Akumulatorowe zasilanie urządzeń samochodowych

Czy napięcie zasilania w samochodach wzrośnie do 48 V?

Samochodowe urządzenia elektroniczne konsumują sporo energii. Dla lepszego zaspokajania ich potrzeb w licznych nowych samochodach pojawiają się podwójne systemy zasilania, z ołowiowymi akumulatorami 12 V i litowo-jonowymi 48 V. Rozpowszechnione już w Europie pojazdy hybrydowe w skali mikro i umiarkowanej rozpowszechniają się także na świecie. W wielu samochodach silnik automatycznie wyłącza się po zatrzymaniu, a jest włączany naciśnięciem pedału sprzęgła lub gazu, co oszczędza paliwo, ale zwiększa popyt na prąd.

W samochodach hybrydowych kwasowy akumulator 12 lub 24 V służy do rozruchu i zasilania typowego wyposażenia pojazdu, jak deska rozdzielcza, światła, systemy rozrywkowe itp. Akumulator litowo-jonowy natomiast zasila systemy dużej mocy, jak klimatyzacja i aktywne systemy pokładowe, obejmujące wspomaganie kierownicy, hamowanie regeneracyjne czy układ stabilizacji jazdy.

Rys. 1. Schemat blokowy samochodu: a) hybrydowego, b) elektrycznego, c) hybrydowego z możliwością ładowania z sieci

Rysunek 1 ilustruje system współdziałania dwóch różnych akumulatorów samochodowych, o różnych napięciach. Wymaga on stabilizowanych przetwornic, działających w szerokim zakresie napięcia buck and boost (w trybie podwyższającym i obniżającym).

Można sądzić, że system dwuakumulatorowy i dwunapięciowy jest wstępem do systemu w pełni 48-woltowego. Napięcie to zacznie prawdopodobnie w ciągu następnych 5-10 lat zastępować standardowe dotychczas napięcie samochodowe 12 V. W tym czasie pojawi się zapotrzebowanie na podzespoły przystosowane do obu napięć.

Aplikacje i akcesoria samochodowe są zasilane z akumulatora za pośrednictwem przetwornicy DC/DC, zdolnej do automatycznego i gładkiego balansowania pomiędzy trybami obniżania i podwyższania napięcia wyjściowego, które musi być stabilizowane. Bowiem napięcie samego akumulatora w znacznym stopniu zależy od temperatury, natężenia prądu obciążającego i od stopnia jego naładowania.

Rys. 2. Przebieg napięcia w funkcji stanu naładowania rozładowywanego akumulatora ołowiowego

Zakres zmian napięcia jest większy w niskich temperaturach i w starych akumulatorach. Zakres ten w akumulatorze 12 V rozciąga się od 8 do 16,5 V. Ilustrują to krzywe napięcia w funkcji stopnia naładowania na rysunku 2 i 3.

Akumulator jest ładowany przez alternator w sposób stabilizowany, zabezpieczający przed gwałtownymi zmianami obciążenia i dużymi, powstającymi na indukcyjnościach, skokami napięcia. Mogą one osiągać 120 V, wymaga to obwodów ograniczających je do 40 V na akumulatorach 12 V, a do 60 V na 24 V, co stwarza ostre wymagania dla stabilizatora, który powinien utrzymywać stabilne napięcie wyjściowe w zakresie napięć wejściowych 8-60 V.

Regulatory ładowania akumulatorów powinny działać zarówno w trybie stałonapięciowym, jak i stałoprądowym.

Oczekuje się od nich zdolności do utrzymywaniu na obciążeniu stabilnego napięcia z dostatecznie szybką reakcją na gwałtowne skoki natężenia prądu. Pomocny może być w tym celu podtrzymujący superkondensator o dużej pojemności. Dla sprawnego ładowania akumulatora regulator powinien być przystosowany do swobodnego zmieniania trybu stałonapięciowego na stałoprądowy i odwrotnie. Wraz ze wzrostem liczby urządzeń elektronicznych w samochodzie rośnie zapotrzebowanie na uniwersalne regulatory, przystosowane do różnych sposobów ładowania akumulatorów.

Stabilizatory podwyższające i obniżające nowej generacji mogą przewyższać stabilizatory tradycyjne zwiększoną sprawnością energetyczną w szerokim zakresie napięcia wejściowego. Ważność zyskania zaledwie kilkuprocentowej poprawy sprawności stabilizatora początkowo nie wydaje się wielka, ale w kontekście aplikacji znaczy wiele. Sprawność zawsze ma znaczenie, nawet w aplikacjach o stosunkowo małej mocy, jak bateryjne urządzenia przenośne, sprawność decyduje bowiem o czasie działania baterii. Jest to równie ważne w aplikacjach większej mocy (ponad 50 W).

Rys. 3. Przebieg napięcia w funkcji stanu naładowania ładowanego akumulatora ołowiowego

Istotną charakterystyką oceny parametrów stabilizatora podwyższającego i obniżającego jest płaskość krzywej sprawności konwersji w funkcji napięcia wejściowego w całym zakresie. Wiele stabilizatorów o dużej sprawności w wąskim zakresie nadaje się do aplikacji o raczej stabilnym napięciu wejściowym.

Ale do ładowania akumulatorów w dużym zakresie napięcia ich krzywa sprawności musi być przy projektowaniu przewidywana bardziej szczegółowo. Zaletą jednolitości tej krzywej jest uproszczenie projektowania termicznego, pozwalające projektantowi zaplanować jednolite termiczne obciążenie układu w całym zakresie działania.

Sprawność konwersji napięcia ma bezpośredni wpływ na termiczną stabilność i niezawodność systemu, które z kolei wpływają na jego koszt. Nowa generacja przetwornic DC/DC zwiększa sprawność systemu o 2-3 punkty procentowe w porównaniu z konwencjonalnymi. Przy pełnym obciążeniu skutkuje to zmniejszeniem strat o 2-3 W w aplikacji samochodowej 100-200 W.

Czyli o 2-3 W mniej ciepła musi być odprowadzane z systemu. Taka stopniowa poprawa sprawności poszerza równocześnie margines termiczny systemu. Umożliwia to dostarczanie pełnej mocy w szerszym zakresie temperatury, równocześnie obniżając koszty chłodzenia i upraszczając projekt. Oprócz tego lepsza sprawność przetwarzania zasilania obniża zapotrzebowanie generatora źródłowego na energię, której dostarcza do obciążenia lub ładowania akumulatora.

Zmniejszenie rozmiarów i ciężaru

Głównymi priorytetami nadal są rozmiary, gęstość mocy i potrzeba podwyższenia sprawności, Od producentów aplikacji zasilanych z samochodowego akumulatora wymaga się oszczędności paliwa, a konsumenci oczekują coraz więcej elektroniki w kabinie. Ale chociaż ilość elektroniki kabinowej stale wzrasta, to nie zajmuje więcej miejsca. Znalezienie miejsca dla stabilizatorów dla dodatkowej elektroniki jest trudne. Ponadto zapotrzebowanie na lżejsze rozwiązania prowadzi do ograniczenia ciężaru pojazdu i zwiększenia oszczędności paliwa.

W miarę unowocześniania urządzeń samochodowych rośnie potrzeba zwiększania mocy urządzeń bez zwiększania przestrzeni i wagi ich infrastruktury oraz poprawy gęstości mocy. Nowa generacja przetwornic podwyższających i obniżających działa z większą częstotliwością przełączania. Skutkuje to zmniejszeniem biernych komponentów magazynujących energię, jak cewki mocy i kondensatory filtrujące. Dzięki temu maleje objętość i rośnie gęstość mocy.

Stabilizatory podwyższające i obniżające nowej generacji

Nowe urządzenia elektroniczne dla rozpowszechniających się dwuakumulatorowych systemów samochodowych rodzą zapotrzebowanie na nowy rodzaj przetwornic DC/DC. Okazują się one potrzebne również dla urządzeń rozrywkowych audio/wideo, systemów nawigacyjnych i wideonadzoru, w które coraz częściej zaopatrywane są publiczne autobusy, pojazdy dostawcze i taksówki, a także dla urządzeń rynku wtórnego.

Muszą to być przetwornice podwyższające i obniżające, zdolne do stabilizacji w szerokim zakresie napięć wejściowych i do stabilizacji zarówno w trybie stałonapięciowym, jak i stałoprądowym. Takie przetwornice DC/DC mogą służyć do równoczesnego zasilania bardziej zróżnicowanych urządzeń.

Zróżnicowanie rynku urządzeń samochodowych

Liczba i różnorodność urządzeń i akcesoriów elektroniki samochodowej zwiększają się, pociągając za sobą zapotrzebowanie na bardziej zaawansowane systemy zasilające. Systemy te muszą być zgodne z różnymi rodzajami akumulatorów i działać pod różnymi napięciami, 12 V, jak i 48 V czy wyższymi, co rodzi potrzebę nowej generacji przetwornic DC/DC. Elastyczność, rozmiary, gęstość mocy i sprawność przetwarzania to najistotniejsze parametry, wymagające starannego rozważenia przy wyborze rozwiązań zasilania współczesnych i ewolucyjnie nowszych samochodów. (KKP)