Villamosmérnöki és Informatikai Kar Power Electronics Wiki
Felhasználói eszközök
Weboldal eszközök
Oldalsáv
navigáció
Tartalomjegyzék
48V-os elektromos rendszer
Az áramellátás következő generációja?
rebholz_48v_systems_htwg-konstanz.pdf
Tehát mi lehet a természetesebb, ha a feszültséget annyira lecsökkentik, hogy minden védelmi intézkedést el lehessen hagyni - így természetesen csak 300A feszültségszint lehet), hogy biztonságosan el lehessen osztani a járműben.
Az új feszültséghelyzet második hajtóereje a növekvő elektromos fogyasztói tájnak köszönhető. Az olyan kényelmi fogyasztóknak, mint az elektromos járműdinamikai vezérlőrendszerek, 1 kW-nál nagyobb csúcsteljesítményre van szükség. Még az intelligens 12 V-os elektromos rendszerek sem képesek megbirkózni ezzel. Még egy modern háromfázisú generátort is egyszerűen elgázolnak ilyen rövid távú kiegészítő követelményekkel.
Magasabb feszültségszint elegendő tárolással szintén idehozná a megoldást. Vagy általában: Mi a teendő, ha a 12 V-os fedélzeti hálózat túl kevés energiával rendelkezik - de az energia nem indokolja a HV-rendszert?
A beszállítók az új 48V-os feszültségszint alapján most számos komponenst reagáltak és fejlesztettek ki. Az OEM-ek végrehajtása és a döntéshozatali hajlandóság azonban még mindig korlátozott, így a jelenlegi 48 V-os részvétellel rendelkező induló vállalkozások még mindig kezelhetők.
A következőkben az új 48V technológia kockázatait és lehetőségeit vizsgáljuk meg közelebbről az elektronika fejlesztése szempontjából.
48V: Miért tűnik számomra annyira ismerősnek a szám?
Igen, idősebb kollégáink számára ismerősnek tűnik a szám. A 90-es évek elején megpróbálták a teljes 12 V fedélzeti hálózatot 42 V hálózatra emelni. Akkor, mint most, a névleges feszültség helyzete a rendelkezésre álló tárolórendszereken alapult.
A legkorszerűbb
A 48 V-os alkalmazások széles skálája jelenleg fejlesztés alatt áll. A legegyszerűbb alkalmazásban a 48 V-os hálózat néhány komponensből áll, amelyeket 12 V oldalról táplálnak. Az alhálózatot DC/DC átalakítón keresztül leválasztják és memóriával látják el, hogy átmeneti teljesítménycsúcsokat biztosítsanak, például alváz fogyasztók vagy elektromos turbófeltöltő számára. A 12 V-os fedélzeti hálózat idővel csak kis mértékben van terhelve (néhány 100 W), míg a 48 V-os oldalon rövid távú kimenetek lehetségesek a kW-tartományban. Erre példa például az Audi SQ7 elektromos gördülési stabilizálása [2].
Ha a 48 V-os szint segítségével jelentős CO2-csökkentést kívánunk elérni, meg kell találni a lehetőséget az elektromos energia jármű mozgássá történő átalakítására. A jellemzően használt szinkron gépet ezután a motor támasztékán felül kell használni, hogy kiegyenlítsék az energiamérleget a 48 V-os rendszerben. Itt a fent leírt töltési/kisütési ciklust alkalmazzuk, a feltételezett menetprofiltól függően.
A hajtáslánchoz való csatlakozás típusa döntő a rendszerek hatékonysága vagy maximálisan használható kiegészítő nyomatéka szempontjából. A legtöbb esetben egy ismert topológiát alkalmaznak és kiterjesztenek egy 48 V-os fedélzeti hálózatra. A legegyszerűbb változat a 12 V-os háromfázisú generátor cseréje 48 V-os övindító generátorra (RSG). Ez a konfiguráció megtalálható például a jelenlegi Renault Scenic-ben [3], amelynek maximális teljesítménye 10 kW. Hátránya, hogy a motort elektromos hajtáskor az RSG-n keresztül kell vontatni. Ezenkívül az övnek képesnek kell lennie az erő átadására vagy elegendő forgatónyomaték létrehozására a motor beindításához.
Hatékony megoldás az elektromos gép elhelyezése a motor vagy a sebességváltó mögött. Elektromos vezetés esetén a motor leválasztható, az áram közvetlenül a hajtótengelyre kerül. Ez az opció integrált indítógenerátorral (ISG) azonban átfogó intézkedéseket igényel a sebességváltó, a tengelykapcsoló és a hajtáslánc alkatrészeiben, ezért nem lehet könnyen integrálni egy meglévő konfigurációba.
David kontra Góliát - 48 V és 400 V (HV) rendszerek
A járműben kialakított, 48 V-os fedélzeti hálózat számos szakterület számára új lehetőségeket nyit meg funkcióik megvalósításában, amelyeket korábban csak mechanikusan lehetett megoldani. Az elektromos tekercsstabilizálás, amely már sorozatgyártásban van, csak egy példa a sok alkalmazás közül. Lázasan dolgoznak más alkalmazásokon, például az elektromos turbófeltöltőn vagy a légrugós felfüggesztésen. Még a kipufogógáz utókezelése is optimalizálható a 48 V-os alkatrészek segítségével. A 48 V-os szint bevezetését csak lassítja az elektromos járművek jelenlegi nem biztonságos fejlesztése.
Ha új alkatrészeket emelnek 48 V-os szintre, jól tudva, hogy az elektromos járművekbe történő későbbi integráció hátrányos?
Egy új vezérlőegység kifejlesztése mindig költséges és időigényes. Ha az elektromos járművek 48 V-os alkatrészeinek egyedi rendelkezésre állása a 12 V-os és a HV-feszültség mellett további feszültségszintet is kényszerít, akkor a mai előny kihajlik vagy hátrányossá válik. Az elektromos járműbe történő beépítés egy másik akkumulátorrendszert jelent, amelyet egy további HV/48V DC/DC átalakítóval kell ellátni.
Azoknál a járműgyártóknál, akik elektromos és hibrid járművek bevezetésével igazítják flottafogyasztásukat a jogi kerethez, a 48V-os technológia minden bizonnyal alárendelt szerepet játszik. Ha a belső égésű motor folytatódik, a 48 V-os szinten keresztül nincs lehetőség a "könnyű" villamosítás bevezetésére. A legnagyobb terjeszkedési szakaszban kimutatható, hogy az ISG rendszerek hasonló CO2-előnyt ígérnek, mint az első generációs hibrid rendszerek.
A 48 V-os technológia előnyei
Az elektromos feszültség csökkentése vagy a fékenergia visszanyerése révén történő fogyasztáscsökkenés mellett az új feszültségszint lehetőséget nyújt arra, hogy az elektromos fogyasztókat 1 kW-nál nagyobb csúcsteljesítménnyel könnyen ellátják. A modern prémium kategóriájú járművekben a beépített fogyasztói teljesítmény kb. 6-8 kW. Másrészt van egy generátor, amelynek teljesítménye 3-3,5 kW. Az intelligens energiagazdálkodás ezért elengedhetetlen a kiegyensúlyozott töltésmérleghez. A vezetési helyzettől és a sürgősségtől függően az egyes fogyasztókat kell előtérbe helyezni. Például a hátsó vagy a szélvédő leolvasztása mindig elsőbbséget élvez. A kényelmi funkciók, például az ülés vagy a kormánykerék fűtése, szükség esetén fojthatók. A 12 V-os oldalon más nagyáramú fogyasztókat már nem lehet elhelyezni. Különösen, ha olyan fogyasztókról van szó, amelyeknek állandóan rendelkezésre kell állniuk, például alváz, hajtás vagy kipufogógáz-tisztító rendszerek. Azok a fogyasztók, akik csak szórványosan működnek, kevesebb, mint 1 kW teljesítmény mellett, a jövőben is 12 V-os oldalon maradhatnak. Lehetséges jelöltek a 48V-os emeléshez:
- Ablakfűtés
- Hűtőventillátor
- Belső ventilátor
- belső PTC
- elektromos kormányzás
- Fűtési rendszerek általában
A feszültség növekedésével az áram arányosan csökken, ami enyhe súlyelőnyt eredményezhet a járművek vezetékszerkezetében. Ugyanakkor nem lehet kompenzálni a tároló, a DC/DC átalakító és esetleg az RSG által megkövetelt többlet súlyt.
A technológia hátrányai
Az új 48V-os technológia használatának természetesen vannak hátrányai is. A létjogosultság első lépésében meg kell indokolni a további funkcionalitást és a CO2 optimalizálást illetően a költségek és a súly tekintetében kifejtett további erőfeszítéseket. Ellenkező esetben minden vezetői szint ismét eltűnteti az ötletet, mint az elektromos mérnökök szép trükkje. A 48 V-os fedélzeti hálózat biztonsági óvintézkedések nélkül nem használható teljesen. A hagyományos 12 V-os fedélzeti hálózathoz hasonlóan a lehető legnagyobb mértékben el kell kerülni a rövidzárlatot. Mivel a 12V-os oldalon lévő szivárgási áramok kritikus kategóriába tartoznak, meg kell akadályozni a 48V-os rendszerek nem kívánt áramlását is. A használt 48 V-os tárolóegységeket alapjáraton általában egy szeparátoron keresztül deaktiválják. Mindazonáltal a biztonsági óvintézkedések tekintetében marad néhány munkapont:
- Hogyan ismeri fel a szerviztechnikus egy 48 V-os alkatrészt?
- Hogyan lehet kimutatni a biztonságos kikapcsolt állapotot a műhelyben?
- Hogyan védett az újbóli bekapcsolás ellen?
- Hogyan ellenőrzik a 48V-os alkatrészeket összeomlás után?
Minden pont olyan működési pont, amelyet ennek megfelelően kell figyelembe venni. Kritikusabb az a tény, hogy nem kívánt ívek keletkezhetnek hiba esetén. Kétféle ívelést lehet megkülönböztetni. Soros ívek mindig akkor fordulnak elő, amikor az áramlás megszakad, például amikor egy vonal megszakad, vagy amikor az érintkezőket terhelés alatt húzzák meg. A csatlakoztatott vezeték az öninduktivitásával úgy működik, mint egy áramforrás, vagy az áramáram állandó marad, függetlenül attól, hogy van-e vezető. Vonalmegszakadás esetén az áramlás soros ívként folytatódik a plazmán. A soros íveket többféleképpen lehet megakadályozni:
- Győződjön meg arról, hogy terhelés alatt egyetlen kontaktust sem lehet eltávolítani
- Ellenőrzött kábelvezetés a járműben, az ütközési zónák elkerülése
- Megnövelt bemeneti kapacitás az érintett vezérlőegységeken
- Csavart érintkezők (a véletlen eltávolítás az ügyfél vagy a szerviz által megakadályozott)
A gyengeáramú párhuzamos ívek kezelése még nem megoldott, és a szakértők között vita tárgyát képezte. Ha egy teljes rövidzárlat elkerülhetetlenül beindítja a vezetékvédelmet vagy az akkumulátor biztosítékát, akkor a fogyasztói áramok nagyságrendjében lévő hibaáram észrevétlen marad. Párhuzamos ívek csak akkor lehetségesek, ha a visszatérő vezető a testen a 12 V-os technológiához hasonló módon van megvalósítva. Feltehetően a 12V-os hálózat szerint a hibaáramokat soha nem lehet teljesen megakadályozni. Megfelelő intézkedésekkel azonban minimalizálni kell az előfordulás valószínűségét. A gyakorlati megoldás annak biztosítása, hogy ne keletkezzen elektromos ív. Ezt konstruktív megoldásokkal dolgozzák ki:
- Nincsenek kábelek a jármű ütközési területén
- A 48 V-os fedélzeti hálózat deaktiválása összeomlás észlelésekor
- Megerősített kábelköpeny a kritikus területeken
- Távolság a szomszédos 12 V-os vezetékektől
Lenyűgöző laboratóriumi kísérlet az ív meggyújtása egy 50 V-os tápegységgel. A képen egy ívszimuláció látható egy 5A-ra korlátozott tápegységgel és két standard laboratóriumi csatlakozóval. Az ív gyufaként világíthat, és kb. 6 mm-en stabil marad, amíg ön nem engedi el szabadon az érintkezőket a hőfejlődés miatt.
Az ívérzékelés különféle megoldásait ismerik a kapcsolódó mérnöki tudományok, például a fotovoltaikus vagy a középfeszültségű technológia. A legtöbb módszer erre a célra használja a frekvenciatartományból származó információkat, mivel sok esetben ív észlelhető szélessávú zavaróként. Valamennyi módszer hátránya a további hardverköltségeknek, vagy még nem tudta bizonyítani, hogy minden esetben megbízhatóan működnek a jármű élettartama alatt.
Az ívek mellett létezik egy másik horror-forgatókönyv is, amely a járműtűz mellett a jármű teljes gazdasági veszteségét jelenti. A nem kívánt áthallás vagy egy kis ellenállású galvanikus kapcsolat a két alhálózat között, amelyekben a 30. kapocs hosszabb ideig 48 V potenciálra van húzva, biztos halált jelent mind a kommunikáció, mind a legtöbb vezérlőegység bemeneti áramköre szempontjából. A jármű topológiájától vagy az alkalmazott memóriától (különösen annak teljesítményétől) függően a 12 V-os vezérlőegységek nagy részét ki kellene cserélni. Ezért a feszültségszintek közötti nem kívánt áthallást figyelembe kell venni minden érintett vezérlőegységben és a kábelek fektetésénél is. A konstruktív intézkedések általában elegendőek az áthallás megelőzéséhez. A DC/DC átalakító kivétel, amely a két alhálózat közötti kapcsolat, és itt kritikus komponensnek tekinthető. A megfelelő ASIL besorolásnak, tárolt mérésekkel meg kell akadályoznia a konverter mindkét oldalán a maximális feszültség fenntartását.
Hány akkumulátorra van szüksége egy járműnek
A zsugorodó 12 V-os elemeknek hozzá kell járulniuk a súlycsökkentéshez, valamint a jármű karosszériájának konstruktív intézkedéseihez. A járműben lévő különféle akkumulátorok maximális számát akkor érik el, ha egy hibrid járműben szükségessé válik egy 48 V-os alkatrész szigetszolgáltatással történő ellátása. A 12V és a HV akkumulátor mellett 48V memóriát kell beépíteni a járműbe. Ez azonban biztosan nem lesz a szokás.
A 12 V-os jármű akkumulátorát el lehet adni 48 V-os RSG-vel vagy ISG-vel rendelkező járműben?
Szabványosítási/tesztelési technológia
Minden technológiához meghatározott működési feltételek és szabályok szükségesek, amelyeken belül az alkatrészek mozognak a különböző alkatrészek zavartalan kölcsönhatása érdekében. Az alapjelek mellett a határérték-működési pontok működési viselkedését, valamint az interferencia-zavartságot és az emissziós határértékeket meg kell határozni ezekben a szabályokban. A VDA320 [5] "Elektromos és elektronikus alkatrészek a jármű 48V fedélzeti hálózatában" vizsgálati specifikációja meghatározza a 48V fedélzeti hálózatban használt alkatrészek követelményeit és tesztjeit.
Kérdések a technológiáról
[1] 48 V-os fedélzeti hálózat - kulcsfontosságú technológia az elektromobilitás felé vezető úton, ZVEI - az Elektromos és Elektronikus Gyártók Szövetségének Központi Szövetsége.
[4] 48V technológia, Bernhard Klein, Oliver Maiwald, ISBN 978-3-86236-102-1
[5] VDA320, VDA ajánlás Elektromos és elektronikus alkatrészek gépjárművek 48V fedélzeti hálózatán
48V szeminárium
48V Bordentzsysteme - SEMINAR - Alapismeretek, alkatrészek, tervezés és alkalmazás
A 48 V fedélzeti hálózati rendszerek szemináriuma a 48 V fedélzeti elektromos rendszerek általános meghatározásával kezdődik, és megvitatja, honnan származik az új feszültségszint szándéka. Megbeszéljük a szükséges komponensek felépítését és működését, és levezetjük a tervezési kritériumokat.
A szeminárium tartalma:
Bevezetés:
1. fejezet: Alkalmazások és felhasználási területek