Elektriske køretøjer (e-mobilitet) er måske en af de største udfordringer, som teknologivirksomheder og forbrugere har stået over for i de seneste år. Mens der er et stigende behov for at finde miljøvenlige systemer, der kan revolutionere den måde, vi bevæger os på, er der også behov for at sikre, at de nye grønne teknologier er så effektive og virkningsfulde som muligt med hensyn til pris og ydeevne.
Køretøjs OEM’er skal opfylde stadig strengere CO2-emissionsnormer og samtidig øge køretøjets ydeevne for at forblive konkurrencedygtige. Denne betydelige udfordring løses ved elektrificering i rent elektriske køretøjer (EV’er), hybrid-elektriske køretøjer (HEV’er) og køretøjer med forbrændingsmotor (ICE’er). Tilføjelsen af batterier med højere spænding som f.eks. 48V, 400V og 800V for at opfylde de øgede effektkrav har til gengæld øget kompleksiteten af strømforsyningsarkitekturer og stillet nye krav til størrelse og effektivitet
Mild-hybrid-elektriske køretøjssystemer (MHEV) er indgangen til elektrificering. De kan også betegnes som let-hybrid fremdrift og vil bidrage til den eksponentielle vækst af hybridmodeller. MHEV-systemet er i stand til at genvinde køretøjets energi under bremsning og leverer energi under genstart af køretøjet, hvilket reducerer benzinforbruget og CO2-emissionerne.
En anden elektrificeringsmetode for HEV-modeller omfatter en elmotor, der arbejder sammen med ICE’en, hvilket gør det muligt for køretøjet at køre 100 % i elektrisk tilstand i nogle få kilometer. Et andet populært alternativ er plug-in hybrid-elektriske køretøjer (PHEV), hvor batteriet kan genoplades af nettet, og hvor rækkevidden ved nul emissioner øges til ca. 50 km. I dette tilfælde er elektrificeringen afgjort højere end MHEV- og hybridteknologier – og det samme gælder anskaffelsesomkostningerne – med snesevis af PHEV-modeller på markedet.
Batteri-elektriske køretøjer (BEV’er) mangler en ICE og drives i stedet af en kombination af inverter plus elmotor. BEV’er kan genoplades via nettet og ved regenerering under bremsning. Blandt elbiler finder vi også elbiler med udvidet rækkevidde (EREV’er) med en lille forbrændingsmotor, der udelukkende anvendes som strømgenerator til at genoplade batterierne, når niveauet er lavt. Den sidste kategori er repræsenteret af brændselscelle-elbiler (FCEV’er), der drives af brint-brændselsceller.
Løsningen kan ikke kun ligge i nye energilagringsteknologier, såsom faststofbatterier eller brintbrændselsceller, men også i forbedret bilvirkningsgrad gennem vægtreduktion og nye el-arkitekturer.
Dagens udfordringer i forbindelse med elektrificering
“Dagens udfordringer i forbindelse med elektrificering er følgende: at holde omkostningerne nede, opfylde aggressive CO2-emissionsmål, håndtere ændrede strømkrav, drive ældre 12V-belastninger, levere lettere køretøjer med højere ydeevne, øge strømniveauer, hurtigere opladningstid og håndtere højere spændinger fra 800V- og 400V-batterisystemer,” siger Patrick Wadden Global VP Automotive Business Development hos Vicor Corporation.
Fabrikanter af biler, lastbiler, busser og motorcykler elektrificerer hurtigt deres køretøjer for at øge forbrændingsmotorernes brændstofeffektivitet og reducere CO2-emissionerne. Der er mange valgmuligheder for elektrificering, men de fleste producenter vælger et 48-volt mild-hybridsystem frem for en fuld hybrid-drivlinje. I mild-hybridsystemet tilføjes der et 48-volts batteri ved siden af det traditionelle 12V-batteri.
“Der er enten et 800- eller 400-volts batteri i køretøjet. Vicor tager enten de 800 eller 400 volt fra batteriet og konverterer strømmen til 48 volt til at drive belastninger som f.eks. den elektriske turbo, forrude- og kølepumperne. Systemer, der får strøm fra 800- eller 400-voltsbatteriet, har mulighed for helt at fjerne 48-voltsbatteriet og skabe et virtuelt 48-voltsbatteri. Denne eliminering af 48 V-batteriet giver OEM’en en højere effekttæthed og en reduktion af vægt og størrelse, hvilket alt sammen giver mulighed for en større rækkevidde i køretøjet. Disse løsninger er skalerbare og kan derfor anvendes til køretøjer på begynder- og luksusniveau”, sagde Wadden.
48V-teknologi fordeler strømmen effektivt
48V-teknologi øger strømkapaciteten med 4x (P = V – I), hvilket kan bruges til tungere belastninger, som f.eks. klimaanlægget og katalysatoren ved opstart. For at øge køretøjets ydeevne kan 48V-systemet drive en hybridmotor, der bruges til hurtigere og jævnere acceleration, samtidig med at der spares brændstof.
“At overvinde tøven med at ændre det mangeårige omkostningsoptimerede 12-volts strømforsyningsnetværk (PDN) kan være den største udfordring”, siger Wadden. Han fortsatte: “For bilindustrien giver et 48V mild-hybridsystem en mulighed for hurtigt at introducere nye køretøjer med lavere emissioner, længere rækkevidde og højere benzinforbrug og praktisk tilgang. Det giver også nye og spændende designmuligheder for højere ydeevne og funktioner, samtidig med at CO2-emissionerne stadig reduceres.”
De allerfleste centraliserede DC-DC-konvertere, der anvendes, er voluminøse og tunge, da de anvender gamle PWM-skiftetopologier med lavfrekvente koblinger. En mere tidssvarende arkitektur at tage i betragtning er decentraliseret strømforsyning (figur 4) ved hjælp af powermoduler.
“Fordelene ved at bruge en decentraliseret model kan realiseres endnu mere på systemniveau med lettere kabler rundt om køretøjet: Der er nogle gode fordele ved at placere omformeren tættest på belastningen med hensyn til at minimere impedans og modstand, nogle af kølemetoderne kan forenkles, og i nogle tilfælde kan man fjerne en kold plade eller væskekøling. Muligheden for at implementere funktionel sikkerhed med flere muligheder og fleksibilitet kommer i spil,” siger Wadden.
Denne strømforsyningsarkitektur anvender mindre, mindre kraftfulde 48V-til-12V-konvertere med lavere effekt. Den decentrale strømforsyningsarkitektur giver betydelige fordele ved termisk styring i et strømforsyningssystem.
“Lad os se på et diagram på højt niveau af et centraliseret system i forhold til et decentraliseret system. Til venstre har vi en traditionel 3kW-sølvboks, traditionelt med en 400V-indgang til en udgang på 12V, der forsyner 12V-belastninger i bilen. Til højre ses et eksempel på, hvordan 48 V anvendes rundt omkring i bilen: konverteren er placeret lige ved belastningspunktet, mens den decentrale model fjerner den store sølvkasse og spreder strømfordelingen efter behov rundt omkring i bilen. Dette giver også mulighed for implementering af ASIL FUSA med redundante forsyninger. Efterhånden som strømkravene stiger, bliver det mere og mere vanskeligt at håndtere, og det er ikke en mulighed at blive ved med at tilføje disse ældre traditionelle sølvkasser”, siger Wadden.
Nye 48V PDN’er skal understøtte ældre 12V-belastninger med øgede strømkrav og nye højtydende driv-, styre- og bremsesystemer, der anvender kabler. Levering af mere 48V strøm med et stigende antal belastninger kræver moduler med høj tæthed sammenlignet med større, mere omfangsrige diskrete løsninger. Vicor tilbyder flere moduler til strømforsyning fra 48V. Disse enheder omfatter løsninger med fast forhold og regulerede konverteringsløsninger, der understøtter både 48V- og 12V-belastninger i buck- eller boost-tilstand. Disse konvertere kan være indeholdt i et enkelt hus eller distribueres i hele køretøjet ved hjælp af en mindre og lettere 48V PDN.
Vicor NBM anvendes i en decentraliseret arkitektur, når OEM’er har brug for at placere spændingsomdannelsestrin rundt omkring i køretøjet tættest på belastningen og enten trappe 48V ned til 12V eller booste 12V til 48V.
Med brugen af 400V- og 800V-ladestationer kræver køretøjets kompatibilitet med enhver station en konverteringsløsning, der er så enkel som muligt, men først og fremmest effektiv. NBM6123 giver 6,4 kW konvertering med fast forhold til 400V og 800V i en 61 x 23 mm CM-ChiP-pakke, hvilket muliggør en skalerbar, højeffektiv løsning med høj effektivitet og høj tæthed til kompatibilitet mellem ladestationer ved vejkanten og forskellige køretøjer. Vicor-løsningernes tovejsfunktion gør det muligt at bruge det samme modul til step-up- eller step-down-konvertering. NBM6123 kan også bruges til strømforsyning til køretøjet til klimaanlæg under opladning, hvilket minimerer batteribalanceringskredsløbet.
Slutning
Fremskridtet mod elektrificering af køretøjer tager mange former i dag, og det er kompliceret at forsyne dem med strøm. Et køretøj har mange forskellige systemer, og de kan hver især have forskellige strømbehov. En modulær strømforsyningstilgang er i sagens natur mere fleksibel og skalerbar og kan løse et utal af disse udfordringer. Vicors højtydende løsninger med høj ydeevne er små og lette og designet til at håndtere strømkonvertering, opladning og levering til ethvert system.
Maurizio har arbejdet inden for forskning i gravitationsbølger og i rumforskningsprojekter som designingeniør. Han spekulerer til tider på, om der er nogen deroppe, der har sendt os beskeder, som vi ikke har modtaget eller været i stand til at afkode. Maurizio er elektronikingeniør og har en ph.d. i fysik. Maurizio nyder at skrive og fortælle historier om teknologi og elektronik. Hans hovedinteresser er Power, Automotive, IoT og Digital. Maurizio er i øjeblikket chefredaktør for Power Electronics News og europæisk korrespondent for EE Times. Han fører også tilsyn med diskussioner på EEWeb.com. Han har skrevet forskellige tekniske og videnskabelige artikler og et par bøger for Springer om Energy Harvesting og Data Acquisition and Control System.