Elektrische voertuigen (e-mobiliteit) is misschien wel een van de belangrijkste uitdagingen waar technologiebedrijven en consumenten de afgelopen jaren mee te maken hebben gehad. Terwijl er een toenemende behoefte is om milieuvriendelijke systemen te vinden die een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop we ons verplaatsen, moet er ook voor worden gezorgd dat de nieuwe groene technologieën zo efficiënt en effectief mogelijk zijn in termen van prijs en prestaties.
De OEM’s van voertuigen moeten aan steeds strengere CO2-emissienormen voldoen en tegelijkertijd de prestaties van voertuigen verbeteren om concurrerend te blijven. Deze belangrijke uitdaging wordt aangegaan door elektrificatie in zuiver elektrische voertuigen (EV’s), hybride elektrische voertuigen (HEV’s) en voertuigen met verbrandingsmotor (ICE’s). De toevoeging van accu’s met een hogere spanning, zoals 48V, 400V en 800V, om te voldoen aan de toegenomen vermogensvereisten, heeft op zijn beurt de complexiteit van de stroomleveringsarchitecturen vergroot en nieuwe eisen gesteld op het gebied van omvang en efficiëntie
Mild-hybrid-electric vehicle (MHEV)-systemen zijn de poort naar elektrificatie. Zij worden ook aangeduid als licht-hybride aandrijving en zullen bijdragen tot de exponentiële groei van hybride modellen. Het MHEV-systeem is in staat om tijdens het remmen energie terug te winnen en levert energie bij het herstarten van het voertuig, waardoor het gasverbruik en de CO2-uitstoot worden verminderd.
Een tweede elektrificatiebenadering voor HEV-modellen behelst een elektrische motor die samenwerkt met de ICE, waardoor het voertuig gedurende enkele kilometers 100% elektrisch kan rijden. Een ander populair alternatief is de plug-in hybride-elektrische auto (PHEV), waarbij de accu door het net kan worden opgeladen en de actieradius bij nulemissie oploopt tot ongeveer 50 kilometer. In dit geval is de elektrificatie duidelijk hoger dan bij MHEV- en hybride technologieën – net als de aanschafkosten – met tientallen PHEV-modellen die op de markt komen.
Batterij-elektrische voertuigen (BEV’s) hebben geen ICE en worden in plaats daarvan aangedreven door de combinatie van een omvormer en een elektromotor. BEV’s zijn oplaadbaar via het net en tijdens regeneratie bij het remmen. Onder de elektrische auto’s vinden we ook de elektrische voertuigen met groot bereik (EREV’s) met een kleine interne verbrandingsmotor die uitsluitend als stroomgenerator wordt gebruikt om de accu’s op te laden wanneer het niveau laag is. De laatste categorie wordt vertegenwoordigd door brandstofcel-elektrische voertuigen (FCEV’s), die worden aangedreven door waterstof-brandstofcellen.
De oplossing zou niet alleen kunnen liggen in nieuwe energieopslagtechnologieën, zoals vaste-stofbatterijen of waterstof-brandstofcellen, maar ook in een verbeterde efficiëntie van de auto door gewichtsvermindering en nieuwe elektrische architecturen.
De uitdagingen van vandaag op het gebied van elektrificatie
“De uitdagingen van vandaag op het gebied van elektrificatie zijn de volgende: het laag houden van de kosten, het voldoen aan agressieve CO2-emissiedoelstellingen, het beheren van verandering in stroomvereisten, het voeden van oudere 12V-belastingen, het leveren van lichtere, beter presterende voertuigen, het verhogen van vermogensniveaus, snellere laadtijden en het beheren van hogere voltages van 800V- en 400V-batterijsystemen”, aldus Patrick Wadden Global VP Automotive Business Development bij Vicor Corporation.
Fabrikanten van auto’s, vrachtwagens, bussen en motorfietsen elektrificeren hun voertuigen in hoog tempo om de brandstofefficiëntie van interne verbrandingsmotoren te verhogen en de CO2-uitstoot te verminderen. Er zijn veel keuzes op het gebied van elektrificatie, maar de meeste fabrikanten kiezen voor een 48-volt mild-hybride systeem in plaats van een full-hybride aandrijflijn. In het mild-hybride systeem wordt een 48-volt batterij toegevoegd naast de traditionele 12-volt batterij.
“Er is ofwel een 800- of 400-volt batterij in het voertuig. Vicor haalt de 800 of 400 volt uit de accu en zet de stroom om naar 48 volt voor de aandrijving van belastingen zoals de elektrische turbo, de voorruit en de koelpompen. Systemen die gevoed worden vanuit de 800- of 400-volt accu hebben de mogelijkheid om de 48-volt accu volledig te elimineren en een virtuele 48-volt accu te creëren. Deze eliminatie van de 48V-accu biedt de OEM een hogere vermogensdichtheid, een lager gewicht en een kleinere omvang, wat een grotere actieradius van het voertuig mogelijk maakt. Deze oplossingen zijn schaalbaar, dus geschikt voor instapmodellen tot luxe voertuigen,” aldus Wadden.
48V-technologie verdeelt het vermogen efficiënt
48V-technologie verhoogt het vermogen met 4x (P = V – I), wat kan worden gebruikt voor zwaardere belastingen, zoals de airconditioner en de katalysator bij het starten. Om de prestaties van het voertuig te verhogen, kan het 48V-systeem een hybride motor aandrijven die wordt gebruikt voor snellere, soepelere acceleratie terwijl brandstof wordt bespaard.
“Het overwinnen van de aarzeling om het al lang bestaande kostengeoptimaliseerde 12-volt power delivery network (PDN) aan te passen, is misschien wel de grootste uitdaging,” zei Wadden. Hij vervolgde, “voor de auto-industrie biedt een 48V mild-hybride systeem een manier om snel nieuwe voertuigen te introduceren met lagere emissies, een grotere actieradius en een hoger brandstofverbruik en een praktische aanpak. Het biedt ook nieuwe en opwindende ontwerpopties voor hogere prestaties en functies, terwijl de CO2-uitstoot nog steeds wordt verminderd.”
De overgrote meerderheid van de gebruikte gecentraliseerde DC-DC converters zijn omvangrijk en zwaar, omdat ze gebruik maken van oude PWM laagfrequent schakeltopologieën. Een modernere architectuur die in aanmerking moet worden genomen, is gedecentraliseerde vermogensafgifte (figuur 4) met behulp van vermogensmodules.
“De voordelen van het gebruik van een gedecentraliseerd model kunnen nog meer worden gerealiseerd op systeemniveau met lichtere bekabeling rond het voertuig: er zijn enkele leuke voordelen aan het plaatsen van de converter het dichtst bij de belasting in termen van het minimaliseren van impedantie en weerstand, sommige van de koelmethoden kunnen worden vereenvoudigd en in sommige gevallen kan men een koude plaat of vloeistofkoeling elimineren. De mogelijkheid om functionele veiligheid te implementeren met meer opties, en flexibiliteit komt in het spel,” zei Wadden.
Deze power delivery architectuur maakt gebruik van kleinere, lower-power 48V-to-12V converters. De gedecentraliseerde stroomarchitectuur biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van thermisch beheer in een stroomvoorzieningssysteem.
“Laten we eens kijken naar een diagram op hoog niveau van een gecentraliseerd systeem versus een gedecentraliseerd systeem. Links hebben we een traditionele 3kW zilveren doos, traditioneel met een 400V input naar een output van 12V die 12V belastingen in de auto voedt. Rechts zien we een voorbeeld van hoe 48V in de auto wordt gebruikt: de convertor wordt direct bij het punt van belasting geplaatst, bij het gedecentraliseerde model vervalt de grote zilveren doos en wordt de stroomverdeling naar behoefte over het voertuig gespreid. Dit maakt ook de implementatie van ASIL FUSA met redundante voedingen mogelijk. Naarmate de vermogensbehoefte toeneemt, wordt het steeds moeilijker om die te beheren en is het geen optie om die oudere traditionele zilveren dozen te blijven toevoegen”, aldus Wadden.
Nieuwe 48V PDN’s moeten ondersteuning bieden voor oudere 12V-belastingen met hogere vermogensbehoefte en voor nieuwe aandrijf-, stuur- en remsystemen met een hoog vermogen die gebruikmaken van kabels. Het leveren van meer 48V-vermogen met een toenemend aantal belastingen vereist modules met een hoge dichtheid in vergelijking met grotere, omvangrijkere discrete oplossingen. Vicor biedt verschillende modules voor stroomlevering van 48V. Deze apparaten omvatten fixed-ratio en gereguleerde conversieoplossingen die zowel 48V- als 12V-belastingen in buck- of boost-modus ondersteunen. Deze converters kunnen worden opgenomen in een enkele behuizing of verdeeld over het voertuig met behulp van een kleinere en lichtere 48V PDN.
De Vicor NBM wordt gebruikt in een gedecentraliseerde architectuur wanneer OEM’s spanningsconversietrappen rond het voertuig moeten plaatsen die zich het dichtst bij de belasting bevinden en ofwel 48V omlaag naar 12V steppen of 12V naar 48V boosten.
Met het gebruik van 400V en 800V laadstations, vereist de compatibiliteit van het voertuig met elk station een conversie-oplossing die zo eenvoudig mogelijk is, maar bovenal efficiënt. De NBM6123 biedt 6,4kW vaste-ratio 400V en 800V conversie in een 61 x 23mm CM-ChiP pakket, waardoor een schaalbare, high-efficiency, high-density oplossing voor compatibiliteit tussen laadstations langs de weg en verschillende voertuigen mogelijk is. De bidirectionele mogelijkheid van Vicor oplossingen maakt het mogelijk om dezelfde module te gebruiken voor step-up of step-down conversie. De NBM6123 kan ook worden gebruikt voor stroomlevering aan het voertuig voor airconditioning tijdens het opladen, waardoor het batterij-balanceringscircuit wordt geminimaliseerd.
Conclusie
De stap in de richting van voertuig elektrificatie neemt vandaag de dag vele vormen aan en het voeden ervan is gecompliceerd. Een voertuig heeft veel verschillende systemen en elk kan verschillende stroomvereisten hebben. Een modulaire stroomaanpak is inherent flexibeler en schaalbaarder, en in staat om een groot aantal van deze uitdagingen aan te gaan. De hoogwaardige oplossingen van Vicor zijn klein en licht van gewicht, ontworpen om stroomconversie, opladen en levering voor elk systeem aan te pakken.
Maurizio heeft gewerkt op het onderzoeksgebied van zwaartekrachtgolven en in ruimteonderzoeksprojecten als ontwerpingenieur. Hij vraagt zich wel eens af of iemand daarboven ons boodschappen heeft gestuurd die wij niet hebben ontvangen of niet hebben kunnen ontcijferen. Maurizio is ingenieur elektronica en heeft een Ph.D. in natuurkunde. Maurizio houdt van schrijven en verhalen vertellen over technologie en elektronica. Zijn belangrijkste interesses zijn Power, Automotive, IoT, Digital. Maurizio is momenteel hoofdredacteur van Power Electronics News en European Correspondent van EE Times. Hij houdt ook toezicht op de discussies op EEWeb.com. Hij heeft diverse technische en wetenschappelijke artikelen geschreven, en een paar boeken voor Springer over Energy Harvesting en Data Acquisition and Control System.