Elektriska fordon (e-mobility) är kanske en av de största utmaningarna som teknikföretag och konsumenter har ställts inför under de senaste åren. Samtidigt som det finns ett ökande behov av att hitta miljövänliga system som kan revolutionera vårt sätt att förflytta oss, finns det också ett behov av att se till att den nya gröna tekniken är så effektiv och ändamålsenlig som möjligt när det gäller pris och prestanda.
Företagens OEM-tillverkare av fordon måste uppfylla de allt strängare normerna för koldioxidutsläpp samtidigt som de ökar fordonens prestanda för att förbli konkurrenskraftiga. Denna betydande utmaning hanteras genom elektrifiering i rena elfordon, hybridelektriska fordon och fordon med förbränningsmotor. Tillägget av batterier med högre spänning, t.ex. 48V, 400V och 800V, för att uppfylla de ökade effektkraven har i sin tur ökat komplexiteten i kraftförsörjningsarkitekturerna och ställt nya krav på storlek och effektivitet
Mild-hybrid-elektriska fordonssystem (MHEV) är inkörsporten till elektrifiering. Dessa system, som också kallas lätthybriddrift, kommer att bidra till den exponentiella tillväxten av hybridmodeller. MHEV-systemet kan återvinna fordonets energi vid inbromsning och tillhandahåller energi vid återstart av fordonet, vilket minskar gasförbrukningen och koldioxidutsläppen.
En andra elektrifieringsmetod för HEV-modeller innebär att en elmotor arbetar tillsammans med ICE, vilket gör att fordonet kan köras till 100 % i elektriskt läge under några kilometer. Ett annat populärt alternativ är plug-in hybrid-elektriska fordon (PHEV), där batteriet kan laddas via nätet och räckvidden vid nollutsläpp ökar till cirka 50 kilometer. I det här fallet är elektrifieringen betydligt högre än för MHEV- och hybridteknik – liksom inköpskostnaderna – med dussintals PHEV-modeller som kommer ut på marknaden.
Batterielektriska fordon (BEV) saknar en ICE och drivs i stället av en kombination av inverter och elmotor. BEV:er är uppladdningsbara via elnätet och under regenerering vid inbromsning. Bland elbilar finner vi också elbilar med utökad räckvidd (EREV) med en liten förbränningsmotor som uteslutande används som strömgenerator för att ladda batterierna när nivån är låg. Den sista kategorin representeras av elbilar med bränsleceller (FCEV), som drivs av vätgasbränsleceller.
Lösningen skulle kunna ligga inte bara i ny teknik för energilagring, t.ex. fasta batterier eller vätgasbränsleceller, utan också i förbättrad bilverkningsgrad genom viktreduktion och nya elektriska arkitekturer.
Handlingsutmaningar för dagens elektrifiering
”Dagens utmaningar med elektrifiering är följande: att hålla nere kostnaderna, uppfylla aggressiva mål för koldioxidutsläpp, hantera förändrade effektkrav, driva äldre 12 V-belastningar, leverera lättare fordon med högre prestanda, öka effektnivåerna, snabbare laddningstid och hantera högre spänningar från 800 V- och 400 V-batterisystem”, säger Patrick Wadden, Global VP Automotive Business Development på Vicor Corporation.
Förtillverkare av bilar, lastbilar, bussar och motorcyklar elektrifierar snabbt sina fordon för att öka förbränningsmotorernas bränsleeffektivitet och minska koldioxidutsläppen. Det finns många elektrifieringsalternativ, men de flesta tillverkare väljer ett 48-volts mildhybridsystem snarare än en fullhybriddrift. I mildhybridsystemet läggs ett 48-voltsbatteri till vid sidan av det traditionella 12-voltsbatteriet.
”Det finns antingen ett 800- eller 400-voltsbatteri i fordonet. Vicor tar antingen 800 eller 400 volt från batteriet och omvandlar strömmen till 48 volt för att driva belastningar som den elektriska turbon, den förhöjda vindrutan och kylpumparna. System som drivs från 800- eller 400-voltsbatteriet har möjlighet att helt eliminera 48-voltsbatteriet och skapa ett virtuellt 48-voltsbatteri. Genom att eliminera 48 V-batteriet får OEM-företaget en högre effekttäthet, minskad vikt och storlek, vilket gör det möjligt att förlänga fordonets räckvidd. Dessa lösningar är skalbara och kan därför användas för både instegsfordon och lyxfordon”, säger Wadden.
48V-tekniken fördelar effektivt strömmen
48V-tekniken ökar effektkapaciteten med 4x (P = V – I), vilket kan användas för tyngre belastningar, t.ex. luftkonditioneringen och katalysatorn vid start. För att öka fordonets prestanda kan 48V-systemet driva en hybridmotor som används för snabbare och jämnare acceleration samtidigt som bränsle sparas.
”Att övervinna tveksamheten till att ändra det sedan länge kostnadsoptimerade 12-volts strömförsörjningsnätet (PDN) kan vara den största utmaningen”, säger Wadden. Han fortsatte: ”För bilindustrin erbjuder ett 48 V mildhybridsystem ett sätt att snabbt introducera nya fordon med lägre utsläpp, längre räckvidd och högre bensinförbrukning samt ett praktiskt tillvägagångssätt. Det ger också nya och spännande konstruktionsalternativ för högre prestanda och funktioner samtidigt som koldioxidutsläppen minskas.”
De allra flesta centraliserade DC-DC-omvandlare som används är skrymmande och tunga, eftersom de använder gamla PWM-omkopplingstopologier med låg frekvens. En modernare arkitektur att ta hänsyn till är decentraliserad kraftförsörjning (figur 4) med hjälp av kraftmoduler.
”Fördelarna med att använda en decentraliserad modell kan förverkligas ännu mer på systemnivå med lättare kablage runt fordonet: det finns några fina fördelar med att placera omvandlaren närmast belastningen när det gäller att minimera impedansen och motståndet, några av kylningsmetoderna kan förenklas och i vissa fall kan man eliminera en kylplatta eller vätskekylning. Möjligheten att implementera funktionell säkerhet med fler alternativ och flexibilitet kommer in i bilden”, säger Wadden.
Denna strömförsörjningsarkitektur använder mindre, mindre kraftfulla 48V-till-12V-omvandlare. Den decentraliserade strömförsörjningsarkitekturen ger betydande fördelar för värmestyrning i ett strömförsörjningssystem.
”Låt oss titta på ett diagram på hög nivå av ett centraliserat system jämfört med ett decentraliserat system. Till vänster har vi en traditionell 3kW silverbox, traditionellt med en 400V ingång till en utgång på 12V som försörjer 12V-belastningar i bilen. Till höger visas ett exempel på hur 48 V används runt om i bilen: omvandlaren är placerad precis vid belastningspunkten, i den decentraliserade modellen slopas den stora silverboxen och strömfördelningen sprids efter behov runt om i fordonet. Detta gör det också möjligt att genomföra ASIL FUSA med redundanta förnödenheter. I takt med att effektkraven ökar blir det allt svårare att hantera och att fortsätta att lägga till dessa äldre traditionella silverlådor är inget alternativ”, säger Wadden.
Nya 48V PDN:er måste stödja äldre 12V-belastningar med ökade effektkrav och nya högeffektiva driv-, styr- och bromssystem som använder kablar. För att leverera mer 48V effekt med ett ökande antal belastningar krävs moduler med hög densitet jämfört med större, skrymmande diskreta lösningar. Vicor erbjuder flera moduler för strömförsörjning från 48V. Dessa enheter omfattar konverteringslösningar med fast förhållande och reglerade konverteringslösningar som stöder både 48V- och 12V-belastningar i buck- eller boost-läge. Dessa omvandlare kan ingå i ett enda hölje eller distribueras i hela fordonet med hjälp av en mindre och lättare 48V PDN.
Med användningen av 400V- och 800V-laddningsstationer kräver fordonets kompatibilitet med alla stationer en konverteringslösning som är så enkel som möjligt men framför allt effektiv. NBM6123 ger 6,4 kW konvertering med fast förhållande för 400V och 800V i ett 61 x 23 mm CM-ChiP-paket, vilket möjliggör en skalbar, högeffektiv lösning med hög densitet för kompatibilitet mellan laddningsstationer vid vägkanten och olika fordon. Vicor-lösningars dubbelriktade kapacitet gör att samma modul kan användas för upp- och nedtrappningskonvertering. NBM6123 kan också användas för strömförsörjning till fordonet för luftkonditionering under laddning, vilket minimerar batteribalanseringskretsen.
Slutsats
Förflyttningen mot elektrifiering av fordon tar sig många former idag och att driva dem är komplicerat. Ett fordon har många olika system och varje system kan ha olika strömbehov. Ett modulärt kraftförsörjningssätt är till sin natur mer flexibelt och skalbart och kan hantera en myriad av dessa utmaningar. Vicors högpresterande lösningar är små och lätta och utformade för att hantera kraftomvandling, laddning och leverans för alla system.
Maurizio har arbetat inom forskningsfältet för gravitationsvågor och i rymdforskningsprojekt som konstruktionsingenjör. Han undrar ibland om någon där uppe har skickat meddelanden till oss som vi inte har fått eller kunnat avkryptera. Maurizio är elektronikingenjör och har en doktorsexamen i fysik. Maurizio tycker om att skriva och berätta historier om teknik och elektronik. Hans huvudintressen är kraft, fordon, IoT och digitalt. Maurizio är för närvarande chefredaktör för Power Electronics News och europeisk korrespondent för EE Times. Han övervakar också diskussionerna på EEWeb.com. Han har skrivit olika tekniska och vetenskapliga artiklar och ett par böcker för Springer om Energy Harvesting och Data Acquisition and Control System.