A villamos járművek (e-mobilitás) talán az egyik legjelentősebb kihívás, amellyel a technológiai vállalatoknak és a fogyasztóknak az elmúlt években szembe kellett nézniük. Miközben egyre nagyobb szükség van olyan környezetbarát rendszerek megtalálására, amelyek forradalmasíthatják a mozgásunkat, azt is biztosítani kell, hogy az új zöld technológiák a lehető leghatékonyabbak és leghatékonyabbak legyenek az ár és a teljesítmény szempontjából.
A járműgyártóknak meg kell felelniük az egyre szigorúbb CO2-kibocsátási előírásoknak, miközben növelniük kell a járművek teljesítményét, hogy versenyképesek maradjanak. Ezt a jelentős kihívást a tisztán elektromos járművek (EV-k), a hibrid-elektromos járművek (HEV-k) és a belső égésű motoros járművek (ICE-k) villamosításával oldják meg. A megnövekedett teljesítményigények kielégítése érdekében a nagyobb feszültségű akkumulátorok, például a 48 V-os, 400 V-os és 800 V-os akkumulátorok hozzáadása viszont megnövelte az energiaellátási architektúrák összetettségét, és új követelményeket támasztott a méret és a hatékonyság tekintetében
A villamosítás kapuját a mild-hibrid-elektromos járművek (MHEV) rendszerei jelentik. A könnyű-hibrid meghajtásként is azonosított rendszerek hozzájárulnak a hibrid modellek exponenciális növekedéséhez. Az MHEV rendszer képes visszanyerni a jármű energiáját fékezéskor, és energiát szolgáltat a jármű újraindítása során, így csökkentve a gázfogyasztást és a CO2-kibocsátást.
A HEV modellek másik villamosítási megközelítése a belső égésű motorral együtt működő villanymotor, amely lehetővé teszi, hogy a jármű néhány kilométeren keresztül 100%-ban elektromos üzemmódban közlekedjen. Egy másik népszerű alternatíva a plug-in hibrid-elektromos jármű (PHEV), ahol az akkumulátor a hálózatról tölthető, és a hatótávolság nulla károsanyag-kibocsátás mellett körülbelül 50 kilométerre nő. Ebben az esetben a villamosítás határozottan magasabb, mint az MHEV és a hibrid technológiáknál – ahogy a beszerzési költségek is -, és PHEV modellek tucatjai jelennek meg a piacon.
Az akkumulátoros elektromos járművek (BEV) nem rendelkeznek belső égésű motorral, hanem az inverter és az elektromos motor kombinációjával működnek. A BEV-ek a hálózaton keresztül és a fékezés alatti regeneráció során tölthetők fel. Az elektromos autók között megtaláljuk a kiterjesztett hatótávolságú elektromos járműveket (EREV) is, amelyekben egy kis belsőégésű motor kizárólag áramfejlesztőként szolgál, hogy alacsony töltöttségi szint esetén feltöltse az akkumulátorokat. Az utolsó kategóriát az üzemanyagcellás elektromos járművek (FCEV) képviselik, amelyek hidrogén-üzemanyagcellákkal működnek.
A megoldást nemcsak az új energiatárolási technológiák jelenthetik, mint például a szilárdtest-akkumulátorok vagy a hidrogén-üzemanyagcellák, hanem az autók hatékonyságának javítása is a súlycsökkentés és az új elektromos architektúrák révén.
A villamosítás mai kihívásai
“A villamosítás mai kihívásai a következők: a költségek alacsonyan tartása, az agresszív CO2-kibocsátási célok teljesítése, az energiaigény változásának kezelése, a hagyományos 12V-os fogyasztók táplálása, könnyebb és nagyobb teljesítményű járművek szállítása, a teljesítményszintek növelése, gyorsabb töltési idő és a 800V-os és 400V-os akkumulátorrendszerek magasabb feszültségének kezelése” – mondta Patrick Wadden, a Vicor Corporation globális alelnöke, az autóipari üzletfejlesztésért felelős igazgatója.
A személygépkocsik, teherautók, buszok és motorkerékpárok gyártói gyorsan villamosítják járműveiket a belsőégésű motorok üzemanyag-hatékonyságának növelése és a CO2-kibocsátás csökkentése érdekében. Számos lehetőség van a villamosításra, de a legtöbb gyártó inkább a 48 voltos mild-hibrid rendszert választja, mint a teljes hibrid hajtásláncot. A mild-hibrid rendszerben a hagyományos 12 V-os akkumulátor mellé egy 48 V-os akkumulátort is beépítenek.
“A járműben vagy egy 800 vagy egy 400 V-os akkumulátor van. A Vicor vagy a 800 vagy a 400 voltot veszi el az akkumulátorról, és az energiát 48 voltra alakítja át az olyan fogyasztók, mint az elektromos turbó, a fejléces szélvédő és a hűtőszivattyúk működtetéséhez. A 800 vagy 400 voltos akkumulátorról táplált rendszereknél lehetőség van a 48 voltos akkumulátor teljes kiiktatására és egy virtuális 48 voltos akkumulátor létrehozására. A 48 V-os akkumulátor kiküszöbölése nagyobb teljesítménysűrűséget, súly- és méretcsökkentést kínál az OEM-nek, mindez pedig a jármű nagyobb hatótávolságát teszi lehetővé. Ezek a megoldások skálázhatóak, ezért a belépőszintű járművektől a luxusjárművekig terjednek” – mondta Wadden.
A 48V-os technológia hatékonyan osztja el a teljesítményt
A 48V-os technológia 4-szeresére növeli a teljesítményt (P = V – I), ami nagyobb terheléseknél, például a légkondicionáló és a katalizátor indításakor használható. A jármű teljesítményének növelése érdekében a 48V-os rendszer egy hibrid motort is táplálhat, amely gyorsabb, egyenletesebb gyorsulást tesz lehetővé, miközben üzemanyagot takarít meg.
“A régóta fennálló, költségoptimalizált 12 voltos energiaellátó hálózat (PDN) módosításával kapcsolatos vonakodás leküzdése lehet a legnagyobb kihívás” – mondta Wadden. Majd így folytatta: “Az autóipar számára a 48 V-os mild-hibrid rendszer lehetőséget nyújt az alacsonyabb károsanyag-kibocsátású, nagyobb hatótávolságú és nagyobb fogyasztású új járművek gyors bevezetésére, valamint a praktikus megközelítésre. Emellett új és izgalmas tervezési lehetőségeket kínál a nagyobb teljesítmény és a funkciók tekintetében, miközben a CO2-kibocsátást is csökkenti.”
A használt központi DC-DC átalakítók túlnyomó többsége terjedelmes és nehéz, mivel régi PWM alacsony frekvenciájú kapcsolási topológiákat használnak. Egy korszerűbb architektúra, amelyet figyelembe kell venni, a decentralizált tápellátás (4. ábra), amely teljesítménymodulokat használ.”
“A decentralizált modell használatának előnyei még inkább megvalósíthatók a rendszer szintjén a jármű körüli könnyebb kábelezéssel: az impedancia és az ellenállás minimalizálása szempontjából előnyös, ha az átalakítót a terheléshez legközelebb helyezzük, a hűtési módszerek egy része egyszerűsíthető, és bizonyos esetekben ki lehet küszöbölni a hűtőlemezt vagy a folyadékhűtést. A funkcionális biztonság megvalósításának lehetősége több opcióval és rugalmassággal jön létre” – mondta Wadden.”
Ez a tápellátási architektúra kisebb, kisebb teljesítményű 48V-12V-os átalakítókat használ. A decentralizált tápellátási architektúra jelentős hőkezelési előnyöket kínál egy tápellátó rendszerben.
“Nézzük meg a centralizált rendszer és a decentralizált rendszer magas szintű diagramját. A bal oldalon van egy hagyományos 3 kW-os ezüst doboz, hagyományosan 400 V-os bemenettel 12V-os kimenetre, amely 12V-os fogyasztókat táplál az autóban. A jobb oldalon egy példa arra, hogyan használják a 48V-ot az autóban: az átalakítót közvetlenül a terhelési ponton helyezik el, a decentralizált modell eltekint a nagy ezüstdoboztól, és az energiaelosztást a járműben szükség szerint osztja el. Ez lehetővé teszi az ASIL FUSA megvalósítását is redundáns tápegységekkel. Ahogy a teljesítményigény növekszik, egyre nehezebb lesz kezelni, és a régebbi hagyományos ezüst dobozok folyamatos hozzáadása nem opció” – mondta Wadden.”
Az új 48V-os PDN-eknek támogatniuk kell a megnövekedett teljesítményigényű, hagyományos 12V-os terheléseket és a kábeleket használó új, nagy teljesítményű meghajtó-, kormány- és fékrendszereket. A nagyobb 48V-os teljesítmény biztosítása a növekvő számú terheléssel együtt nagy sűrűségű modulokat igényel a nagyobb, terjedelmesebb diszkrét megoldásokhoz képest. A Vicor számos modult kínál a 48V-os tápellátáshoz. Ezek az eszközök tartalmaznak fix arányú és szabályozott átalakító megoldásokat, amelyek mind 48V-os, mind 12V-os terheléseket támogatnak bak vagy boost üzemmódban. Ezek az átalakítók egyetlen házba foglalhatók, vagy kisebb és könnyebb 48V-os PDN segítségével szétoszthatók a járműben.
A Vicor NBM-et decentralizált architektúrában használják minden olyan esetben, amikor az OEM-nek a jármű körül, a terheléshez legközelebb eső feszültségátalakító fokozatokat kell elhelyeznie, és vagy 48V-ot 12V-ra kell visszavezetnie, vagy 12V-ot 48V-ra kell felerősítenie.
A 400V-os és 800V-os töltőállomások használatakor a jármű bármilyen állomással való kompatibilitása a lehető legegyszerűbb, de mindenekelőtt hatékony átalakítási megoldást igényel. Az NBM6123 6,4 kW-os fix arányú 400V-os és 800V-os átalakítást biztosít egy 61 x 23 mm-es CM-ChiP-csomagban, ami skálázható, nagy hatékonyságú, nagy sűrűségű megoldást tesz lehetővé az útszéli töltőállomások és a különböző járművek közötti kompatibilitás érdekében. A Vicor megoldások kétirányú képessége lehetővé teszi, hogy ugyanazt a modult felfelé és lefelé történő átalakításra is lehessen használni. Az NBM6123 a töltés közbeni légkondicionáláshoz a járműbe történő áramellátásra is használható, minimalizálva az akkumulátor-kiegyenlítő áramkört.
Következtetés
A járművek villamosítása felé való elmozdulás napjainkban sokféle formában zajlik, és ezek energiaellátása bonyolult. Egy jármű sok különböző rendszerrel rendelkezik, és mindegyiknek más-más energiaigénye lehet. A moduláris energiaellátási megközelítés természeténél fogva rugalmasabb és skálázhatóbb, és számtalan ilyen kihívást képes kezelni. A Vicor nagy teljesítményű megoldásai kicsik és könnyűek, és úgy tervezték őket, hogy bármilyen rendszer számára megoldják az energiaátalakítást, a töltést és a tápellátást.
Maurizio a gravitációs hullámok kutatási területén és űrkutatási projektekben dolgozott tervezőmérnökként. Időnként elgondolkodik azon, hogy valaki odafent küldött-e nekünk olyan üzeneteket, amelyeket mi nem kaptunk meg, vagy nem tudtunk megfejteni. Maurizio elektronikai mérnök, és fizikából doktorált. Maurizio szeret írni és mesélni a technológiáról és az elektronikáról. Fő érdeklődési területei az energiaellátás, az autóipar, az IoT és a digitális technológia. Maurizio jelenleg a Power Electronics News főszerkesztője és az EE Times európai tudósítója. Ő felügyeli az EEWeb.com-on folyó vitákat is. Számos műszaki és tudományos cikket és néhány könyvet írt a Springer számára az Energy Harvesting és az Data Acquisition and Control System témakörökben. Energia tárolás
Autóipar, alkatrészek & Eszközök, tervezés, tápegységek & Energiatárolás