Elektroniczne zabezpieczenie sieci pokładowych pojazdów do 48 V

Przejście na wyższe napięcie w instalacji pojazdu, nawet jeśli jest tylko częściowe i dotyczy wybranych zespołów, wymaga również wypracowania nowych koncepcji zabezpieczeń instalacji elektrycznej. Do takich zastosowań firma Bosch Semiconductors przygotowała specjalizowane rozwiązania układów scalonych realizujących aktywną ochronę elektrycznych sieci pokładowych w motoryzacji.

Zasilanie napięciem 48 V oznacza nie tylko czterokrotność dotychczasowej wartości 12 V przy niezmienionej koncepcji i dystrybucji zasilania, ale raczej wejście do świata samochodów hybrydowych i milowy krok w kierunku pojazdów elektrycznych i autonomicznych. Większe napięcie zasilania zwiększa istotne odległości izolacyjne i tym samym wymaganą grubość izolacji po to, aby ograniczyć wartość prądów upływów i możliwość zwarcia.

Warto zauważyć, że powyżej 20 V napięcia zasilania zwarcie może być początkiem powstania niebezpiecznego łuku elektrycznego. Zapaleniu się łuku towarzyszy wysoka temperatura i duża ilość ciepła, co powoduje ogromne zagrożenie pożarowe. Z uwagi na to tradycyjne przekaźniki elektromagnetyczne muszą być wykonane w specjalny sposób, tak aby materiał styków i konstrukcja zapewniały wysoką odporność na wypalanie i były w stanie szybko gasić wyładowania.

Poza ochroną pasywną realizowaną za pomocą odpowiedniej konstrukcji kontaktów elektrycznych, bardziej skomplikowanym technicznie, ale przydatnym rozwiązaniem do zapobiegania powstawania łuku, jest wczesne wykrywanie zagrożeń poprzez pomiar i ocenę prądów i napięć, płynących w instalacji, za pomocą inteligentnych czujników.

Zagrożenia związane z łukiem elektrycznym

Rys. 1. Miejsca w instalacji, gdzie możliwe jest powstanie łuku elektrycznego

Poza napięciem powyżej 20 V istnieje jeszcze jeden warunek powstania stałego i stabilnego łuku elektrycznego. Ocenia się, że jest nim moc źródła przekraczająca 100 W, przez co instalacja w pojeździe z 48-woltową instalacją można uznać za bardzo zagrożoną powstaniem takich wyładowań.

Wyróżniamy dwa typy łuków: najprostszy jest łuk równoległy do obciążenia powstały ze zwarcia przewodu zasilającego z masą w bezpośrednim sąsiedztwie odbiornika. Prąd zwarcia lub łuku jest, jeżeli ścieżka prądu zwarciowego jest wystarczająco niskoimpedancyjna, bardzo wysoki i dodaje się do prądu obciążenia. Wyzwala on bezpiecznik topikowy, który odłącza obwód i gasi wyładowanie.

Drugi typ łuku ma charakter szeregowy i powstaje, gdy obwód zasilający zostanie przerwany pod obciążeniem. Przykładem tutaj jest rozłączanie styków przekaźnika lub rozłączanie złączy podczas pracy. Zerwany przewód, luźny styk mogą również powodować powstanie łuku szeregowego. Takie wyładowanie powoduje dodatkowy spadek napięcia i zmniejsza prąd obciążenia.

W rezultacie może on zostać niewykryty przez klasyczny bezpiecznik topikowy, bo próg wyłączania nie jest przekraczany. Ponieważ przy wyższym napięciu w instalacji zagrożenie to staje się coraz bardziej istotne, w miejsce bezpieczników topikowych chroniących instalację przed spaleniem w wyniku przegrzania, przeciążeń i zwarć, będą pojawiać się rozwiązania elektroniczne.

Bezpieczniki elektroniczne

W przeciwieństwie do bezpieczników topikowych, wersje elektroniczne można resetować i diagnozować za pośrednictwem magistrali pojazdu. Wersja elektroniczna może mieć programowaną charakterystykę. Dla bardzo wysokich prądów można zdefiniować progi wyłączania nadprądowego, czasy opóźnień i wartości całki Joule’a. Dzięki temu charakterystyka bezpiecznika może być elastycznie dostosowana do wydajności źródła zasilania i obciążenia.

Bezpiecznik topikowy może się tylko wyłączyć. Natomiast elektroniczny może się zarówno wyłączać, jak i włączać. Elektroniczny bezpiecznik z przyłączem magistrali może również celowo i w sposób kontrolowany zrzucać obciążenie. W ten sposób zarządzanie siecią pokładową może aktywnie oddziaływać na dystrybucję energii elektrycznej, np. w celu skoncentrowania dostępnej mocy na obwodzie istotnym dla bezpieczeństwa.

iFuse firmy Bosch

Firma Bosch opracowała układ ASIC o nazwie iFuse do zastosowań w instalacjach 12-, 24- i 48-woltowych. W połączeniu z mikrokontrolerem i N-kanałowymi tranzystorami MOSFET można za jego pomocą stworzyć czterokanałowy bezpiecznik półprzewodnikowy. iFuse integruje funkcje pomiaru prądu i monitorowania napięcia zasilania i ma wbudowane sterowniki bramek dla N-kanałowych tranzystorów MOSFET używanych jako przełączniki. Pomiar prądu działa bez czujników zewnętrznych, takich jak rezystory bocznikowe.

Podstawowa funkcja wyłączenia obwodu w przypadku przeciążenia działa tutaj autonomicznie, a praca jest konfigurowana poprzez interfejs SPI. Przez interfejs można też aktywować wyjścia, ustawiać watchdog oraz odczytywać status i stan układu. iFuse zabezpiecza również przed odwrotną polaryzacją.

Stabilne zasilanie

iFuse ma wbudowany konwerter obniżający napięcie i stabilizatory liniowe dostarczające stabilnego zasilania mikrokontrolera oraz konwerter podwyższający do sterowania MOSFETami. Dzięki temu pracuje od 3,5 V, a więc stabilnie nawet przy 12-woltowej sieci w czasie rozruchu silnika.

Układ wykrywa możliwość powstania łuku poprzez pomiar prądu i napięcia. Jeżeli prąd pobierany przez obciążenie jest mniejszy niż zmierzony na iFuse, wskazuje to na łuk równoległy do obciążenia. Jeśli napięcie zasilania na zaciskach obciążenia jest mniejszy niż napięcie zasilania ustalone przez iFuse, przyczyną może być łuk szeregowy.

Inna metoda wykrywania łuku może opierać się na analizie widma napięcia zasilania lub prądu obciążenia przez wydajny mikrokontroler nadzorujący działanie iFuse. Układ zapewnia do tego niezbędne sygnały pomiarowe w szerokim paśmie.

Ralf Hickl, Uwe Rahn
Rutronik Elektronische Bauelemente
www.rutronik.com