Многие из нас уже наверно заметили, что электрические системы автомобилей претерпевают значительные изменения от старых 12-вольтовых систем к новым гибридным 12- и 48-вольтовым системам. Количество новых электрических и электронных устройств и подсистем, добавленных к современному автотранспорту за эти годы, значительно увеличило электрическую нагрузку на старую, надежную свинцово-кислотную 12-вольтовую аккумуляторную батарею. И вот наступил переломный момент.
Кроме того, гибридные электрические транспортные средства (HEV) и полностью электрические транспортные средства (электромобили или EV) постепенно получают признание. Гибридным автомобилям и электромобилям нужна еще более «агрессивная» электрическая система. В этой статье рассматриваются новые электрические системы, которые более адекватно отвечают потребностям современного автомобиля.
Новые 12/48-В электрические системы с двумя аккумуляторами
Эпоха хорошо себя зарекомендовавших и надежно служивших в течении долгих лет 12 В систем подходит к концу. Впервые появившись в 1955 году, 12-вольтовая система заменила более старые 6-вольтовые системы. Теперь, спустя 60 с лишним лет, эта система достигла своих пределов. В течение многих лет благодаря постоянному включению новых электронных систем общие требования к электропитанию в традиционной 12-вольтной электрической системе автомобиля стали превышать ее возможности. И новые грузы еще впереди.
Решение этой проблемы было известно в течение многих лет. В начале 2000-х годов была предложена система 36/42-В, хотя она так и не была принята. Заставить всю автомобильную промышленность внедрить новую систему непросто, но сейчас выбора нет. Двойная система на 12 и 48 Вольт является выходом. Стратегия, используемая автопроизводителями, состоит в том, чтобы переместить энергоемкие компоненты и подсистемы автомобиля на новую 48-вольтовую шину, питаемую от литий-ионной батареи.
Новая электрическая система выглядит так, как показано на рисунке ниже. Нагрузки распределены между большинством систем с повышенным напряжением на шине 48 В и меньшими нагрузками на шину 12 В. Самые тяжелые нагрузки поступают от стартера, водяных и топливных насосов, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК или HVAC), охлаждающих вентиляторов и систем стабилизации кузова. Наличие источника 48 В делает возможными усовершенствования, такие как электрические турбонагнетатели, которые гораздо более эффективны, чем с приводом от отработавших газов. Помимо обеспечения большей мощности в целом, примерно до 10 кВт, система 12/48-В обеспечивает меньшие токи, что приводит к меньшим размерам и весу токоведущих кабелей и шин.
На рисунке выше вы увидите DC-DC преобразователь, который является ключом к практическому применению этой двойной системы. Преобразователь обеспечивает возможность двунаправленной передачи энергии, которая поддерживает оба источника питания в любых условиях. Это устройство будет заряжать одну батарею от другой, если она разряжена и соответствует условиям временной перегрузки.
Одним из способов реализации такой системы является использование LM5170-Q1 от Texas Instruments, интегральная микросхема многофазного двунаправленного контроллера тока. Данный усиленный контроллер формирует ядро двунаправленного преобразователя для систем 12/48 В. Он управляет направлением тока и средним током с помощью схемы управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) под управлением микроконтроллера.
Модули управления кузовом автомобиля
Все автомобильные электрические системы делят связанные электрические нагрузки на сегменты. Примерами являются отдельные нагрузки для двигателя, трансмиссии, ADAS, информационно-развлекательной системы и тормоза. Нагрузки работают от 12 вольтовой батареи и могут изменяться автопроизводителем.
Одна нагрузка, которую реализуют все системы, — это электроника кузова, которая обрабатывается модулем управления кузовом (BCM). Конкретные нагрузки, обрабатываемые BCM, также зависят от производителя. Большинство из них охватывают такие вещи, как электрические стеклоподъемники и дверные замки, дворники и освещение. Микропроцессорное управление модулем управления кузова состоит из набора преобразователей постоянного тока, регуляторов LDO, светодиодных драйверов и различных датчиков и переключателей. Обычные напряжения нагрузки находятся в диапазоне от 1,2 до 5 В.
BCM берет начало с выхода батареи, который загружен электрическим шумом и подвержен влиянию различных переходных процессов. Некоторые компоненты фильтров электромагнитной совместимости (ЭМС) и защиты аккумуляторов «подготавливают» напряжение для некоторых регуляторов, которые генерируют необходимое напряжение на шине. Для небольших модулей управления кузовом (BCM) используется полностью архитектура LDO. LDO дополнительно «очищают» и регулируют напряжение 12 В до нескольких низковольтных шин. LDO не самый эффективный регулятор, но при небольших нагрузках они предпочтительнее. При нагрузках более 400 мА высокая температура и неэффективность могут сделать подход LDO неприемлемым.
Другой подход заключается в использовании комбинированного понижающего переключающего регулятора, за которым следуют LDO. Это более эффективно. Buck-регулятор обычно создает 5-вольтовую шину, а следующие за ним LDO составляют любые низковольтные шины.
Альтернативный вариант — начать с понижающего преобразователя, за которым следует повышающий преобразователь и еще один понижающий регулятор. Повышающий преобразователь контролирует напряжение, чтобы некоторые нагрузки могли работать в условиях холостого хода и / или использовать функцию запуска / остановки двигателя, реализованную во многих новых автомобилях. В таких условиях напряжение батареи резко падает, поэтому регулирование имеет решающее значение. Дополнительные понижающие преобразователи также используются для генерации других необходимых шин низкого напряжения.
Хороший выбор для подхода buck-boost — использовать конвертер типа SEPIC. SEPIC — это эффективная и гибкая архитектура с комбинацией buck-boost (повышающе – понижающий преобразователь). Затем могут быть добавлены дополнительные преобразователи или LDO по мере необходимости (рисунок ниже).
Решения для зарядки аккумуляторов электромобилей
Для электромобилей и гибридных автомобилей требуются системы зарядки аккумуляторов. Некоторые из зарядных устройств являются внутренними по отношению к автомобилю, в то время как другие являются внешними, либо дома, либо на коммерческой зарядной станции. Единственное, что мешает электромобилям полностью доминировать в продажах автомобилей, — это постоянная потребность в зарядке аккумулятора, недостаток коммерческих зарядных станций и ограниченный ассортимент самих автомобилей. Быстрая и надежная зарядка аккумулятора — залог успеха электромобилей.
Итак, давайте рассмотрим бортовые зарядные устройства, как они работают и почему они используются. Также будут обсуждаться зарядные станции и их взаимодействие с бортовым зарядным устройством и системами управления батареями электромобилей (BMS).
У всех электромобилей и гибридных автомобилей есть встроенное зарядное устройство для батареи главного (тягового) электропривода. Он берет переменный ток от домашней или коммерческой зарядной станции и преобразует его в постоянный ток для заряда аккумуляторной батареи. Оборудование зарядной станции обычно называют оборудованием для обслуживания электромобилей (EVSE). Другая форма внешнего зарядного устройства — это источник постоянного тока, который подключается непосредственно к аккумуляторной батарее и обеспечивает быструю перезарядку.
Общество инженеров автомобильной промышленности (SAE) определило три класса или уровня зарядки автомобилей (таблица ниже). Зарядные устройства уровня 1 и 2 встроены в сам автомобиль. Зарядные устройства уровня 3 предназначены в основном для общественных зарядных станций.
Другие организации также определяют стандарты, связанные с начислением оплаты за потребленную мощность. Международная электротехническая комиссия (МЭК) определяет четыре режима зарядки. Кроме того, было указано четыре разъема для подключения зарядного устройства. Ко всему этому добавляются многие правительственные нормы и стандарты безопасности, касающиеся фильтров электромагнитной совместимости (ЭМС), эффективности и безопасности.
На рисунке ниже показан обобщенный вид оборудования обслуживания электромобилей (EVSE) для питания бортового зарядного устройства. Оборудование EVSE управляет и контролирует переменный ток, связываясь с автомобилем через шину CAN (COMMS). Бортовое зарядное устройство выполняет коррекцию коэффициента мощности (PFC) на переменном токе, чтобы поддерживать входной ток в фазе с напряжением переменного тока для соответствия требованиям нормативов по коэффициенту мощности. Затем DC-DC преобразователь формирует выходное напряжение для зарядки батареи.
На рисунке ниже показано зарядное устройство уровня 3. Трехфазный ввод переменного тока подвергается корректировке коэффициента мощности, чтоб не выйти за установленные нормативными актами пределы. Затем переменный ток поступает в выпрямитель (преобразователь переменного тока в постоянный) для генерации высокого напряжения, которое напрямую заряжает аккумуляторную батарею. Выходное напряжение находится в диапазоне от 300 до 800 В. Отдельное низковольтное питание питает оставшуюся схему, включая микроконтроллер и COMMS.
Все эти зарядные устройства управляются микроконтроллером, а схемы преобразования мощности имеют различные режимы работы, чтобы обеспечить максимальную эффективность заряда аккумуляторных батарей.
Оставьте комментарий