Wiki de electronică de putere a Facultății de Inginerie Electrică și Tehnologia Informației

Instrumente de utilizare

Instrumente pentru site-uri web

Bara laterală

navigare

Cuprins

Sistem electric de 48V

Următoarea generație de alimentare cu energie electrică?
rebholz_48v_systems_htwg-konstanz.pdf

Deci, ce ar putea fi mai natural să scadă tensiunea atât de mult încât să poată fi omise toate măsurile de protecție - desigur, poate fi vorba doar de distribuirea în siguranță a unui nivel de tensiune 300A) în vehicul.

Al doilea factor al noii situații de tensiune se datorează peisajului în creștere al consumatorilor de energie electrică. Consumatorii de confort, cum ar fi sistemele electrice de control al dinamicii vehiculelor, necesită ieșiri de vârf mai mari de 1 kW. Chiar și sistemele electrice inteligente de 12V nu pot face față acestui lucru. Chiar și un generator trifazat modern este pur și simplu depășit cu astfel de cerințe suplimentare pe termen scurt.

Un nivel de tensiune mai mare, cu stocare suficientă, ar aduce și soluția aici. Sau, în general: ce trebuie făcut dacă rețeaua de 12V de la bord are prea puțină energie - dar puterea nu justifică un sistem HV?

Furnizorii au reacționat acum și au dezvoltat o varietate considerabilă de componente pentru noul nivel de tensiune de 48V. Implementarea și disponibilitatea de a lua decizii din partea OEM-urilor este încă limitată, astfel încât start-up-urile din seria actuală cu o participare de 48V sunt încă gestionabile.

În cele ce urmează, riscurile și oportunitățile noii tehnologii 48V sunt examinate mai atent din punctul de vedere al dezvoltării electronice.

48V: De ce numărul mi se pare atât de familiar?

Da, numărul pare familiar colegilor noștri mai în vârstă. La începutul anilor 90, s-au încercat ridicarea întregii rețele de bord de 12V la o rețea de 42V. Apoi, ca și acum, situația tensiunii nominale se baza pe sistemele de stocare disponibile.

De ultimă oră

O mare varietate de aplicații de 48V sunt în prezent în curs de dezvoltare. În cea mai simplă aplicație, rețeaua de 48V este formată din câteva componente care sunt alimentate din partea de 12V. Subrețeaua este decuplată printr-un convertor DC/DC și este prevăzută cu o memorie pentru a absorbi vârfurile de putere tranzitorii, de ex. pentru consumatorii de șasiu sau un turbocompresor electric. Rețeaua de 12V de la bord este încărcată doar ușor în timp (câțiva 100W), în timp ce pe partea de 48V sunt posibile ieșiri pe termen scurt în gama kW. Un exemplu în acest sens este de ex. stabilizarea rolei electrice în Audi SQ7 [2].

Dacă se va realiza o reducere semnificativă a CO2 cu ajutorul nivelului de 48V, trebuie găsită posibilitatea de a converti energia electrică în mișcarea vehiculului. Mașina sincronă utilizată în mod obișnuit trebuie apoi utilizată în plus față de suportul motorului pentru a echilibra echilibrul energetic în sistemul de 48V. Ciclul de încărcare-descărcare descris mai sus este utilizat aici, în funcție de profilul de conducere presupus.

Tipul de conexiune la trenul de rulare este decisiv pentru eficiența sau cuplul suplimentar maxim util al sistemelor. În majoritatea cazurilor, este utilizată o topologie cunoscută și extinsă la o rețea de 48V la bord. Cea mai simplă variantă este înlocuirea generatorului trifazat de 12V cu un generator de pornire cu curea de 48V (RSG). Această configurație este de ex. care se regăsește în actualul Renault Scenic [3] cu o putere maximă de 10kW. Dezavantajul este că motorul trebuie tractat prin RSG atunci când conduceți electric. Mai mult, centura trebuie să fie capabilă să transmită puterea sau să genereze un cuplu suficient pentru a porni motorul.

O soluție eficientă este plasarea mașinii electrice în spatele motorului sau cutiei de viteze. Când conduceți electric, motorul poate fi decuplat, puterea este transmisă direct la arborele de acționare. Cu toate acestea, această opțiune cu un generator de pornire integrat (ISG) necesită măsuri de amploare în componentele transmisiei, ambreiajului și trenului de antrenare și, prin urmare, nu poate fi ușor integrată într-o configurație existentă.

David vs. Goliat - 48V vs. Sisteme 400V (HV)

O rețea de 48V la bord stabilită în vehicul deschide noi posibilități pentru multe domenii specializate în implementarea funcțiilor lor, care anterior nu puteau fi rezolvate decât mecanic. Stabilizarea electrică a rolei, care este deja în producție în serie, este doar un exemplu printre multe aplicații. Alte aplicații precum turbocompresorul electric sau sistemele de suspensie pneumatică se lucrează febril. Chiar și tratamentul ulterior al evacuării poate fi optimizat cu ajutorul componentelor de 48V. Introducerea nivelului de 48V este încetinită doar de dezvoltarea actuală nesigură a vehiculelor electrice.

În cazul în care componentele noi vor fi ridicate la un nivel de 48V, știind foarte bine că o integrare ulterioară în vehiculele electrice este dezavantajoasă?

Dezvoltarea unei noi unități de control este întotdeauna costisitoare și consumă mult timp. Dacă disponibilitatea singulară a componentelor de 48V în vehiculele electrice forțează un nivel de tensiune suplimentar, în plus față de tensiunea de 12V și HV, avantajul de astăzi va dispărea sau se va transforma într-un dezavantaj. Integrarea într-un vehicul electric înseamnă un alt sistem de baterii care trebuie furnizat de un convertor suplimentar HV/48V DC/DC.

Pentru producătorii de vehicule care își adaptează consumul de flotă la cadrul legal prin introducerea vehiculelor electrice și hibride, tehnologia 48V joacă cu siguranță un rol subordonat. Dacă motorul cu combustie continuă, nu există nicio cale de a introduce electrificarea „ușoară” prin nivelul de 48V. În cea mai înaltă etapă de expansiune, se poate demonstra că sistemele ISG promit un avantaj similar de CO2 analog sistemelor hibride din prima generație.

Avantajele tehnologiei 48V

Pe lângă reducerea consumului prin suportul motorului electric sau recuperarea energiei de frânare, noul nivel de tensiune oferă posibilitatea alimentării cu ușurință a consumatorilor de electricitate cu o putere de vârf mai mare de 1kW. La vehiculele moderne din clasa premium, puterea de consum instalată este de aproximativ 6-8 kW. Pe de altă parte, există un generator cu o putere de 3-3,5kW. Gestionarea inteligentă a energiei este, prin urmare, esențială pentru un echilibru echilibrat al încărcăturii. În funcție de situația de conducere și de urgență, trebuie să se acorde prioritate consumatorilor individuali. De exemplu, dezghețarea unui spate sau a unui parbriz va avea întotdeauna prioritate. Funcțiile de confort, cum ar fi încălzirea scaunului sau a volanului, pot fi restricționate, dacă este necesar. Nu mai este posibil să localizați alți consumatori cu curent ridicat pe partea de 12V. Mai ales atunci când vine vorba de consumatori care trebuie să fie disponibili permanent, precum șasiu, sisteme de curățare sau sisteme de curățare a gazelor de eșapament. Consumatorii care funcționează doar sporadic, cu ieșiri mai mici de 1kW, pot rămâne pe partea de 12V în viitor. Posibili candidați pentru o creștere la partea de 48V:

- Încălzirea geamurilor
- Ventilator de răcire
- Ventilator interior
- PTC interior
- direcție electrică
- Sistemele de încălzire în general

Pe măsură ce tensiunea crește, curentul scade proporțional, ceea ce poate duce la un ușor avantaj de greutate în structura de cablare a vehiculelor. În același timp, nu va fi posibil să se compenseze greutatea suplimentară necesară pentru unitatea de stocare, convertorul DC/DC și eventual RSG.

Dezavantaje ale tehnologiei

Utilizarea noii tehnologii 48V are, de asemenea, dezavantaje. În primul pas al rațiunii de a fi, trebuie justificat efortul suplimentar în ceea ce privește costurile și greutatea în ceea ce privește funcționalitatea suplimentară și optimizarea CO2. În caz contrar, fiecare nivel de management va face ideea să dispară din nou ca un truc bun de către inginerii electrici. Rețeaua de 48V de la bord nu poate fi utilizată în întregime fără măsuri de siguranță. La fel ca în cazul rețelei de 12V convenționale, un scurtcircuit ar trebui evitat pe cât posibil. Deoarece curenții de scurgere de pe partea de 12V sunt deja clasificați drept critici, trebuie prevenite și fluxurile de curent nedorite în sistemele de 48V. Unitățile de stocare de 48V utilizate sunt de obicei dezactivate în stare de repaus printr-un separator. Cu toate acestea, rămân câteva puncte de lucru în ceea ce privește măsurile de siguranță:

- Cum recunoaște tehnicianul de service o componentă de 48V?
- Cum poate fi detectată starea de siguranță în atelier?
- Cum este protejat împotriva pornirii din nou?
- Cum sunt verificate componentele de 48V după un accident?

Toate punctele sunt puncte de operare care trebuie luate în considerare în consecință. Mai critic este faptul că se pot forma arcuri nedorite în cazul unei defecțiuni. Se poate face o distincție între două tipuri de arc. Arcurile seriale apar întotdeauna când fluxul curent este întrerupt de ex. dacă linia se rupe sau contactele sunt trase sub sarcină. Linia conectată cu autoinductivitatea sa acționează ca o sursă de curent sau fluxul de curent este menținut constant, indiferent dacă un conductor este prezent sau nu. În cazul unei întreruperi a liniei, fluxul de curent va continua ca un arc serial pe plasmă. Arcurile seriale pot fi prevenite în mai multe moduri:

- Asigurați-vă că nu se pot elimina contacte sub sarcină
- Direcționarea cablurilor controlată în vehicul, evitarea zonelor de accident
- Creșterea capacității de intrare pe unitățile de control afectate
- Contacte înșurubate (îndepărtarea neintenționată de către client sau serviciu este împiedicată)

Manipularea arcurilor paralele cu curent redus nu a fost încă rezolvată și a făcut obiectul unei discuții controversate între experți. Dacă un scurtcircuit complet declanșează în mod inevitabil protecția liniei sau siguranța bateriei, un curent de defect care este de ordinul mărimii curenților consumatorului rămâne neobservat. Arcurile paralele sunt posibile numai dacă conductorul de retur este implementat peste corp într-un mod analog tehnologiei 12V. Probabil, curenții de defecțiune nu pot fi niciodată preveniți complet conform rețelei de 12V. Cu toate acestea, probabilitatea apariției trebuie redusă la minimum prin măsuri adecvate. Soluția pragmatică este de a se asigura că un arc electric nu poate apărea. Acest lucru este rezolvat prin soluții constructive:

- Nu există cabluri în zona accidentului vehiculului
- Dezactivarea rețelei de 48V la bord atunci când este detectat un accident
- Manta de cablu întărită în zone critice
- Distanța față de liniile vecine de 12V

Un test impresionant de laborator constă în aprinderea unui arc folosind o unitate de alimentare capabilă de 50V. Imaginea prezintă o simulare a arcului cu o unitate de alimentare limitată la 5A și două contacte standard de laborator. Arcul poate fi luminat ca un chibrit și rămâne stabil la aproximativ 6 mm până când lăsați voluntar contactele datorită dezvoltării căldurii.

Diverse soluții pentru detectarea arcului sunt cunoscute din științe inginerești conexe, cum ar fi fotovoltaica sau tehnologia de medie tensiune. Majoritatea metodelor folosesc informații din gama de frecvențe în acest scop, deoarece un arc în multe cazuri este vizibil ca un interferent de bandă largă. Toate metodele au dezavantajul cheltuielilor hardware suplimentare sau nu au reușit încă să demonstreze că funcționează în mod fiabil în toate cazurile pe durata de viață a vehiculului.

În plus față de arcurile electrice, există un alt scenariu de groază care, pe lângă incendiul vehiculului, înseamnă pierderea economică totală a vehiculului. Diafragma nedorită sau o conexiune galvanică cu rezistență redusă între cele două subrețele în care terminalul 30 este tras la potențialul de 48 V pentru o perioadă mai lungă de timp înseamnă moarte sigură atât pentru comunicație, cât și pentru circuitele de intrare ale majorității unităților de control. În funcție de topologia vehiculului sau de memoria utilizată (în special de performanța sa), o mare parte a unităților de control de 12V ar trebui să fie înlocuite. Diafragma nedorită între nivelurile de tensiune trebuie, prin urmare, luată în considerare atât în fiecare unitate de control afectată, cât și în așezarea cablurilor. Măsurile constructive sunt de obicei suficiente pentru a preveni diafragma. Convertorul DC/DC este o excepție. Este legătura dintre cele două subrețele și este văzut aici ca componentă critică. Clasificările ASIL corespunzătoare cu măsurile stocate trebuie să împiedice menținerea tensiunilor maxime pe ambele părți ale convertorului.

De câte baterii are nevoie un vehicul

Micșorarea bateriilor de 12V ar trebui să contribuie la reducerea greutății, precum și la măsuri constructive în caroseria vehiculului. Numărul maxim de baterii diferite din vehicul este atins dacă este necesar într-un vehicul hibrid să furnizeze o componentă de 48V cu o soluție de insulă. Pe lângă bateria de 12V și HV, în vehicul trebuie să fie integrată o memorie de 48V. Cu toate acestea, aceasta nu va fi cu siguranță norma.

Bateria vehiculului de 12V poate fi eliminată într-un vehicul cu 48V RSG sau ISG?

Tehnologie de standardizare/testare

Pentru interacțiunea lină a diferitelor componente, fiecare tehnologie necesită condiții de operare specificate și reguli în care se deplasează componentele. În plus față de valorile țintă, comportamentul de funcționare în punctele limită de funcționare, precum și imunitatea la interferență și valorile limită de emisie trebuie definite în aceste reguli. Specificația de testare VDA320 [5] „Componente electrice și electronice în rețeaua de bord 48V a vehiculului” definește cerințele și testele pentru componentele utilizate într-o rețea de bord 48V.

Întrebări către tehnologie

[1] Sistem electric de 48V-volt - tehnologie cheie pe calea electromobilității, ZVEI - Asociația Centrală a Industriei Electrice și Electronice e.V.

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

[5] VDA320, recomandare VDA Componente electrice și electronice în rețeaua de bord de 48V pentru autovehicule

Seminar 48V

48V Bordentzsysteme - SEMINAR - Noțiuni de bază, componente, proiectare și aplicare

Seminarul de sisteme de rețea la bord de 48V începe cu definiția generală a sistemelor electrice de la bord de 48V și discută de unde provine intenția unui nou nivel de tensiune. Structura și funcția componentelor necesare sunt discutate și sunt derivate criteriile de proiectare.

Conținutul seminarului:
Introducere:

Capitolul 1: Aplicații și domenii de utilizare