełek’ nie wchodzi w grę’ tłumaczy Wadden.

48-woltowe sieci PDN muszą obsługiwać starsze, 12-woltowe odbiorniki o zwiększonym zapotrzebowaniu na moc oraz nowe układy napędowe, kierownicze i hamulcowe o dużej mocy za pomocą kabli. Dostarczenie większej mocy przy 48V do rosnącej liczby odbiorników wymaga stosowania modułów o dużej gęstości w porównaniu z większymi, masywniejszymi rozwiązaniami dyskretnymi. Vicor oferuje kilka modułów do zasilania od 48V, obejmujące modele konwersji o stałym lub regulowanym współczynniku, obsługujące zarówno obciążenia 48V, jak i 12 V w trybie buck lub boost. Przetwornice te mogą być umieszczone w jednej obudowie lub rozmieszczone w całym pojeździe przy użyciu mniejszej i lżejszej sieci PDN 48V.

Rysunek 4: Architektura scentralizowana versus zdecentralizowana.

Rysunek 5: Zarządzanie stratami mocy za pomocą tradycyjnego konwertera przy sprawności 94%.

Rysunek 6: Rozwiązania Vicor.

Układy Vicor NBM są używane w architekturze zdecentralizowanej wówczas gdy producenci pojazdów chcą umieścić moduły konwersji napięcia możliwie najbliżej odbiornika i obniżyć napięcie 48V do 12V lub na odwrót.

Stosując stacje ładowania 400V i 800V, kompatybilność pojazdu z dowolną stacją wymaga sposobu konwersji, które jest nie tylko możliwie najprostsza, ale przede wszystkim wydajna. NBM6123 zapewnia konwersję o stałym współczynniku 6,4 kW na 400 V i 800 V w pakiecie CM-ChiP 61 x 23 mm, umożliwiając skalowalne, wysokowydajne rozwiązanie o wysokiej gęstości, zapewniające kompatybilność między przydrożnymi stacjami ładowania i różnymi pojazdami. Dwukierunkowość rozwiązań Vicor umożliwia wykorzystanie tego samego modułu do konwersji typu step-up lub step-down. NBM6123 może być również używany do zasilania klimatyzacji pojazdu podczas ładowania, minimalizując obwód równoważenia akumulatora.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości Vitec Power

Źródło: © Vicor