حل تحديات كهربة السيارات باستخدام هندسة الطاقة الموزعة 48 فولت

“يقوم مصنعو السيارات والشاحنات والحافلات والدراجات النارية بتزويد سياراتهم بالكهرباء بسرعة لتحسين كفاءة الوقود لمحركات الاحتراق الداخلي وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. خيارات الكهربة وفيرة ، لكن معظم الشركات المصنعة تختار نظام هجين خفيف بجهد 48 فولت بدلاً من مجموعة نقل الحركة الهجينة الكاملة. بالإضافة إلى بطارية 12 فولت التقليدية ، يضيف النظام الهجين المعتدل بطارية 48 فولت.

“

يقوم مصنعو السيارات والشاحنات والحافلات والدراجات النارية بتزويد سياراتهم بالكهرباء بسرعة لتحسين كفاءة الوقود لمحركات الاحتراق الداخلي وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. خيارات الكهربة وفيرة ، لكن معظم الشركات المصنعة تختار نظام هجين خفيف بجهد 48 فولت بدلاً من مجموعة نقل الحركة الهجينة الكاملة. بالإضافة إلى بطارية 12 فولت التقليدية ، يضيف النظام الهجين المعتدل بطارية 48 فولت.

يؤدي هذا إلى زيادة الطاقة بمعامل 4 (P = V • I) للأحمال الثقيلة مثل المحولات الحفازة. يعمل نظام 48 فولت على تشغيل المحرك الهجين لتسريع أسرع وأكثر سلاسة مع توفير الوقود لتحسين أداء السيارة. لا تدعم القوة الإضافية أنظمة التوجيه والفرملة والتعليق فحسب ، بل تضيف أيضًا ميزات أمان وترفيه وراحة جديدة.

إن تقديم نظام هجين خفيف بجهد 48 فولت ، بمجرد اكتمال التصميم ، له ميزة كبيرة. قد يكون التغلب على التردد في تعديل شبكة إمداد الطاقة طويلة الأمد (PDN) بجهد 12 فولت هو التحدي الأكبر. غالبًا ما يتطلب تغيير مصادر الطاقة تقنيات جديدة يجب أن تخضع لاختبارات مكثفة ، وقد تتطلب أيضًا موردين جددًا تمامًا قادرين على توفير الطاقة لمعايير السلامة والجودة العالية في صناعة السيارات.

لكن صناعة مراكز البيانات وجدت في الانتقال إلى 48 فولت PDN أن فوائد القيام بذلك حتى الآن تفوق تكلفة التحويل. بالنسبة لصناعة السيارات ، توفر الأنظمة الهجينة الخفيفة بجهد 48 فولت مسارًا سريعًا لمركبات جديدة ذات انبعاثات أقل ومدى أطول واستهلاك أقل للوقود. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يوفر خيارات تصميم جديدة ومثيرة لتحسين خصائص الأداء وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

كيفية تعظيم شبكة الإمداد بالطاقة 48 فولت

إن إضافة بطارية 48 فولت لتشغيل أحمال نقل الحركة الثقيلة ونظام الشاسيه يمنح المهندسين مجموعة متنوعة من الخيارات. يوجد الآن خيار لإضافة نظام يمكنه التعامل مع مدخلات 48 فولت مباشرة أو الاحتفاظ بالأحمال الكهروميكانيكية الأصلية بجهد 12 فولت مثل المضخات والمراوح والمحركات دون الحاجة إلى محول DC-DC منظم لتحويل 48 فولت إلى 12 فولت. لإدارة التغيير والمخاطر ، تضيف أنظمة الطاقة الهجينة المعتدلة الحالية أحمال 48 فولت تدريجياً بينما لا تزال تستخدم محولات مركزية كبيرة متعددة كيلووات 48 فولت إلى 12 فولت لتزويد طاقة السيارة بأكملها بقدرة 12 فولت إلى أحمال 12 فولت. ومع ذلك ، فإن هذه البنية المركزية لا تفشل فقط في الاستفادة الكاملة من مزايا 48V PDNs ، ولكنها تفشل أيضًا في الاستفادة من طبولوجيا المحولات المتقدمة وأنظمة التحكم والتعبئة المتاحة اليوم.

الشكل 1 العمارة المركزية التقليدية 12 فولت الشكل 2 العمارة الموزعة 48 فولت

الغالبية العظمى من محولات DC-DC المركزية هذه (الشكل 1) ضخمة لأنها تستخدم طبولوجيا PWM ذات التردد المنخفض. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنهم إنشاء نقاط فشل فردية لعدد من أنظمة توليد القوة المهمة.

هناك بنية أخرى يجب مراعاتها وهي الطاقة الموزعة باستخدام مكونات القدرة المعيارية (الشكل 2). تستخدم بنية توصيل الطاقة هذه محول طاقة أصغر وأقل من 48 إلى 12 فولت لتوزيع الطاقة في جميع أنحاء السيارة بالقرب من حمولة 12 فولت. توضح معادلات القدرة البسيطة P = V • I و PLOSS = I2R سبب كون التوزيع 48 فولت أكثر كفاءة من 12 فولت.

بالنسبة لمستوى طاقة معين ، يستهلك نظام 48 فولت تيارًا أقل بأربع مرات ويستهلك طاقة أقل بمقدار 16 مرة من نظام 12 فولت. عند 1/4 التيار ، قد تكون الكابلات والموصلات أصغر وأخف وزناً وأقل تكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع معماريات الطاقة الموزعة بفوائد كبيرة في الإدارة الحرارية وتكرار نظام الطاقة (الشكل 4).

الشكل 3 محول DC-DC القياسي فعال بنسبة 94٪ الشكل 4 محول Vicor DC-DC فعال بنسبة 98٪

ميزة المكون المعياري للهندسة المعمارية الموزعة

النهج المعياري لإمدادات الطاقة الموزعة (الشكل 5) قابل للتطوير بدرجة كبيرة.

الشكل 5 الشكل المعياري للمركبات الكهربائية الهجينة

يتم توزيع خرج البطارية 48 فولت على أحمال طاقة عالية مختلفة في السيارة ، مما يزيد من فوائد التيار المنخفض (4x) وانخفاض استهلاك الطاقة (16x) ، مما ينتج عنه PDN أصغر وأخف وزنًا. وفقًا لتحليل قدرة الحمل للأحمال الموزعة المختلفة ، يمكن تصميم وحدة ما واعتمادها من أجل دقة الطاقة المناسبة وقابلية التوسع للمصفوفات المتوازية.

في هذا المثال هي وحدة 2kW. كما ذكرنا سابقًا ، فإن التفصيل وقابلية التوسع هما أساسًا خاصان بالنظام. يمكن أيضًا تحقيق التكرار N + 1 بتكلفة منخفضة بشكل كبير باستخدام الوحدات الموزعة بدلاً من محولات DC-DC المركزية الكبيرة. لا تزال هذه الطريقة تتمتع بمزايا إذا تغير استهلاك طاقة الحمل أثناء مرحلة تطوير السيارة. يمكن للمهندسين إضافة أو إزالة الوحدات النمطية دون تعديل مصدر الطاقة المخصص النهائي بالكامل. هناك ميزة تصميم أخرى تتمثل في تقليل وقت التطوير لأن الوحدات النمطية معتمدة ومعتمدة بالفعل.

تنفيذ معمارية 48 فولت موزعة في أنظمة بطاريات الجهد العالي

الشكل 6 نهج معياري للسيارات الكهربائية النقية

يمكن للسيارات الكهربائية النقية أو السيارات الهجينة عالية الأداء استخدام بطاريات الجهد العالي بسبب متطلبات الطاقة العالية لأنظمة توليد القوة والهيكل. لا تزال 48V SELV PDNs تتمتع بمزايا كبيرة لمصنعي المعدات الأصلية ، ولكن الآن ، يواجه مصممو أنظمة الطاقة تحديًا إضافيًا يتمثل في تحويل 800 فولت أو 400 فولت إلى 48 فولت.

بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب محول DC-DC عالي الطاقة هذا العزل ، ولكن لا يوجد تنظيم للجهد. من المزايا الكبيرة لتشتيت ترتيب المحول من 48 فولت إلى 12 فولت تنظيم أفضل. يمكن لمحولات الطاقة العالية المنبع استخدام طوبولوجيا نسبة ثابتة باستخدام محول PoL منظم. هذه ميزة كبيرة لأن نطاق جهد الإدخال إلى الإخراج الواسع من 16: 1 أو 8: 1 متاح لـ 800/48 و 400/48 ، على التوالي. إن استخدام محول منظم في هذا النطاق ليس فقط غير فعال ، ولكنه يمثل أيضًا مشكلات كبيرة في الإدارة الحرارية.

نظرًا لمتطلبات السلامة عند توزيع 400 فولت أو 800 فولت ، فإن توزيع هذا المحول المعزول عالي الجهد بطريقة لامركزية ليس صعبًا فحسب ، بل إنه مكلف أيضًا. ومع ذلك ، يمكن تصميم محولات النسبة الثابتة المركزية عالية الطاقة باستخدام وحدات الطاقة بدلاً من محولات DC-DC الكبيرة “الصندوق الفضي”.

يمكن تطوير وحدات الطاقة ذات التفصيل المناسب وقابلية التوسع ومن ثم موازنتها بسهولة لمجموعة واسعة من المركبات ذات متطلبات كهربة مختلفة لمجموعة نقل الحركة والشاسيه. بالإضافة إلى ذلك ، محول ناقل النسبة الثابتة Vicor (BCM^®) ثنائي الاتجاه أيضًا ، مما يدعم مختلف مخططات تجديد الطاقة. يستخدم BCM محول السعة الجيبية (SAC^TM) طوبولوجيا التبديل الناعم عالية التردد ، والتي يمكن أن تحقق كفاءة تزيد عن 98٪. كما أنها تتميز أيضًا بـ 2.6 كيلو واط / بوصة³ كثافة طاقة عالية ، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من حجم المحولات المركزية ذات الجهد العالي.

Vicor هو مورد لسوق السيارات ، ويقدم أحدث الحلول المبتكرة 48 فولت. يعمل النهج المعياري الموزع على بنية إمداد الطاقة بالسيارات على تبسيط تحديات إمداد الطاقة المعقدة ، مما يؤدي إلى تحسين الأداء والإنتاجية وتقليل الوقت المستغرق في السوق. Vicor هي شركة رائدة في تحويل الطاقة 48 فولت وتواصل الابتكار في هياكل توصيل الطاقة وطبولوجيا تحويل الطاقة وأنظمة التحكم والتغليف.