Pojazdy elektryczne (e-mobility) to być może jedno z najbardziej znaczących wyzwań, z jakimi firmy technologiczne i konsumenci musieli się zmierzyć w ostatnich latach. Podczas gdy istnieje rosnąca potrzeba znalezienia przyjaznych dla środowiska systemów, które mogą zrewolucjonizować sposób, w jaki się poruszamy, istnieje również potrzeba zapewnienia, że nowe zielone technologie są tak wydajne i skuteczne, jak to tylko możliwe pod względem ceny i wydajności.
Producenci OEM pojazdów muszą spełniać coraz bardziej rygorystyczne normy emisji CO2 przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności pojazdu, aby pozostać konkurencyjnym. To istotne wyzwanie jest rozwiązywane poprzez elektryfikację w pojazdach czysto elektrycznych (EV), pojazdach hybrydowo-elektrycznych (HEV) i pojazdach z silnikiem spalinowym (ICE). Dodanie akumulatorów o wyższym napięciu, takich jak 48 V, 400 V i 800 V, w celu spełnienia zwiększonych wymagań dotyczących mocy, zwiększyło z kolei złożoność architektur dostarczania energii i postawiło nowe wymagania w zakresie rozmiaru i sprawności
Systemy pojazdów hybrydowo-elektrycznych (MHEV) stanowią bramę do elektryfikacji. Określane również jako lekki napęd hybrydowy, przyczynią się one do gwałtownego wzrostu modeli hybrydowych. System MHEV jest w stanie odzyskać energię pojazdu podczas hamowania i dostarcza energię podczas ponownego uruchomienia pojazdu, zmniejszając w ten sposób zużycie gazu i emisję CO2.
Drugie podejście do elektryfikacji modeli HEV obejmuje silnik elektryczny współpracujący z ICE, umożliwiając pojazdowi poruszanie się w 100% w trybie elektrycznym przez kilka kilometrów. Inną popularną alternatywą jest pojazd hybrydowo-elektryczny typu plug-in (PHEV), w którym akumulator może być doładowywany z sieci, a zasięg przy zerowej emisji wzrasta do około 50 kilometrów. W tym przypadku stopień elektryfikacji jest zdecydowanie wyższy niż w przypadku technologii MHEV i hybrydowych, podobnie jak koszty zakupu – na rynku pojawiają się dziesiątki modeli PHEV.
Pojazdy akumulatorowo-elektryczne (BEV) nie posiadają silnika spalinowego, a zamiast tego są napędzane przez kombinację falownika i silnika elektrycznego. BEV mogą być ładowane przez sieć i podczas regeneracji podczas hamowania. Wśród samochodów elektrycznych znajdziemy również pojazdy elektryczne o zwiększonym zasięgu (EREV) z małym silnikiem spalinowym używanym wyłącznie jako generator prądu do ładowania akumulatorów, gdy ich poziom jest niski. Ostatnią kategorię stanowią pojazdy elektryczne napędzane ogniwami paliwowymi (FCEV), które są zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi.
Rozwiązaniem mogą być nie tylko nowe technologie magazynowania energii, takie jak akumulatory półprzewodnikowe lub wodorowe ogniwa paliwowe, ale również poprawa wydajności samochodów poprzez zmniejszenie masy i nowe architektury elektryczne.
Dzisiejsze wyzwania związane z elektryfikacją
„Dzisiejsze wyzwania związane z elektryfikacją są następujące: utrzymanie kosztów na niskim poziomie, spełnienie agresywnych celów w zakresie emisji CO2, zarządzanie zmianami w wymaganiach dotyczących mocy, zasilanie starszych obciążeń 12V, dostarczanie lżejszych, bardziej wydajnych pojazdów, zwiększanie poziomów mocy, szybszy czas ładowania i zarządzanie wyższymi napięciami z systemów baterii 800V i 400V” – powiedział Patrick Wadden, globalny wiceprezes ds. rozwoju biznesu motoryzacyjnego w Vicor Corporation.
Producenci samochodów osobowych, ciężarowych, autobusów i motocykli szybko elektryfikują swoje pojazdy, aby zwiększyć wydajność paliwową silników spalinowych i zmniejszyć emisję CO2. Istnieje wiele opcji elektryfikacji, ale większość producentów decyduje się raczej na 48-woltowy system mild-hybrid niż na w pełni hybrydowy układ napędowy. W systemie mild-hybrid, obok tradycyjnego akumulatora 12V dodaje się akumulator 48V.
„W pojeździe znajduje się albo akumulator 800- albo 400-woltowy. Vicor pobiera z akumulatora napięcie 800 lub 400 V i przetwarza je na 48 V do zasilania odbiorników takich jak elektryczne turbo, przednia szyba i pompy chłodzenia. Systemy zasilane z akumulatora 800- lub 400-woltowego mają możliwość całkowitego wyeliminowania akumulatora 48V i stworzenia wirtualnego akumulatora 48V. Taka eliminacja akumulatora 48V oferuje producentowi OEM większą gęstość mocy, redukcję wagi i rozmiarów, a wszystko to umożliwia zwiększenie zasięgu pojazdu. Rozwiązania te są skalowalne, dzięki czemu mogą być stosowane zarówno w pojazdach klasy podstawowej, jak i luksusowych” – powiedział Wadden.
Technologia 48V skutecznie rozprowadza moc
Technologia 48V zwiększa możliwości mocy o 4x (P = V – I), co może być wykorzystane do cięższych obciążeń, takich jak klimatyzacja i katalizator przy rozruchu. Aby zwiększyć osiągi pojazdu, system 48V może zasilać silnik hybrydowy, który jest używany do szybszego, bardziej płynnego przyspieszania przy jednoczesnej oszczędności paliwa.
„Przezwyciężenie wahań przed modyfikacją długoletniej, zoptymalizowanej pod względem kosztów 12-woltowej sieci zasilania (PDN) może być największym wyzwaniem” – powiedział Wadden. Kontynuował, „dla przemysłu motoryzacyjnego, 48V system mild-hybrid zapewnia sposób na szybkie wprowadzenie nowych pojazdów o niższej emisji, większym zasięgu i wyższym przebiegu gazu oraz praktycznym podejściu. Zapewnia również nowe i ekscytujące opcje projektowe dla wyższej wydajności i funkcji przy jednoczesnej redukcji emisji CO2.”
Większość stosowanych scentralizowanych konwerterów DC-DC jest nieporęczna i ciężka, ponieważ wykorzystują one stare topologie przełączania PWM o niskiej częstotliwości. Bardziej nowoczesną architekturą, którą należy wziąć pod uwagę, jest zdecentralizowane dostarczanie energii (rys. 4) z wykorzystaniem modułów mocy.
„Korzyści z zastosowania modelu zdecentralizowanego można zrealizować jeszcze bardziej na poziomie systemu z lżejszym okablowaniem wokół pojazdu: istnieją pewne korzyści z umieszczenia konwertera najbliżej obciążenia pod względem minimalizacji impedancji i rezystancji, niektóre metody chłodzenia można uprościć, a w niektórych przypadkach można wyeliminować zimną płytę lub chłodzenie cieczą. Opcja wdrożenia bezpieczeństwa funkcjonalnego z większą ilością opcji i elastycznością wchodzi w grę”, powiedział Wadden.
Ta architektura zasilania wykorzystuje mniejsze, niższej mocy konwertery 48V do 12V. Zdecentralizowana architektura zasilania oferuje znaczące korzyści w zakresie zarządzania termicznego w systemie zasilania.
„Przyjrzyjmy się wysokopoziomowemu diagramowi systemu scentralizowanego i systemu zdecentralizowanego. Po lewej stronie mamy tradycyjną srebrną skrzynkę o mocy 3kW, tradycyjnie z wejściem 400V i wyjściem 12V zasilającym 12V obciążenia w samochodzie. Po prawej stronie mamy przykład wykorzystania 48V w samochodzie: konwerter jest umieszczony bezpośrednio w punkcie obciążenia, model zdecentralizowany eliminuje dużą srebrną skrzynkę i rozprowadza zasilanie zgodnie z potrzebami wokół pojazdu. Pozwala to również na wdrożenie ASIL FUSA z redundantnymi zasilaczami. Wraz ze wzrostem wymagań dotyczących zasilania, zarządzanie nim staje się coraz trudniejsze, a ciągłe dodawanie tych starszych, tradycyjnych srebrnych skrzynek nie jest rozwiązaniem” – powiedział Wadden.
Nowe sieci PDN 48V muszą obsługiwać starsze obciążenia 12 V o zwiększonych wymaganiach dotyczących zasilania oraz nowe układy napędowe, kierownicze i hamulcowe o dużej mocy wykorzystujące kable. Dostarczanie większej mocy 48V przy rosnącej liczbie obciążeń wymaga modułów o dużej gęstości w porównaniu z większymi, nieporęcznymi rozwiązaniami dyskretnymi. Vicor oferuje kilka modułów do dostarczania mocy z 48V. Urządzenia te obejmują rozwiązania konwersji o stałym współczynniku i regulowanej, które obsługują zarówno obciążenia 48V jak i 12V w trybie buck lub boost. Przetworniki te mogą być umieszczone w pojedynczej obudowie lub rozmieszczone w całym pojeździe przy użyciu mniejszego i lżejszego PDN 48V.
Urządzenie Vicor NBM jest stosowane w architekturze zdecentralizowanej zawsze wtedy, gdy producenci OEM muszą rozmieścić stopnie konwersji napięcia wokół pojazdu najbliżej obciążenia i albo stopniować napięcie 48 V do 12 V, albo wzmacniać napięcie 12 V do 48 V.
W związku z wykorzystaniem stacji ładowania 400 V i 800 V kompatybilność pojazdu z każdą stacją wymaga rozwiązania w zakresie konwersji, które jest możliwie najprostsze, ale przede wszystkim wydajne. NBM6123 zapewnia 6,4kW konwersji o stałym współczynniku 400V i 800V w pakiecie CM-ChiP o wymiarach 61 x 23mm, umożliwiając skalowalne, wysokowydajne rozwiązanie o dużej gęstości, zapewniające kompatybilność pomiędzy przydrożnymi stacjami ładowania i różnymi pojazdami. Dwukierunkowość rozwiązań Vicor pozwala na wykorzystanie tego samego modułu do konwersji step-up lub step-down. Moduł NBM6123 można również wykorzystać do dostarczania energii do pojazdu na potrzeby klimatyzacji podczas ładowania, minimalizując obwód równoważenia akumulatora.
Wniosek
Przejście w kierunku elektryfikacji pojazdów przybiera obecnie wiele form, a ich zasilanie jest skomplikowane. Pojazd posiada wiele różnych systemów, a każdy z nich może mieć inne wymagania dotyczące zasilania. Modułowe podejście do zasilania jest z natury bardziej elastyczne i skalowalne, dzięki czemu jest w stanie sprostać niezliczonym wyzwaniom. Wysokowydajne rozwiązania firmy Vicor są małe i lekkie, zaprojektowane z myślą o konwersji, ładowaniu i dostarczaniu energii dla dowolnego systemu.
Maurizio pracował w dziedzinie badań nad falami grawitacyjnymi oraz w projektach badań kosmicznych jako inżynier projektowy. Czasami zastanawia się, czy ktoś tam na górze nie wysyła nam wiadomości, których nie otrzymaliśmy lub nie jesteśmy w stanie odszyfrować. Maurizio jest inżynierem elektronikiem i posiada tytuł doktora fizyki. Maurizio lubi pisać i opowiadać historie o technologii i elektronice. Jego główne zainteresowania to zasilanie, motoryzacja, IoT, technologie cyfrowe. Maurizio jest obecnie redaktorem naczelnym Power Electronics News i europejskim korespondentem EE Times. Nadzoruje również dyskusje na EEWeb.com. Jest autorem wielu artykułów technicznych i naukowych, a także kilku książek dla Springer na temat Energy Harvesting i Data Acquisition and Control System.
.