Vehiculele electrice (e-mobility) reprezintă poate una dintre cele mai importante provocări cu care companiile de tehnologie și consumatorii au trebuit să se confrunte în ultimii ani. În timp ce există o nevoie tot mai mare de a găsi sisteme ecologice care pot revoluționa modul în care ne deplasăm, există, de asemenea, necesitatea de a se asigura că noile tehnologii ecologice sunt cât mai eficiente și mai eficace din punct de vedere al prețului și al performanțelor.
Producătorii de autovehicule trebuie să respecte standardele din ce în ce mai stricte privind emisiile de CO2 și, în același timp, să crească performanțele vehiculelor pentru a rămâne competitivi. Această provocare semnificativă este abordată prin electrificarea în vehicule pur electrice (EV), vehicule hibrid-electrice (HEV) și vehicule cu motor cu ardere internă (ICE). Adăugarea de baterii de tensiune mai mare, cum ar fi cele de 48V, 400V și 800V, pentru a satisface cerințele sporite de putere, a crescut, la rândul său, complexitatea arhitecturilor de furnizare a energiei și a impus noi cerințe în ceea ce privește dimensiunea și eficiența
Sistemele de vehicule electrice hibride-moderne (MHEV) reprezintă poarta de acces către electrificare. Identificate și sub denumirea de propulsie hibridă-ușoară, acestea vor contribui la creșterea exponențială a modelelor hibride. Sistemul MHEV este capabil să recupereze energia vehiculului în timpul frânării și furnizează energie în timpul repornirii vehiculului, reducând astfel consumul de benzină și emisiile de CO2.
O a doua abordare de electrificare pentru modelele HEV implică un motor electric care lucrează împreună cu ICE, permițând vehiculului să se deplaseze 100% în modul electric timp de câțiva kilometri. O altă alternativă populară este vehiculul hibrid-electric plug-in (PHEV), în care bateria poate fi reîncărcată de la rețeaua electrică, iar autonomia la emisii zero crește la aproximativ 50 de kilometri. În acest caz, electrificarea este decisiv mai mare decât tehnologiile MHEV și hibrid – la fel ca și costurile de achiziție – zeci de modele PHEV apărând pe piață.
Vehiculele electrice cu baterie (BEV) nu au un motor cu combustie internă și sunt în schimb alimentate de combinația de invertor plus motor electric. BEV-urile sunt reîncărcabile prin intermediul rețelei și în timpul regenerării la frânare. Printre mașinile electrice se numără și vehiculele electrice cu autonomie extinsă (EREV), cu un mic motor cu ardere internă utilizat exclusiv ca generator de curent pentru a reîncărca bateriile atunci când nivelul este scăzut. Ultima categorie este reprezentată de vehiculele electrice cu pile de combustie (FCEV), care sunt alimentate cu pile de combustie pe bază de hidrogen.
Soluția ar putea fi nu numai în noile tehnologii de stocare a energiei, cum ar fi bateriile cu semiconductori sau pilele de combustie pe bază de hidrogen, ci și în îmbunătățirea eficienței automobilelor prin reducerea greutății și noi arhitecturi electrice.
Provocările actuale ale electrificării
„Provocările actuale ale electrificării sunt următoarele: menținerea costurilor la un nivel scăzut, îndeplinirea obiectivelor agresive privind emisiile de CO2, gestionarea schimbărilor în ceea ce privește cerințele de putere, alimentarea încărcăturilor vechi de 12 V, furnizarea de vehicule mai ușoare și mai performante, creșterea nivelurilor de putere, un timp de încărcare mai rapid și gestionarea unor tensiuni mai mari de la sistemele de baterii de 800 V și 400 V”, a declarat Patrick Wadden Global VP Automotive Business Development la Vicor Corporation.
Producătorii de autoturisme, camioane, autobuze și motociclete își electrifică rapid vehiculele pentru a crește eficiența consumului de combustibil al motoarelor cu combustie internă și pentru a reduce emisiile de CO2. Există multe opțiuni de electrificare, dar majoritatea producătorilor optează pentru un sistem mild-hybrid de 48 de volți, mai degrabă decât pentru un sistem de propulsie complet hibrid. În sistemul mild-hybrid, o baterie de 48 V este adăugată alături de bateria tradițională de 12 V.
„Există fie o baterie de 800, fie una de 400 de volți în vehicul. Vicor preia fie cei 800, fie cei 400 de volți de la baterie și convertește energia la 48 de volți pentru alimentarea sarcinilor, cum ar fi turbocompresorul electric, parbrizul condus și pompele de răcire. Sistemele care sunt alimentate de la bateria de 800 sau 400 de volți au opțiunea de a elimina complet bateria de 48 de volți și de a crea o baterie virtuală de 48 de volți. Această eliminare a bateriei de 48V oferă OEM-ului o densitate de putere mai mare, o reducere a greutății și a dimensiunilor, toate acestea permițând o autonomie extinsă a vehiculului. Aceste soluții sunt scalabile și, prin urmare, se adresează vehiculelor de la nivelul de intrare până la cele de lux”, a declarat Wadden.
Tehnologia de 48V distribuie eficient puterea
Tehnologia de 48V crește capacitatea de putere de 4 ori (P = V – I), care poate fi utilizată pentru sarcini mai grele, cum ar fi aparatul de aer condiționat și catalizatorul la pornire. Pentru a crește performanța vehiculului, sistemul de 48V poate alimenta un motor hibrid care este utilizat pentru o accelerație mai rapidă și mai lină, economisind în același timp combustibil.
„Depășirea ezitării de a modifica rețeaua de distribuție a energiei (PDN) de 12 volți, optimizată de mult timp din punct de vedere al costurilor, poate fi cea mai mare provocare”, a declarat Wadden. El a continuat: „pentru industria auto, un sistem mild-hybrid de 48V oferă o modalitate de a introduce rapid noi vehicule cu emisii mai reduse, autonomie mai mare și un consum mai mare de combustibil și o abordare practică. De asemenea, oferă opțiuni de proiectare noi și interesante pentru performanțe și caracteristici mai mari, reducând în același timp emisiile de CO2.”
Marea majoritate a convertoarelor DC-DC centralizate utilizate sunt voluminoase și grele, deoarece utilizează topologii vechi de comutare de joasă frecvență PWM. O arhitectură mai actuală care trebuie luată în considerare este livrarea descentralizată a energiei (figura 4) folosind module de alimentare.
„Beneficiile utilizării unui model descentralizat pot fi realizate și mai mult la nivel de sistem, cu un cablaj mai ușor în jurul vehiculului: există unele beneficii frumoase pentru plasarea convertorului cel mai aproape de sarcină în ceea ce privește minimizarea impedanței și rezistenței, unele dintre metodele de răcire pot fi simplificate și, în unele cazuri, se poate elimina o placă rece sau răcirea cu lichid. Opțiunea de a implementa siguranța funcțională cu mai multe opțiuni și flexibilitatea intră în joc”, a declarat Wadden.
Această arhitectură de furnizare a energiei utilizează convertoare mai mici, de putere mai mică, de la 48V la 12V. Arhitectura de alimentare descentralizată oferă beneficii semnificative în ceea ce privește managementul termic într-un sistem de alimentare.
„Să ne uităm la o diagramă de nivel înalt a unui sistem centralizat față de un sistem descentralizat. În stânga avem o cutie argintie tradițională de 3kW, în mod tradițional cu o intrare de 400V la o ieșire de 12V care alimentează sarcini de 12V în mașină. În dreapta este un exemplu de utilizare a 48V în jurul mașinii: convertorul este plasat chiar la punctul de încărcare, modelul descentralizat renunță la cutia argintie mare și distribuie energia în funcție de necesități în jurul vehiculului. Acest lucru permite, de asemenea, implementarea ASIL FUSA cu surse redundante. Pe măsură ce cerințele de putere cresc, devine din ce în ce mai dificil de gestionat și să continui să adaugi aceste cutii argintii tradiționale mai vechi nu este o opțiune”, a declarat Wadden.
Noi PDN-uri de 48V trebuie să susțină sarcinile vechi de 12V cu cerințe de putere crescute și noile sisteme de acționare, direcție și frânare de mare putere care utilizează cabluri. Furnizarea unei puteri mai mari de 48V cu un număr tot mai mare de sarcini necesită module de înaltă densitate în comparație cu soluțiile discrete mai mari și mai voluminoase. Vicor oferă mai multe module pentru livrarea de energie de 48V. Aceste dispozitive includ soluții de conversie cu raport fix și reglementate care suportă atât sarcini de 48V, cât și de 12V în modul buck sau boost. Aceste convertoare pot fi conținute într-o singură carcasă sau pot fi distribuite în tot vehiculul folosind un PDN de 48V mai mic și mai ușor.
NBM Vicor este utilizat într-o arhitectură descentralizată ori de câte ori producătorii de echipamente originale trebuie să plaseze etaje de conversie a tensiunii în jurul vehiculului cel mai aproape de sarcină și fie să reducă tensiunea de la 48V la 12V, fie să amplifice 12V la 48V.
Cu utilizarea stațiilor de încărcare de 400V și 800V, compatibilitatea vehiculului cu orice stație necesită o soluție de conversie cât mai simplă, dar mai ales eficientă. NBM6123 oferă o conversie de 6,4kW cu raport fix de 400V și 800V într-un pachet CM-ChiP de 61 x 23mm, permițând o soluție scalabilă, de înaltă eficiență și densitate ridicată pentru compatibilitatea între stațiile de încărcare de pe marginea drumului și diferite vehicule. Capacitatea bidirecțională a soluțiilor Vicor permite ca același modul să fie utilizat pentru conversia step-up sau step-down. NBM6123 poate fi folosit, de asemenea, pentru livrarea de energie către vehicul pentru aer condiționat în timpul încărcării, minimizând circuitul de echilibrare a bateriei.
Concluzie
Mutarea către electrificarea vehiculelor ia astăzi multe forme, iar alimentarea acestora este complicată. Un vehicul are multe sisteme diferite și fiecare poate avea cerințe de alimentare diferite. O abordare de alimentare modulară este în mod inerent mai flexibilă și mai scalabilă, fiind capabilă să abordeze o multitudine de aceste provocări. Soluțiile de înaltă performanță de la Vicor sunt mici și ușoare, concepute pentru a aborda conversia, încărcarea și livrarea de energie pentru orice sistem.
Maurizio a lucrat în domeniul cercetării undelor gravitaționale și în proiecte de cercetare spațială ca inginer de proiectare. El se întreabă uneori dacă nu cumva cineva acolo sus ne-a trimis mesaje pe care noi nu le-am primit sau nu am reușit să le decriptăm. Maurizio este inginer electronist și deține un doctorat în fizică. Lui Maurizio îi place să scrie și să spună povești despre tehnologie și electronică. Principalele sale interese sunt Power, Automotive, IoT, Digital. Maurizio este în prezent redactor-șef al Power Electronics News și corespondent european al EE Times. De asemenea, el supraveghează discuțiile de pe EEWeb.com. A scris diverse articole tehnice și științifice, precum și câteva cărți pentru Springer pe tema Energy Harvesting și Data Acquisition and Control System.
.