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.
Topologieänderungen wirken sich auf die Batteriequelle aus
Aufgrund der 12-V-Probleme verfügen viele neuere Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und fast alle EV/HEVs auch über eine 48-V-Batterie. Diese Batterie versorgt Lasten, die mit der höheren Spannung effizienter versorgt werden, während die 12-V-Quelle für Lasten mit niedrigerem Strom erhalten bleibt.
Der 48-V-DC/DC-Wandler ist in der Regel so konzipiert, dass elektrische Energie je nach Bedarf bidirektional von einer Batterie zur anderen fließen kann, unter der Leitung eines ausgeklügelten Batteriemanagements (BMS), um die Energiequellen optimal mit dem Lastbedarf in Einklang zu bringen (Figure 1).
Das Batteriemanagement ist trotz seiner scheinbaren Einfachheit in einem Blockdiagramm auf hoher Ebene zu einem äußerst komplizierten System geworden (Figure 2).
Allerdings sind nicht nur die Grundspannungen der Batterien gestiegen. Systemanforderungen haben Designer dazu veranlasst, die grundlegende Topologie zu überarbeiten, wie die Batteriespannung und -leistung verteilt und auf die Niederspannungsschienen für die Elektronik umgewandelt werden, und gleichzeitig höhere Spannungen für leistungsstärkere Lasten wie Zubehörmotoren und Audioverstärker anzubieten Dutzende und Hunderte von Watt und mehr.
Die Batteriekapazität eines modernen Elektrofahrzeugs kann zwischen etwa 30 kWh in einem kleinen Elektrofahrzeug wie dem Mini Cooper SE und über 200 kWh in einem großen und leistungsstarken Elektrofahrzeug wie dem GMC Hummer EV-Truck liegen. Figure 3 zeigt die tatsächliche Entwicklung und wohin sie geht.
Als Autos zu „Elektronik und Computern“ auf Rädern wurden (linkes Bild), verwendeten Designer eine verteilte Topologie mit einem zentralen Knoten. Mit dieser Architektur könnten sie neue Funktionen hinzufügen, indem sie einfach neue elektronische Steuergeräte (ECUs) hinzufügen. Im Laufe der Jahre wurden diese Ergänzungen auf 50 bis 100 (oder mehr) Steuergeräte und bis zu 4 km (2.5 Meilen) Kabelbaum, oft sogar mehr, ausgeweitet.
Dieser Ansatz ist einfach und direkt. Allerdings ist eine verteilte Architektur aufgrund des schieren Umfangs der Verkabelung, der elektrischen Ineffizienz bei der Stromverteilung, Zuverlässigkeitsaspekten (einschließlich Cybersicherheit) sowie Kosten- und Sicherheitsaspekten nicht mehr geeignet. Außerdem benötigt jede hinzugefügte Funktion zusätzlich zur Gleichstromversorgung einen Netzwerkanschluss.
Da verteilte Architekturen überfordert sind, wechseln Designer zu „Domänen“-Architekturen mit einem teilweise dezentralen Stromverteilungsnetzwerk (mittleres Bild). Bei diesem Ansatz werden Funktionen wie ADAS, Infotainment und Telematik logisch gruppiert, wobei jede über einen eigenen Prozessor verfügt. Obwohl dieser Domänenansatz logisch sinnvoll ist, kann er tatsächlich den Umfang der Verkabelung und Verbindungen erhöhen und damit das Fahrzeuggewicht, den Leistungsverlust und die Kosten erhöhen. Etwas kontraintuitiv ist, dass diese Architektur letztendlich zwangsläufig die effizienteste Art ist, elektrische und Stromverteilungssysteme von Fahrzeugen zu organisieren.
Wenn wir in ein paar Jahren in die Zukunft blicken, wird es eine Verlagerung hin zu vollständig zentralisierten „zonalen“ Architekturen geben. Mit dieser Architektur werden Systeme logisch und physisch in Zonen gruppiert, die effizient organisiert werden können. In jeder Zone verwaltet ein einzelner, leistungsstarker Prozessor alle Funktionen, und die Zone wird von einer einzelnen Stromverteilungseinheit anstelle einer Reihe stark lokalisierter Einheiten mit Strom versorgt; Außerdem gibt es eine einzige Netzwerkverbindung für die Zone (Ethernet und andere).
Durch die Annäherung des Steuergeräts an Aktoren und Sensoren sind weniger Verkabelung und Verbindungen erforderlich, was offensichtliche und nicht offensichtliche Vorteile mit sich bringt. Durch die optimierte Geräteplatzierung werden die Kabelwege deutlich verkürzt und durch die Funktionsintegration entfallen einige Kabel. Anstelle schwererer, runder Litzenkabel können dünnere, flexible Kabel für niedrigere Ströme bei höheren Spannungen verwendet werden. Dies reduziert die Stücklistenkosten, vereinfacht die Kabelführung und begünstigt die Roboterhandhabung, -montage und -installation in der Produktion (ein leicht zu übersehender Vorteil).
Zu den zonalen Auswirkungen gehört die einfachere Implementierung von Systemen mit höherer Spannung. Während 12-V-Stromversorgungssysteme seit Jahrzehnten die Norm sind, benötigen Zonenarchitekturen 48 V, um einen höheren Stromverbrauch und Redundanzanforderungen zu unterstützen. Dies ist keine radikale Änderung, da viele Autos bereits über 12-V- und 48-V-Batteriepakete verfügen. Das 48-V-Stromnetz sorgt für geringere Verlustleistung und ermöglicht leichtere Kabelbäume (Figure 4).
Im nächsten Abschnitt werden die Auswirkungen zonaler Architekturen untersucht und wie fortschrittliche DC/DC-Wandler die 12-V-Batterie und vielleicht sogar die 48-V-Batterie überflüssig machen können.
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Externe Referenzen
Cadence Design Systems, „Was ist zonale Architektur?“ Und warum stellt es die Automobillieferkette auf den Kopf?“
Vicor Corp., „48-V-Systeme: Was Sie wissen müssen, wenn sich Autohersteller von 12 V verabschieden“
Vicor Corp., „Elektrofahrzeuge: 48 V sind die neuen 12 V“
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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“
Continental Battery Systems, „Autobatterie-Evolution – Von Old-Tech zu MIXTECH“
MDPI, „Eigenschaften von Batteriemanagementsystemen von Elektrofahrzeugen unter Berücksichtigung des aktiven und passiven Zellausgleichsprozesses“
ResearchGate, „Ein systematischer Ansatz zur Entwicklung der Architekturen elektrischer Energiesysteme für Kraftfahrzeuge“
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Texas Instruments, „Verarbeitung der Vorteile der Zonenarchitektur in der Automobilindustrie“