Rețelele de alimentare de 48V permit fabricarea de vehicule Mild Hybrid cu costuri reduse, ceea ce oferă producătorilor de echipamente originale posibilitatea de a respecta limitele actuale de CO2. Cu toate acestea, se conturează o tendință către vehicule hibride plug-in și vehicule pur electrice. Mai are rost să continuăm să investim în tehnologia de 48V?
Lansarea vehiculelor Mild Hybrid a fost cel mai rapid, cel mai ieftin și, prin urmare, cel mai logic pas pentru mulți producători de automobile în vederea asigurării că vehiculele lor respectă limitele de CO2 impuse de Comisia Europeană. Sistemele de alimentare de 48V de la bordul autovehiculelor sunt, de obicei, realizabile cu investiții rezonabile. Acestea permit caracteristici precum recupararea energiei la frânare, stocarea temporară a energiei în baterii și condensatoare și susținerea electrică ulterioară a unui motor cu combustie convențional. Acest lucru reduce consumul și emisiile cu procente de două cifre mici.
Figura 1: Până în 2023, majoritatea vehiculelor hibride și electrice din întreaga lume vor fi probabil hibride plug-in, dacă se vor respecta limitele obligatorii. (Infineon Technologies) ▶
Figura 1 arată cum ar trebui să evolueze cota de piață a vehiculelor electrice pentru a respecta viitoarele limite. Este imediat evident de ce sistemul de alimentare de 48V este considerat doar o tehnologie de tranziție, până când se va crea o flotă suficient de mare de vehicule electrice alimentate de la baterii de înaltă tensiune (HV).
Cel mai bun mod de a reduce emisiile de CO2
O mașină cu propulsie pur electrică și fără emisii locale pare a fi soluția ideală pentru a îndeplini cerințele privind emisiile de CO2 care, vor deveni din ce în ce mai stricte pe măsură ce trece timpul, motiv pentru care trebuie să se asigure dezvoltarea și finanțarea în acest domeniu. Cu toate acestea, să ne bazăm în întregime pe electromobilitatea de înaltă tensiune nu este soluția corectă. Avantajele și dezavantajele reprezintă deja o temă unde au loc de discuții aprinse.
Există îngrijorări legate de faptul că focalizarea asupra electromobilității de înaltă tensiune ar putea afecta dezvoltarea unor concepte alternative promițătoare, cum ar fi pilele de combustie sau combustibilii sintetici cu emisii neutre de dioxid de carbon, ceea ce ar duce la neglijarea unor tehnologii potențial esențiale. De asemenea, atunci când se ia în considerare întregul lanț valoric în ansamblul său, devine evident că va fi imposibil să se realizeze o trecere globală la vehicule pur electrice într-un mod neutru din punct de vedere al emisiilor de dioxid de carbon, iar acest lucru va rămâne valabil și în anii următori. În special, mixul energetic actual de energie nucleară, combustibili fosili și surse regenerabile, precum și producția și reciclarea bateriilor au un impact negativ asupra bilanțului nostru de carbon.
Una dintre provocările legate de utilizarea bateriilor constă în faptul că cerințele impuse sistemului general al vehiculului electric pot varia foarte mult în funcție de condițiile în care urmează să fie utilizat. În cazul temperaturilor de mediu extreme și/sau foarte variabile, sunt necesare soluții eficiente de încălzire/răcire adaptate la astfel de condiții pentru a garanta siguranța și fiabilitatea bateriei și a sistemului în ansamblu. Și acesta reprezintă un nou domeniu de dezvoltare.
Timpul necesar pentru a crea un concept de electromobilitate neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon și modul în care sistemele de alimentare de 48V de la bord pot contribui la realizarea acestui obiectiv vor fi esențiale. Acest lucru va dezvălui dacă sistemele de alimentare de 48V de la bordul autovehiculului reprezintă doar o tehnologie auto de tranziție sau dacă există un potențial mai mare.
Abordări de viitor privind sistemul de alimentare de 48V
Figura 2: Pentru a garanta siguranța bateriei și a sistemului în ansamblul său, sunt necesare soluții de încălzire și răcire adaptate cerințelor. (Infineon Technologies)
Indiferent dacă un vehicul este alimentat în întregime electric cu ajutorul unei baterii sau dacă utilizează o celulă de combustibil sau combustibili sintetici, sistemele de alimentare de 48V dispuse în unități de alimentare auxiliare pot contribui la realizarea de economii de energie în comparație cu sursele de alimentare de 12V și, de asemenea, în comparație cu HV, simplificarea instalării și funcționării unităților de alimentare auxiliare în vehicule, oferind astfel un potențial de optimizare. Aplicațiile tipice de 48V includ e-turbo, sisteme electrice de aer condiționat cu 4 până la 5 kW, încălzitoare electrice, cum ar fi eCAT (convertizoare catalitice încălzite electric), încălzitoare de blocuri PTC sau dispozitive de dezghețare a parbrizului cu 1 până la 5 kW, ERC (control electric al rulajului) cu 1 până la 5 kW, pompe și ventilatoare de până la 1 kW și alte aplicații care implică densități mari de putere și/sau utilizare continuă. Vehiculele Mild Hybrid din a doua generație realizează aceste obiective din ce în ce mai mult, folosind sisteme de alimentare de 48V; sistemele de 48V sunt, de asemenea, întâlnite în HV-BEV-uri (BEV – Battery Electric Vehicles) ca un al treilea sistem de alimentare.
Mobilitatea urbană este ideală pentru tehnologia de 48V
Mobilitatea urbană este un domeniu de activitate promițător pentru tehnologia de 48V. Spre deosebire de obiectivele actuale de dezvoltare a HV-BEV, care includ distanțe lungi de peste 400km și timpi de încărcare scurți, în cazul mobilității urbane se pune accentul pe deplasările scurte, între 2 și 50 km, pe costuri, pe greutatea bateriei și pe protecția izolației. Timpii de încărcare sunt irelevanți în mediul urban, deoarece vehiculul poate fi încărcat în timpul orelor de lucru sau peste noapte.
Calculele arată că un motor de 30kW este adecvat pentru a parcurge cicluri de conducere urbane și extraurbane cu autoturisme compacte, de mici dimensiuni. În acest ciclu de rulare, un sistem de propulsie BEV de 48V este cu aproximativ 25% mai ieftin decât un sistem de propulsie BEV de 400V HV.
Vehiculele comerciale cu propulsie electrică cu sisteme de 48V, care suportă sarcini de până la 1000 kg sunt deja disponibile pe piață, printre care și vehiculul poștal “Streetscooter”. Motocicletele, scuterele și mopedele electrice, care utilizează sisteme de alimentare de 48V sunt, de asemenea, din ce în ce mai răspândite. Unele dintre ele dispun chiar de un sistem de baterii care poate fi înlocuit.
Toate aceste vehicule pot fi create cu ajutorul aplicațiilor aflate acum în curs de dezvoltare sau au fost deja dezvoltate pentru automobilele Mild Hybrid, inclusiv baterii cu sisteme de management al bateriilor (BMS), invertoare, convertoare DC/DC și unități auxiliare de putere.
Noi cerințe impuse semiconductoarelor
După cum s-a menționat deja, sistemele de alimentare de 48V, cu orice topologie de circuit, permit deja funcțiile de bază de stimulare și recuperare cu motorul cu combustie pornit și de rulare în timp ce motorul cu combustie este deconectat. Cu toate acestea, atunci când motorul este dezactivat, este esențial un ambreiaj complet automatizat. Pe de altă parte, recuperarea energiei la frânare în timp ce motorul este dezactivat și conducerea numai cu energie electrică, utilizând capacitatea unui sistem de 48V, impun noi cerințe privind performanța și robustețea semiconductoarelor.
Figura 3: Înapoi în viitor – autovehicul bazat în întregime pe alimentarea cu energie electrică. (Infineon Technologies)
Sistemele de alimentare cu 48V de la bordul autovehiculului utilizează, de asemenea, senzori, microcontrolere, precum și semiconductoare de putere, comunicație sau pentru comanda altor dispozitive. Acestea controlează motoarele electrice, se ocupă de distribuția puterii în invertor și de alimentarea unităților de putere auxiliare.
MOSFET-urile cu pierderi reduse sunt adesea utilizate ca circuite integrate de amplificare a puterii și sunt de obicei controlate, monitorizate și, dacă este necesar, utilizate pentru a recupera o stare de funcționare sigură prin intermediul unor drivere trifazate. Componentele cheie, altele decât circuitele integrate de comandă a motoarelor, includ circuitele integrate de înaltă performanță de comandă a porții care, în combinație cu MOSFET-urile, permit crearea unor întrerupătoare de baterie de înaltă fiabilitate sau a unor întrerupătoare de siguranță pentru mecanisme de deconectare de 48V/12V. Din punct de vedere electric, sistemul de 48V este cuplat cu sistemul de 12V prin intermediul unui convertor DC/DC.
Circuitele integrate de comandă a punții, cum ar fi TLE9180 de la Infineon, sunt utilizate drept componente de comunicație și de putere.
Pentru aplicațiile de 48V, cum ar fi generatoarele de pornire (acționate prin curea sau integrate), convertoarele DC/DC sau întrerupătoarele pornit/oprit ale bateriei principale, există o cerere mare de MOSFET-uri de 80V și 100V.
Portofoliu larg pentru 48V
Numeroși furnizori de semiconductoare investesc nu numai în tehnologii de înaltă tensiune pentru vehiculele electrice, ci și în tehnologii și produse de 48V. Aceștia oferă deja un portofoliu larg și scalabil de semiconductoare puternice, inclusiv kituri de evaluare care permit crearea tuturor tipurilor de aplicații – inclusiv a celor cu specificații ridicate, precum ar fi sisteme complete și soluții chipset pentru controlere de tensiune, drivere de putere inteligente și MOSFET-uri cu rezistență foarte scăzută, ideale pentru utilizarea în sistemele de 48V.
Investiția în tehnologia de 48V încă merită
Acest lucru arată că 48V nu este doar o soluție de tranziție – va continua să ofere în viitor o cale către o mobilitate cu emisii reduse de carbon și, prin urmare, va continua să ofere beneficii în numeroase scenarii de aplicații. Acest lucru înseamnă că investițiile și optimizările de sistem pentru utilizarea unei surse de alimentare de 48V la bordul autovehiculului vor merita în continuare. Componentele adecvate sunt deja disponibile.
Autori: Mirko Vogelmann, Product Sales Manager Power la Rutronik
Dr. Johannes Breitschopf, Technical Marketing ATV DDM RDME la Infineon
Rutronik | https://www.rutronik.com
