Wenn etwas nicht weitergehen kann, wird es nicht weitergehen; Ein Beispiel für diese Realität ist die Deckung des enormen Strombedarfs des Automobils aus einer 12-V-Batterie.
Heutige Autos – ob sie auf dem traditionellen Verbrennungsmotor (ICE), einer Art Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder sogar einem reinen Elektrofahrzeug (EV) basieren – sind vollgepackt mit Elektronik, Sensoren, Steuergeräten, Sicherheitsfunktionen und fortschrittlichem Fahrer -Assistenzsystem (ADAS), Infotainmentsysteme, Dutzende kleiner Motoren und große Traktionsmotoren (für Elektrofahrzeuge/HEVs). Es ist eine große Herausforderung, die benötigte elektrische Energie/Leistung bereitzustellen, zu verwalten und bereitzustellen. Gleichzeitig ist die Abführung der unvermeidlichen Wärme eine zwangsläufige Folge dieser Leistungssituation.
Dieser ständig steigende Bedarf an mehr Leistung hat einen Punkt erreicht, an dem nicht mehr nur die 12-V-Blei-Säure-Batterie verwendet werden kann. Diese Batterie kann den Strom nicht liefern, und selbst wenn sie es könnte, erhöhen die dicken Kabel, die erforderlich sind, um die Verluste auf einem akzeptablen Niveau zu halten, die Kosten, das Gewicht, das Volumen, die Verlegungsprobleme und die Montagebeschränkungen. Wenn Sie überhaupt die kilometerlangen Kabel und ihre großen Anschlüsse in einem modernen Auto gesehen haben, von denen viele 12 Gauge dick und unflexibel sind, wissen Sie, dass es ein Problem gibt.
Der Wandel ist da, und noch mehr werden folgen
Natürlich ist der Energiebedarf heutiger Autos um mehrere Größenordnungen höher als vor mehr als 100 Jahren. Wie viel Leistung benötigt ein Auto (ohne Berücksichtigung der Fahrmotoren)? Eine Perspektive zeigt den unaufhaltsamen und dramatischen Anstieg, abgesehen von einem kleinen Rückgang in der Zeit von 1970 (möglicherweise aufgrund des arabischen Ölembargos und der Gasknappheit?); Figure 1 zeigt dies.
Allein ein kurzer Blick auf die Entwicklung der Batterie ist anschaulich. Die ersten Autos hatten überhaupt keine Batterie! Um ein Auto zu starten, kurbelte der Fahrer den Motor per Hand an, um eine Drehbewegung auszulösen. Der Strom für die Zündkerze(n) kam von einem Magnetzünder, einem einfachen, aber ausreichend effektiven Generator, der am Motor angebracht war. Tatsächlich erzeugte das angekurbelte Auto seine eigene Energie für die Zündkerze, sobald es angekurbelt und umgedreht wurde.
Als der Elektrostarter zwischen 1910 und 1920 eingeführt wurde, nutzte er eine 6-V-Batterie. Diese Batterie reichte auch mit der Einführung des stromhungrigen Röhrenradios Mitte der 1920er Jahre noch aus. Der Schlüssel zur Möglichkeit, eine bescheidene 6-V-Batterie für den Anlasser und das Radio zu verwenden, war, dass beide nicht gleichzeitig verwendet wurden und dass die Stromkabel von der Batterie zum Anlasser und zum Radio kurz und direkt waren, wodurch Verluste minimiert wurden.
In den frühen 1950er-Jahren stieg die zusätzliche Belastung des elektrischen Systems des Fahrzeugs durch die Einführung von Antriebsoptionen wie mehr Beleuchtung, Klimaanlage und Servolenkung. Um den Strombedarf zu minimieren, wurden viele dieser Optionen mechanisch über Riemen angetrieben, die vom Motor des Autos abliefen, wobei Elektrizität zur Steuerung, aber nicht zur Rohleistung verwendet wurde.
Dennoch stiegen die Belastungen über das hinaus, was die 6-V-Batterie tragen konnte. Die Industrie ist auf 12-V-Batterien umgestiegen, um mehr verfügbare Energie bereitzustellen, Verluste zu reduzieren und die Verwendung dünnerer Kabel mit höheren Spannungen, aber geringerer Stromstärke zu ermöglichen (Figure 2).
Die 12-V-Lösung hielt über 50 Jahre, was eine beeindruckende Erfolgsbilanz darstellt, und der Verbindungsplan des Stromverteilungsnetzes (PDN) war zumindest im Prinzip einfach (Figure 3).
Allerdings kamen viele Zusatzlasten in Form moderner Features hinzu. Gleichzeitig wurden bestehende Funktionen, wie beispielsweise die motorbetriebene Servolenkung, zur besseren Steuerung auf eine elektromotorische Unterstützung umgestellt. Das Ergebnis war ein komplizierteres PDN (in den 24er-Jahren gab es erste Tendenzen zur Umrüstung auf einen 1990-V-Akku, die sich jedoch nie durchsetzten. Die Vorteile überwogen nicht die fest verwurzelte Natur der 12-V-Lieferkette, der Fertigung, und Fachwissen) (Figure 4).
Flash vorwärts zum 21st Jahrhundert, und 12 V geht die Puste aus, um eine gemischte Metapher zu verwenden. Der IR-Abfall und der Spannungsverlust bei der Verwendung von 12 V für elektronische Funktionen stellen ein Problem dar, das jedoch bis zu einem gewissen Grad durch den Einsatz geeigneter lokaler Regler auf jeder Leiterplatte behoben werden kann. ICH2Die R-Joule-Erwärmung und der damit verbundene Leistungsverlust stellen jedoch ein Problem dar, für das es keine Lösung gibt, da diese Energie verschwendet und nicht wiederhergestellt werden kann, während die damit verbundene Wärmeableitung die thermische Belastung des Fahrzeugs erhöht.
Der nächste Abschnitt führt diese Diskussion fort.
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Externe Referenzen
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TE Connectivity, „Konnektivität in Automobil-E/E-Architekturen der nächsten Generation“
Infineon, „Automotive Power Distribution System“
Clore Automotive, „Die Entwicklung der Autobatterie“
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MDPI, „Eigenschaften von Batteriemanagementsystemen von Elektrofahrzeugen unter Berücksichtigung des aktiven und passiven Zellausgleichsprozesses“
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