Power Electronics Wiki Fakulty elektrotechniky a informačných technológií
Používateľské nástroje
Nástroje webových stránok
Bočný panel
navigácia
Obsah
48V elektrický systém
Budúca generácia napájacieho zdroja?
rebholz_48v_systems_htwg-konstanz.pdf
Takže čo by mohlo byť prirodzenejšie, aby ste znížili napätie tak ďaleko, že sa dajú vynechať všetky ochranné opatrenia - môže to byť samozrejme iba bezpečná distribúcia napätia vo vozidle 300A) vo vozidle.
Druhý faktor novej situácie v napätí je spôsobený rastúcim prostredím elektrických spotrebiteľov. Komfortní spotrebitelia, ako napríklad systémy riadenia dynamiky elektrických vozidiel, požadujú špičkové výkony viac ako 1 kW. S tým sa nedokážu vyrovnať ani inteligentné elektrické systémy s napätím 12 V. Dokonca aj moderný trojfázový generátor má také krátkodobé dodatočné požiadavky.
Riešenie by sem priniesla aj vyššia úroveň napätia s dostatočnou pamäťou. Alebo všeobecne: Čo robiť, ak má palubná sieť 12V príliš málo energie - ale výkon neoprávňuje vysokonapäťový systém?
Dodávatelia teraz reagovali a vyvinuli značnú škálu komponentov založených na novej úrovni napätia 48V. Implementácia a ochota rozhodovať na strane výrobcov OEM sú však stále obmedzené, takže súčasné začínajúce podniky so sériovým napájaním s účasťou 48 V sú stále zvládnuteľné.
Ďalej sa podrobnejšie skúmajú riziká a príležitosti novej technológie 48V z hľadiska vývoja elektroniky.
48V: Prečo sa mi číslo zdá také známe?
Áno, toto číslo našim starším kolegom vyzerá dobre. Na začiatku 90. rokov sa uskutočnili pokusy o zvýšenie celej palubnej siete 12V na sieť 42V. Vtedy, rovnako ako teraz, bola situácia menovitého napätia založená na dostupných úložných systémoch.
Najnovší stav techniky
V súčasnosti je vo vývoji široká škála 48V aplikácií. V najjednoduchšej aplikácii sa 48V sieť skladá z niekoľkých komponentov, ktoré sú napájané zo strany 12V. Subsieť je odpojená cez DC/DC prevodník a vybavená pamäťou, aby boli k dispozícii prechodné výkonové špičky, napríklad pre spotrebiteľov podvozku alebo elektrické turbodúchadlo. Palubná sieť 12V je časom zaťažená iba mierne (niekoľko 100 W), zatiaľ čo na strane 48 V sú možné krátkodobé výkony v rozsahu kW. Príkladom toho je napríklad elektrická stabilizácia valenia v Audi SQ7 [2].
Ak sa má pomocou úrovne 48 V dosiahnuť výrazné zníženie CO2, musí sa nájsť možnosť premeny elektrickej energie na pohyb vozidla. Typicky používaný synchrónny stroj sa musí potom okrem podpory motora použiť na vyváženie energetickej bilancie v systéme 48V. Tu sa použije vyššie opísaný cyklus nabíjania/vybíjania v závislosti od predpokladaného jazdného profilu.
Typ spojenia s hnacím ústrojenstvom je rozhodujúci pre účinnosť alebo maximálny použiteľný dodatočný krútiaci moment systémov. Vo väčšine prípadov sa používa známa topológia rozšírená na 48V palubnú sieť. Najjednoduchšou variantou je výmena trojfázového generátora 12V za 48V pásový štartér (RSG). Túto konfiguráciu nájdete napríklad v súčasnom modeli Renault Scenic [3] so špičkovým výkonom 10 kW. Nevýhodou je, že pri elektrickej jazde musí byť motor odtiahnutý cez RSG. Okrem toho musí byť pás schopný prenášať energiu alebo vytvárať dostatočný krútiaci moment na naštartovanie motora.
Účinným riešením je umiestniť elektrický stroj za motor alebo prevodovku. Pri elektrickej jazde je možné motor odpojiť, sila sa prenáša priamo na hnací hriadeľ. Táto možnosť s integrovaným štartovacím generátorom (ISG) však vyžaduje ďalekosiahle opatrenia v komponentoch prevodovky, spojky a hnacej sústavy, a preto ju nemožno ľahko integrovať do existujúcej konfigurácie.
Systémy David proti Goliášovi - 48V vs. 400V (HV)
Zavedená palubná sieť s napätím 48 V vo vozidle otvára nové možnosti pre mnoho odborných oblastí pri implementácii ich funkcií, ktoré sa predtým dali vyriešiť iba mechanicky. Elektrická stabilizácia valenia, ktorá je už v sériovej výrobe, je len jedným príkladom z mnohých aplikácií. Na ďalších aplikáciách, ako sú elektrické preplňovanie alebo systémy vzduchového pruženia, sa horúčkovito pracuje. Dokonca aj dodatočné spracovanie výfukových plynov je možné optimalizovať pomocou 48V komponentov. Zavádzanie úrovne 48V iba spomaľuje súčasný nebezpečný vývoj elektrických vozidiel.
Ak by sa nové komponenty zvýšili na úroveň 48 V, bolo by dobré vedieť, že neskoršia integrácia do elektrických vozidiel je nevýhodná?
Nový vývoj ovládacieho zariadenia je vždy nákladný a časovo náročný. Ak mimoriadna dostupnosť komponentov 48 V v elektrických vozidlách vynúti okrem napätia 12V a HV aj ďalšiu úroveň napätia, dnešná výhoda vyprchá alebo sa zmení na nevýhodu. Integrácia do elektrického vozidla znamená ďalší batériový systém, ktorý musí byť napájaný ďalším prevodníkom HV/48V DC/DC.
Pre výrobcov vozidiel, ktorí prispôsobia svoju spotrebu vozového parku právnemu rámcu zavedením elektrických a hybridných vozidiel, hrá technológia 48V určite podradnú úlohu. Ak spaľovací motor pokračuje, neexistuje cesta okolo zavedenia „ľahkej“ elektrifikácie cez hladinu 48V. V najvyššej etape expanzie je možné preukázať, že systémy ISG sľubujú podobnú výhodu CO2, aká je obdoba hybridných systémov prvej generácie.
Výhody 48V technológie
Okrem zníženia spotreby pomocou podpory elektromotora alebo rekuperácie brzdnej energie ponúka nová úroveň napätia možnosť ľahkého napájania elektrických spotrebičov so špičkovým výkonom viac ako 1 kW. V moderných vozidlách prémiovej triedy je inštalovaný spotrebiteľský výkon približne 6 - 8 kW. Oproti tomu existuje generátor s výkonom 3-3,5 kW. Inteligentné riadenie energie je preto nevyhnutné pre vyváženú rovnováhu náboja. V závislosti od jazdnej situácie a urgentnosti musia byť uprednostnení jednotliví spotrebitelia. Napríklad rozmrazovanie zadného alebo čelného skla bude mať vždy prednosť. V prípade potreby je možné škrtiť komfortnými funkciami, ako je vyhrievanie sedadla alebo volantu. Na strane 12V už nie je možné lokalizovať ďalšie vysokoprúdové spotrebiče. Najmä pokiaľ ide o spotrebiteľov, ktorí musia byť neustále k dispozícii, ako sú podvozok, pohon alebo systémy na čistenie výfukových plynov. Spotrebitelia, ktorí konajú iba sporadicky a majú výkony menšie ako 1 kW, môžu v budúcnosti zostať na strane 12V. Možní kandidáti na zvýšenie na stranu 48V:
- Vykurovanie okien
- Ventilátor
- Vnútorný ventilátor
- interiér PTC
- elektrické riadenie
- Vykurovacie systémy všeobecne
Keď sa napätie zvyšuje, proporcionálne klesá prúd, čo môže mať za následok malú hmotnostnú výhodu v elektroinštalácii vozidiel. Zároveň nebude možné kompenzovať dodatočnú hmotnosť požadovanú pamäťovou jednotkou, prevodníkom DC/DC a prípadne RSG.
Nevýhody technológie
Používanie novej technológie 48V má samozrejme aj nevýhody. V prvom kroku raison d'être musí byť odôvodnené ďalšie úsilie z hľadiska nákladov a hmotnosti, pokiaľ ide o ďalšie funkcie a optimalizáciu CO2. V opačnom prípade každá úroveň riadenia spôsobí, že nápad opäť zmizne ako pekný trik od elektrotechnikov. Palubnú sieť 48 V nie je možné úplne použiť bez bezpečnostných opatrení. Rovnako ako v prípade konvenčnej palubnej siete s napätím 12 V, je treba čo najviac zabrániť skratu. Pretože zvodové prúdy na strane 12 V sú už klasifikované ako kritické, musí sa zabrániť aj nežiaducim prúdom v systémoch 48V. Použité pamäťové jednotky 48V sa v pohotovostnom stave zvyčajne deaktivujú pomocou separátora. Napriek tomu zostávajú niektoré pracovné body týkajúce sa bezpečnostných opatrení:
- Ako servisný technik rozpozná komponent 48V?
- Ako je možné zistiť bezpečný stav vypnutia v dielni?
- Ako je chránený proti opätovnému zapnutiu?
- Ako sa kontrolujú komponenty 48V po havárii?
Všetky body sú prevádzkové body, ktoré sa musia zodpovedajúcim spôsobom zohľadniť. Dôležitejšia je skutočnosť, že v prípade poruchy sa môžu vytvárať nežiaduce oblúky. Je možné rozlišovať medzi dvoma typmi oblúka. Sériové oblúky sa vyskytujú vždy, keď je prerušený prúd, napríklad pri pretrhnutí vedenia alebo pri zatiahnutí kontaktov. Pripojené vedenie so svojou vlastnou indukčnosťou funguje ako zdroj prúdu alebo je prúdový prúd udržiavaný konštantný bez ohľadu na to, či je alebo nie je prítomný vodič. V prípade prerušenia vedenia bude prúd ďalej pokračovať ako sériový oblúk cez plazmu. Sériovým oblúkom je možné zabrániť niekoľkými spôsobmi:
- Zaistite, aby pri zaťažení nebolo možné odstrániť žiadne kontakty
- Riadené vedenie káblov vo vozidle, zamedzenie nárazovým zónam
- Zvýšená vstupná kapacita na dotknutých riadiacich jednotkách
- Skrutkované kontakty (je zabránené nechcenému odstráneniu zákazníkom alebo servisom)
Zaobchádzanie s slaboprúdovými paralelnými oblúkmi ešte nie je doriešené a bolo predmetom kontroverznej diskusie medzi odborníkmi. Ak úplný skrat nevyhnutne spustí ochranu vedenia alebo poistku batérie, zostane nepovšimnutý poruchový prúd, ktorý je rádovo v prúde spotrebiteľa. Paralelné oblúky sú možné iba vtedy, ak je spätný vodič realizovaný cez telo analogickým spôsobom ako pri technológii 12V. Podľa siete 12V možno pravdepodobne nikdy úplne zabrániť poruchovým prúdom. Pravdepodobnosť výskytu sa však musí minimalizovať vhodnými opatreniami. Pragmatickým riešením je zabezpečiť, aby nemohlo dôjsť k elektrickému oblúku. Toto sa docieli pomocou konštruktívnych riešení:
- V oblasti nárazu vozidla nie sú káble
- Deaktivácia 48V palubnej siete pri detekcii pádu
- Vystužený plášť kábla v kritických oblastiach
- Vzdialenosť od susedných vedení 12V
Pôsobivým laboratórnym experimentom je zapálenie oblúka pomocou napájacej jednotky s napätím 50V. Obrázok zobrazuje simuláciu oblúka s napájacou jednotkou obmedzenou na 5 A a dvoma štandardnými laboratórnymi zásuvkovými kontaktmi. Oblúk je možné zapáliť ako zápalka a zostane stabilný na hodnote približne 6 mm, kým dobrovoľne neuvoľníte kontakty v dôsledku vývinu tepla.
Rôzne riešenia detekcie oblúka sú známe z príbuzných inžinierskych vied, ako sú fotovoltaika alebo technológia vysokého napätia. Väčšina metód na tento účel používa informácie z frekvenčného rozsahu, pretože v mnohých prípadoch je oblúk viditeľný ako širokopásmový interferenčný modul. Všetky spôsoby majú nevýhodu v podobe ďalších výdavkov na hardvér alebo sa im zatiaľ nepodarilo preukázať spoľahlivé fungovanie vo všetkých prípadoch počas celej životnosti vozidla.
Okrem oblúkov existuje ešte jeden hororový scenár, ktorý okrem požiaru vozidla znamená celkovú ekonomickú stratu vozidla. Nežiaduci presluch alebo galvanické spojenie s nízkym odporom medzi dvoma podsieťami, v ktorých je svorka 30 dlhší čas stiahnutá na 48V, znamená určitú smrť pre komunikáciu aj pre vstupné obvody väčšiny riadiacich jednotiek. V závislosti od topológie vozidla alebo použitej pamäte (najmä jej výkonu) by bolo treba vymeniť veľkú časť riadiacich jednotiek 12V. Preto je potrebné brať do úvahy nežiaduci presluch medzi úrovňami napätia tak v každej dotknutej riadiacej jednotke, ako aj pri kladení káblov. Konštruktívne opatrenia sú zvyčajne dostatočné na zabránenie presluchom. Výnimkou je prevodník DC/DC. Je to spojenie medzi dvoma podsieťami a je tu považované za kritický komponent. Príslušná klasifikácia ASIL s uloženými mierami musí brániť udržaniu maximálneho napätia na oboch stranách prevodníka.
Koľko batérií potrebuje vozidlo
Zmenšovacie 12 V batérie by mali prispieť k zníženiu hmotnosti a tiež ku konštruktívnym opatreniam v karosérii vozidla. Maximálny počet rôznych batérií vo vozidle sa dosiahne, ak je v hybridnom vozidle nevyhnutné napájať 48V komponent s ostrovným riešením. Okrem 12V a HV batérie musí byť vo vozidle integrovaná aj 48V pamäť. To však určite nebude norma.
Vo vozidle s 48V RSG alebo ISG je možné upustiť od 12V batérie vozidla?
Technológia štandardizácie/testovania
Každá technológia vyžaduje špecifikované prevádzkové podmienky a pravidlá, v rámci ktorých sa komponenty pohybujú, aby bola zaistená plynulá interakcia rôznych komponentov. V týchto pravidlách musí byť okrem cieľových hodnôt definované aj prevádzkové správanie v medzných pracovných bodoch, ako aj medzná hodnota odolnosti proti rušeniu a emisie. Špecifikácia skúšky VDA320 [5] „Elektrické a elektronické komponenty vo vozidlovej sieti 48V“ definuje požiadavky a skúšky pre komponenty určené na použitie v palubnej sieti 48V.
Otázky týkajúce sa technológie
[1] 48V-voltový elektrický systém - kľúčová technológia na ceste k elektromobilite, ZVEI - Ústredná asociácia elektrotechnického a elektronického priemyslu e.V.
[4] 48V Technology, Bernhard Klein, Oliver Maiwald, ISBN 978-3-86236-102-1
[5] VDA320, odporúčanie VDA Elektrické a elektronické súčasti motorových vozidiel s palubnou sieťou 48 V
48V seminár
48V Bordentzsysteme - SEMINÁR - Základy, komponenty, dizajn a použitie
Seminár o elektroinštalácii 48V začína všeobecnou definíciou elektroinštalácie 48V a pojednáva o tom, odkiaľ pochádza zámer pre novú úroveň napätia. Diskutuje sa o štruktúre a funkčnosti potrebných komponentov a sú odvodené konštrukčné kritériá.
Obsah seminára:
Úvod:
Kapitola 1: Aplikácie a oblasti použitia