Такие функции, как подогрев сидений и рулевого колеса, высококачественные информационно-развлекательные системы и активная подвеска, увеличивают электрические нагрузки, которым должна соответствовать силовая установка автомобиля. Это касается не только автомобилей класса люкс, но и всех моделей.

На протяжении десятилетий 12-вольтового генератора было достаточно для удовлетворения электрических потребностей автомобилей. Однако традиционная 12-вольтовая автомобильная электрическая архитектура, первоначально разработанная для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, теперь оказывается неадекватной для удовлетворения растущих потребностей современных электромобилей и гибридных автомобилей. Необходимость повышения топливной эффективности, улучшения рекуперации энергии и интеграции передовых систем помощи водителю (ADAS) и электрифицированных компонентов являются основными движущими силами разработки силовых систем, способных эффективно передавать большие объемы энергии для поддержки сдвига парадигмы в сторону электрических и гибридных платформ.

Переход на систему электропитания 48 В

Автопроизводители неуклонно продвигаются к переходу на 48-вольтовую электросеть. Использование 48-вольтовой сети эффективно минимизирует рассеивание мощности из-за сопротивления, что позволяет передавать более высокие токи и улучшает общую мощность. 48-вольтовая архитектура, использующая более тонкую проводку, приводит к созданию более легкой, экономичной и простой в установке распределенной системы электропитания в автомобиле.

Использование напряжения 48 В обеспечивает следующие преимущества:

• Это связано с возросшей потребностью автомобиля в электроэнергии — электромобилям (EV) и гибридным автомобилям (HV) требуется больше энергии для привода и вспомогательных систем, что превышает возможности обычных 12-вольтовых систем.
• Рекуперация энергии — Рекуперативное торможение и другие технологии рекуперации энергии более эффективны в 48-вольтовой системе, поскольку они повышают энергоэффективность и увеличивают запас хода электромобилей и гибридных автомобилей.
• выбросов_CO2 — Переход на 48-вольтовые системы способствует повышению топливной эффективности и сокращению выбросов углекислого газа в соответствии с глобальными экологическими целями.
• Повышенная эффективность — система с более высоким напряжением снижает уровни тока, минимизирует резистивные потери и повышает эффективность распределенной электроэнергии.

Оценка эффективности сети зонального электропитания 48 В

Система зональной архитектуры на 48 В представляет собой кардинальное изменение в отрасли, использующее закон Ома: преобразование постоянного тока происходит ближе к точкам зарядки, а не в централизованном блоке управления. Это позволяет безопасно распределять 48 В по всему автомобилю. Преобразование 48 В в 12 В происходит в точке зарядки. Благодаря передаче тока напряжением 48 В вместо 12 В кабели могут быть тоньше, легче и дешевле (рис. 1). Такой более тонкий и гибкий кабель также проще устанавливать в автомобиле. Этот метод также равномерно распределяет тепловые потери, генерируемые преобразователями постоянного тока, по всему автомобилю, что потенциально позволяет использовать теплопроводность, установленную на шасси, и конвекционное охлаждение.

Рисунок 1. В современных автомобилях используются два типа электрических систем: централизованная 12-вольтовая архитектура (слева) и быстро развивающаяся 48-вольтовая зональная архитектура (справа). В первой используются толстые 12-вольтовые кабели, тогда как во второй можно использовать тонкие 48-вольтовые кабели, которые намного легче, снижают теплопотери и пропускают в четыре раза меньший ток.

Реализация архитектуры зонального электропитания 48 В

Реализация 48-вольтовой зональной архитектуры может осуществляться различными методами. Например, в мягких гибридных системах 48-вольтовая батарея может использоваться совместно с существующей 12-вольтовой батареей. В случае электромобилей, использующих одну или несколько батарей на 800 или 400 В, возможно использование силовых модулей для преобразования этого напряжения в 48 В и создания имитированной или «виртуальной» 48-вольтовой батареи.

Tesla, как и другие крупные компании, внедряет эту технологию и планирует использовать 48-вольтовую систему во всем своем модельном ряду. Первой моделью, которая это сделает, станет Cybertruck. Благодаря зональной 48-вольтовой архитектуре и усовершенствованным преобразователям постоянного тока, повышенная эффективность преобразования Tesla помогает уменьшить объем и вес проводки. Зональная 48-вольтовая архитектура распределяет 48 В по всему автомобилю и преобразует их в 12 В на концах.

Расчет экономии, обеспечиваемой зональной архитектурой 48 В

Зональная архитектура 48 В лучше отвечает возросшим требованиям электромобилей и снижает вес автомобиля тремя основными способами.

1. Снижение веса кабеля на 85%:
   Переход на зональную архитектуру 48 В означает замену традиционных кабелей 12 В (4 калибр, 273 г/м) на кабели 48 В (10 калибр, 27 г/м). Это снижает вес кабеля примерно на 85%.
2. Исключение вспомогательной батареи:
   силовые модули в зональной архитектуре обеспечивают очень быструю реакцию на переходные процессы, позволяя создать виртуальную батарею. Эти силовые модули воспроизводят характеристики низковольтных батарей 12/48 В, добавляя возможность исключения физической батареи 12 В, что позволяет снизить вес на 13 кг и более.

Рисунок 2. Централизованную структуру можно уменьшить за счет силовых модулей и зональной архитектуры, поскольку тепло более эффективно рассеивается на концах при преобразовании нагрузок с 48 В в 12 В.

 3. Экономия 33% за счет уменьшения размеров корпуса.
Замена централизованной системы на зональную переносит преобразование 48 В в 12 В из корпуса в точки зарядки. Новый корпус системы питания для высокоплотных силовых модулей, обеспечивающих 48 В, может быть на 33% меньше. Следовательно, его вес может быть уменьшен до трети (33%).

В традиционной централизованной системе 12 В дискретные компоненты повышают температуру внутри корпуса. Корпус системы питания с высокоплотными силовыми модулями выделяет меньше тепла, а модули в точке зарядки могут эффективно охлаждать шасси воздухом. Эти улучшения позволяют снизить вес системы жидкостного охлаждения примерно на 7%.

Преобразователи постоянного тока 48 В в 12 В необходимы для оптимизации зональной сети электропитания 48 В. Эти высокоплотные силовые модули компактны, легки и высокоэффективны. Высокоплотные силовые модули Vicor помогают автопроизводителям использовать преимущества 48 В, минимизируя при этом занимаемое пространство и вес. Ассортимент продукции Vicor включает в себя преобразователи с фиксированным коэффициентом трансформации и регулируемые преобразователи для нагрузок 48 В и 12 В, работающие в понижающем или повышающем режимах. Эти преобразователи могут быть установлены в одном корпусе или распределены по всему автомобилю для создания более компактной и легкой сети электропитания 48 В.

Эти модули, используемые в сочетании с децентрализованной зональной архитектурой, оптимизируют сеть электропитания транспортного средства.

Модули питания могут снизить вес автомобиля до 18 кг (таблица 3). Если этот вес заменить 18 кг аккумуляторных элементов, запас хода электромобиля можно увеличить примерно на 6400 км в год без существенного увеличения веса.

Это важно, потому что, например, по данным Федерального управления автомобильных дорог, средний американский водитель проехал 23 000 км в 2023 году. Следовательно, зональная архитектура 48 В могла бы увеличить годовой пробег на 28% и сократить годовое время зарядки до 30% (Рисунок 4).

Снижение веса достигается за счет зонирования архитектуры

Рисунок 3. Использование 48-вольтовой зональной архитектуры в сочетании с высокоплотными силовыми модулями позволяет снизить вес компактного электрического внедорожника до 18 кг.

Стремление потребителей к комфорту и стилю стимулирует растущий спрос на электромобили. Электромобилям требуется более эффективное энергопотребление для удовлетворения всех электрических потребностей автомобиля. 48 В — это практически единственный доступный на данный момент вариант, способный удовлетворить этот растущий спрос. Хотя переоборудование сопряжено с затратами, зонированная архитектура 48 В с силовыми модулями предлагает значительно больше в долгосрочной перспективе и обеспечивает более высокую окупаемость инвестиций.

На 30% меньше времени зарядки в год

Рисунок 4. Большая автономность обеспечивает большее расстояние на одной зарядке и сокращает количество зарядок в год.

Наиболее эффективные зональные архитектуры используют небольшие, легкие преобразователи в точке зарядки. Модули высокой плотности и высокой эффективности — лучший выбор для преобразования 48 В в 12 В. Компания Vicor, лидер в области высокопроизводительных силовых модулей, способствует инновациям и творчеству. Компактные силовые модули, архитектуры и топологии Vicor предлагают автопроизводителям гибкие и масштабируемые решения для преобразования высоковольтного питания всего автомобиля.

В гонке за 48 В Tesla Cybertruck задает тон для других производителей. Tesla успешно перешла с 12 В на 48 В, и другие последуют ее примеру, внедряя улучшения по ходу дела. Силовые модули просты в установке и предлагают альтернативу традиционным дискретным конструкциям, используемым в централизованных системах питания. Высокоплотные силовые модули малы и компактны, что делает их очевидным выбором и естественным дополнением к зонированной 48-вольтовой архитектуре — энергетической сети будущего для автомобильной промышленности.

Автор: