Уики за енергийна електроника на Факултета по електротехника и информационни технологии

Потребителски инструменти

Инструменти за уебсайтове

Странична лента

48V електрическа система

Следващото поколение захранване?
rebholz_48v_systems_htwg-konstanz.pdf

И така, какво може да бъде по-естествено да се намали напрежението толкова много, че всички защитни мерки да бъдат пропуснати - така че, разбира се, може да бъде само ниво на напрежение 300А), за да бъде безопасно разпределено в превозното средство.

Вторият двигател на новата ситуация на напрежение се дължи на нарастващия пейзаж на електрическите потребители. Потребителите на комфорт като системите за управление на динамиката на електрическите превозни средства изискват пикови мощности над 1kW. Дори интелигентните 12V електрически системи не могат да се справят с това. Дори модерен трифазен генератор просто се прегазва с такива краткосрочни допълнителни изисквания.

По-високото напрежение с достатъчно място за съхранение също би довело до решението тук. Или като цяло: Какво да направя, ако 12V бордовата мрежа има твърде малко мощност - но мощността не оправдава HV система?

Сега доставчиците са реагирали и са разработили значително разнообразие от компоненти, базирани на новото ниво на напрежение 48V. Внедряването и готовността за вземане на решения от страна на производителите на оригинално оборудване все още са ограничени, така че настоящите стартиращи серии от 48V все още са управляеми.

По-нататък рисковете и възможностите на новата 48V технология се разглеждат по-отблизо от гледна точка на развитието на електрониката.

48V: Защо номерът ми се струва толкова познат?

Да, номерът изглежда познат на по-възрастните ни колеги. В началото на 90-те бяха направени опити да се повиши цялата 12V бордова мрежа до мрежа 42V. Тогава, както и сега, ситуацията с номиналното напрежение се базираше на наличните системи за съхранение.

Състояние на техниката

В момента се разработва голямо разнообразие от 48V приложения. В най-простото приложение 48V мрежата се състои от няколко компонента, които се захранват от 12V страна. Подмрежата е отделена чрез DC/DC преобразувател и е снабдена с памет за поглъщане на преходни пикови мощности, напр. за потребители на шаси или електрически турбокомпресор. Бордовата мрежа от 12V е леко натоварена с течение на времето (няколко 100W), докато от страна на 48V са възможни краткосрочни изходи в диапазона kW. Пример за това е напр. електрическата стабилизация на ролката в Audi SQ7 [2].

Ако трябва да се постигне значително намаляване на CO2 с помощта на 48V ниво, трябва да се намери възможност за преобразуване на електрическата енергия в движение на превозното средство. След това трябва да се използва синхронната машина, която обикновено се използва в допълнение към опората на двигателя, за да се балансира енергийният баланс в 48V системата. Тук се използва описаният по-горе цикъл на зареждане/разреждане в зависимост от приетия профил на шофиране.

Видът на връзката към задвижващия механизъм е определящ за ефективността или максималния използваем допълнителен въртящ момент на системите. В повечето случаи се използва известна топология и се разширява до 48V бордова мрежа. Най-простият вариант е да се замени 12V трифазен генератор с 48V генератор за ремъчен стартер (RSG). Тази конфигурация е напр. да се намери в настоящия Renault Scenic [3] с пикова мощност от 10kW. Недостатъкът е, че двигателят трябва да се тегли през RSG, когато се движи електрически. Освен това ремъкът трябва да може да предава мощността или да генерира достатъчно въртящ момент, за да стартира двигателя.

Ефективно решение е да поставите електрическата машина зад двигателя или скоростната кутия. При електрическо шофиране двигателят може да бъде отделен, мощността се предава директно към задвижващия вал. Тази опция с интегриран стартов генератор (ISG) обаче изисква широкообхватни мерки в компонентите на трансмисията, съединителя и задвижващата система и поради това не може лесно да се интегрира в съществуваща конфигурация.

Давид срещу Голиат - 48V срещу 400V (HV) системи

Установената 48V бордова мрежа в автомобила отваря нови възможности за много специализирани области при изпълнението на техните функции, които преди това можеха да бъдат решени само механично. Електрическата стабилизация на ролката, която вече е в серийно производство, е само един пример сред много приложения. Третира се трескаво и върху други приложения като електрически турбокомпресор или системи с въздушно окачване. Дори последващата обработка на отработените газове може да бъде оптимизирана с помощта на 48V компоненти. Въвеждането на 48V ниво се забавя само от настоящото опасно развитие на електрическите превозни средства.

Ако новите компоненти се повишат до ниво 48V, като се знае добре, че по-късната интеграция в електрическите превозни средства е неблагоприятна?

Разработването на нов блок за управление винаги е скъпо и отнема много време. Ако единичната наличност на 48V компоненти в електрическите превозни средства налага допълнително ниво на напрежение в допълнение към 12V и HV напрежение, днешното предимство ще изчезне или ще се превърне в недостатък. Интегрирането в електрическо превозно средство означава друга батерийна система, която трябва да се захранва от допълнителен HV/48V DC/DC преобразувател.

За производителите на превозни средства, които адаптират потреблението на автопарка си към законовата рамка чрез въвеждане на електрически и хибридни превозни средства, 48V технологията със сигурност играе подчинена роля. Ако двигателят с вътрешно горене продължи, няма начин да се заобиколи въвеждането на „лека“ електрификация чрез 48V ниво. В най-високия етап на разширение може да се покаже, че ISG системите обещават подобно предимство на CO2, аналогично на хибридните системи от първо поколение.

Предимства на 48V технология

В допълнение към намаляването на потреблението чрез поддръжка на електродвигателя или възстановяване на спирачната енергия, новото ниво на напрежение предлага възможност за лесно захранване на електрически консуматори с пикова мощност над 1kW. В съвременните превозни средства от премиум клас инсталираната консумационна мощност е около 6-8kW. От друга страна има генератор с мощност 3-3,5kW. Следователно интелигентното управление на енергията е от съществено значение за балансирания баланс на заряда. В зависимост от ситуацията на шофиране и спешността отделните потребители трябва да бъдат приоритетни. Например размразяването на задно или предно стъкло винаги ще има приоритет. Комфортни функции като отопление на седалката или волана могат да бъдат регулирани, ако е необходимо. Вече е невъзможно да се намерят други консуматори на висок ток от страната 12V. Особено когато става въпрос за потребители, които трябва да са постоянно на разположение, като шаси, системи за почистване на задвижване или отработени газове. Потребителите, които работят само спорадично, с мощност по-малка от 1kW, могат да останат на страната 12V в бъдеще. Възможни кандидати за увеличение до 48V страна:

- Отопление на прозорци
- Вентилатор
- Вътрешен вентилатор
- вътрешен PTC
- електрическо управление
- Системи за отопление като цяло

С увеличаване на напрежението токът намалява пропорционално, което може да доведе до леко предимство на теглото в окабеляващата структура на автомобилите. В същото време няма да е възможно да се компенсира допълнителното тегло, изисквано от модула за съхранение, DC/DC преобразувател и евентуално RSG.

Недостатъци на технологията

Използването на новата 48V технология естествено има и недостатъци. В първата стъпка от основанието трябва да бъдат обосновани допълнителните усилия по отношение на разходите и теглото по отношение на допълнителната функционалност и оптимизацията на CO2. В противен случай всяко ниво на управление ще накара идеята отново да изчезне като добър трик от електроинженерите. Бордовата мрежа от 48V не може да се използва изцяло без предпазни мерки. Както при конвенционалната 12V бордова мрежа, късо съединение трябва да се избягва, доколкото е възможно. Тъй като токовете на изтичане на 12V страна са класифицирани като критични, нежеланите токови потоци в 48V системи също трябва да бъдат предотвратени. Използваните 48V модули за съхранение обикновено се деактивират в неактивно състояние чрез сепаратор. Независимо от това, някои работни точки остават по отношение на мерките за безопасност:

- Как сервизният техник разпознава 48V компонент?
- Как може да се открие безопасното изключено състояние в сервиза?
- Как е защитен срещу повторно включване?
- Как се проверяват 48V компоненти след срив?

Всички точки са операционни точки, които трябва да бъдат взети предвид съответно. По-критичен е фактът, че в случай на повреда могат да се образуват нежелани дъги. Може да се направи разлика между два вида дъгообразни. Последователни дъги винаги възникват, когато текущият поток е прекъснат напр. ако линията се скъса или контактите се изтеглят под товар. Свързаната линия със своята самоиндукция действа като източник на ток или текущият поток се поддържа постоянен, независимо дали има проводник или не. В случай на прекъсване на линията, текущият поток ще продължи като последователна дъга през плазмата. Последователните дъги могат да бъдат предотвратени по няколко начина:

- Уверете се, че никакви контакти не могат да бъдат премахнати под товар
- Контролирано прокарване на кабели в превозното средство, избягване на зони на катастрофа
- Увеличен входящ капацитет на засегнатите блокове за управление
- Завинтени контакти (предотвратява се неволно отстраняване от страна на клиент или сервиз)

Справянето с паралелни дъги с нисък ток все още не е разрешено и е обект на спорове сред експертите. Ако пълно късо съединение неизбежно задейства линейната защита или предпазителя на акумулатора, токът на повреда, който е от порядъка на величината на потребителските токове, остава незабелязан. Паралелните дъги са възможни само ако връщащият проводник е изпълнен върху тялото по начин, аналогичен на 12V технология. Предполага се, че токовете на повреда никога не могат да бъдат напълно предотвратени според 12V мрежата. Въпреки това, вероятността от поява трябва да бъде сведена до минимум чрез подходящи мерки. Прагматичното решение е да се гарантира, че не може да възникне електрическа дъга. Това се разработва чрез конструктивни решения:

- Няма кабели в зоната на катастрофата на превозното средство
- Деактивиране на бордовата мрежа от 48V при откриване на срив
- Подсилена кабелна обвивка в критични области
- Разстояние до съседни 12V линии

Впечатляващ лабораторен тест е запалването на дъга с помощта на 50V захранващ блок. Картината показва симулация на дъга с блок за захранване, ограничен до 5А и два стандартни контакта за лабораторен щепсел. Дъгата може да бъде запалена като кибритена клечка и да остане стабилна на около 6 мм, докато доброволно освободите контактите поради развитието на топлина.

Различни решения за откриване на дъги са известни от сродни инженерни науки като фотоволтаици или технологии със средно напрежение. Повечето от методите използват за тази цел информация от честотния диапазон, тъй като в много случаи се забелязва дъга като широколентов интерферентор. Всички методи имат недостатъка на допълнителните хардуерни разходи или все още не са успели да докажат, че функционират надеждно във всички случаи през целия живот на автомобила.

В допълнение към дъгите има и друг сценарий на ужасите, който освен пожар на превозното средство означава и икономическа пълна загуба на превозното средство. Нежеланото кръстосване или галванична връзка с ниско съпротивление между двете подмрежи, в които терминал 30 е изтеглен до 48V потенциал за по-дълъг период от време, означава сигурна смърт както за комуникацията, така и за входните схеми на повечето контролни блокове. В зависимост от топологията на превозното средство или използваната памет (особено неговата производителност), голяма част от 12V блоковете за управление ще трябва да бъдат заменени. Следователно нежеланите кръстосани връзки между нивата на напрежение трябва да бъдат взети предвид както във всеки засегнат контролен блок, така и при полагането на кабели. Конструктивните мерки обикновено са достатъчни за предотвратяване на кръстосани препратки. DC/DC преобразувателят е изключение. Той е връзката между двете подмрежи и тук се разглежда като критичен компонент. Подходящата класификация на ASIL със съхранени мерки трябва да предотврати поддържането на максималните напрежения от двете страни на преобразувателя.

Колко батерии са необходими на превозното средство

Свиващите се 12V батерии трябва да допринесат за намаляване на теглото, както и за конструктивни мерки в каросерията на автомобила. Достига се максималният брой различни батерии в превозното средство, ако в хибридно превозно средство се наложи да се достави 48V компонент с островно решение. В допълнение към 12V и HV батерията, 48V памет трябва да бъде интегрирана в автомобила. Това обаче със сигурност няма да е норма.

12V акумулаторна батерия може да се освободи в автомобил с 48V RSG или ISG?

Технология за стандартизация/изпитване

Всяка технология изисква определени работни условия и правила, в рамките на които компонентите се движат за гладко взаимодействие на различни компоненти. В допълнение към целевите стойности, в тези правила трябва да се дефинира експлоатационното поведение в граничните работни точки, както и устойчивостта на смущения и граничните стойности на емисии. Спецификацията за изпитване VDA320 [5] „Електрически и електронни компоненти в бордовата мрежа на автомобила 48V“ определя изисквания и тестове за компоненти за използване в 48V бордова мрежа.

Въпроси към технологията

[1] Бордова мрежа с напрежение 48 V - ключова технология по пътя към електромобилността, ZVEI - Централна асоциация на Асоциацията на производителите на електрически и електронни устройства.

[4] 48V Technology, Bernhard Klein, Oliver Maiwald, ISBN 978-3-86236-102-1

[5] VDA320, препоръка VDA Електрически и електронни компоненти в моторни превозни средства 48V бордова мрежа

48V семинар

48V Bordentzsysteme - СЕМИНАР - Основи, компоненти, дизайн и приложение

Семинарът за 48V окабеляване започва с общото определение на 48V окабеляващи системи и обсъжда откъде идва намерението за ново ниво на напрежение. Обсъждат се структурата и функцията на необходимите компоненти и се извеждат критериите за проектиране.

Съдържание на семинара:
Въведение:

Глава 1: Приложения и области на употреба