אם משהו לא יכול להימשך, הוא לא ימשיך; אספקת הדרישות החשמליות הרעילות של המכונית מסוללת 12V היא דוגמה למציאות זו.
שינויים בטופולוגיה משפיעים על מקור הסוללה
בשל בעיות ה-12V, לרכבי ICE חדשים רבים וכמעט כל EV/EV יש גם סוללה של 48V. סוללה זו משרתת עומסים המופעלים בצורה יעילה יותר על ידי המתח הגבוה יותר תוך שמירה על מקור 12V לעומסי זרם נמוכים יותר.
ממיר 48V DC/DC מתוכנן בדרך כלל לאפשר לאנרגיה חשמלית לזרום דו-כיוונית מסוללה אחת לאחרת לפי הצורך, בהנחיית ניהול סוללה מתוחכם (BMS) כדי לאזן בצורה מיטבית את מקורות האנרגיה מול דרישת העומס (איור 1).
ניהול סוללות הפך למערכת מסובכת ביותר למרות הפשטות הנראית לעין בתרשים בוק ברמה גבוהה (איור 2).
עם זאת, לא רק מתחי הסוללה הבסיסיים גדלו. דרישות המערכת דחפו את המתכננים לבצע מחדש את הטופולוגיה הבסיסית של האופן שבו מתח הסוללה והכוח מופצים ומומרים למסילות המתח הנמוך עבור האלקטרוניקה, תוך שהם מציעים גם מתחים גבוהים יותר לעומסים בעלי הספק גבוה יותר כגון מנועים אביזרים, מגברי שמע במכשיר. עשרות ומאות וואט, ועוד.
קיבולת האנרגיה של הסוללה של EV מודרני יכולה לנוע בין כ-30 קילוואט-שעה ברכב חשמלי קטן כמו מיני קופר SE ועד למעלה מ-200 קילוואט-שעה ברכב חשמלי גדול וחזק כמו משאית ה- GMC Hummer EV. איור 3 מראה את האבולוציה בפועל ולאן היא הולכת.
כאשר מכוניות הפכו ל"אלקטרוניקה ומחשבים" על גלגלים (תמונה שמאל), המעצבים השתמשו בטופולוגיה מבוזרת עם צומת מרכזי. עם ארכיטקטורה זו, הם יכלו להוסיף פונקציות חדשות פשוט על ידי הוספת יחידות בקרה אלקטרוניות חדשות (ECU). במהלך השנים, התוספות הללו התרחבו בין 50 ל-100 (או יותר) ECU ועד 4 ק"מ (2.5 מייל) של רתמת חיווט, ולעתים קרובות יותר.
גישה זו פשוטה וישירה. עם זאת, ארכיטקטורה מבוזרת אינה מתאימה עוד בשל נפח החיווט העצום, חוסר יעילות חשמלית בחלוקת החשמל, שיקולי אמינות (כולל אבטחת סייבר) ושיקולי עלות ובטיחות. כמו כן, כל פונקציה שנוספה זקוקה לחיבור הרשת שלה בנוסף להספק ה-DC שלה.
כאשר ארכיטקטורות מבוזרות הפכו למוצפות, מעצבים עוברים לארכיטקטורות "תחום" עם רשת חלוקת כוח מבוזרת בחלקה (תמונה אמצעית). בגישה זו, פונקציות כגון ADAS, מידע בידור וטלמטיקה מקובצות באופן הגיוני, כאשר לכל אחת יש מעבד משלה. למרות שגישת תחום זו הגיונית, היא למעשה יכולה להגדיל את כמות החיווט והחיבורים, ולכן מגדילה את משקל הרכב, אובדן החשמל והעלות. באופן קצת מנוגד לאינטואיציה, ארכיטקטורה זו היא בסופו של דבר בהכרח הדרך היעילה ביותר לארגון מערכות חשמל וחלוקת חשמל לרכב.
במבט קדימה עוד כמה שנים, יש מעבר לארכיטקטורות "אזוריות" ריכוזיות לחלוטין. עם ארכיטקטורה זו, מערכות מקובצות באופן הגיוני ופיזית לאזורים שניתן לארגן ביעילות. בכל אזור, מעבד יחיד וחזק מנהל את כל הפונקציות, והאזור מופעל על ידי יחידת חלוקת חשמל אחת במקום מערך של יחידות מקומיות מאוד; כמו כן, יש חיבור רשת יחיד לאזור (אתרנט ואחרים).
על ידי העברת ה-ECU קרוב יותר למפעילים ולחיישנים, יש צורך בפחות חיווט ופחות חיבורים, עם יתרונות ברורים ולא ברורים. אורכי הפעלת הכבלים מתקצרים באופן משמעותי באמצעות מיקום אופטימלי של המכשיר, וכבלים מסוימים מבוטלים באמצעות אינטגרציה פונקציונלית. ניתן להשתמש בכבלים דקים וגמישים יותר עבור זרמים נמוכים יותר במתחים גבוהים יותר במקום כבלים כבדים יותר, עגולים, תקועים. זה מפחית את עלות ה-BOM, מפשט את מסלולי הכבלים, ותורם יותר לטיפול רובוטי, הרכבה והתקנה בייצור (יתרון שניתן להתעלם ממנו בקלות).
השלכות אזוריות כוללות יישום קל יותר של מערכות מתח גבוה יותר. בעוד שמערכות חשמל 12V היו הנורמה כבר עשרות שנים, ארכיטקטורות אזוריות זקוקות ל-48V כדי לתמוך בצריכת חשמל גבוהה יותר ובדרישות יתירות. זה לא שינוי קיצוני, שכן למכוניות רבות יש כבר ערכות סוללות של 12V ו-48V. רשת החשמל של 48V מספקת אובדן חשמל נמוך יותר ומאפשרת רתמות חיווט קלות יותר (איור 4).
הסעיף הבא יחקור את ההשלכות של ארכיטקטורות אזוריות וכיצד ממירי DC/DC מתקדמים עשויים לחסל את סוללת 12V ואולי אפילו את סוללת 48V.
תוכן EE World קשור
שאלות נפוצות על מגנטים עבור כוח והצתה, חלק 1
שאלות נפוצות על מגנטים עבור כוח והצתה, חלק 2
שאלות נפוצות על מנועי מתיחה, חלק 1
שאלות נפוצות על מנועי מתיחה, חלק 2
שאלות נפוצות על מנועי מתיחה, חלק 3
תיק מחברים מקצה לקצה עונה על הצרכים של מערכות חשמל 48V לרכב
שיפור הביצועים בחלוקת כוח 48V
אוטונומי טכנולוגיהההשפעה הגוברת של חידוש מערכות החשמל לרכב
אופטימיזציה של רשתות אספקת חשמל
הפניות חיצוניות
מערכות עיצוב קיידנס, "מהי אדריכלות אזורית? ולמה זה משפר את שרשרת האספקה לרכב?"
Vicor Corp., "מערכות 48V: מה שאתה צריך לדעת כשיצרניות רכב נפרדות מ-12V"
Vicor Corp., "רכבים חשמליים: 48V הוא ה-12V החדש"
Vicor Corp., "Tesla Cybertruck תבטל רכיבים חשמליים של 12V"
TE Connectivity, "קישוריות בארכיטקטורות E/E לרכב מהדור הבא"
אינפינאון, "מערכת חלוקת כוח לרכב"
Clore Automotive, "האבולוציה של סוללת הרכב"
מערכות סוללות קונטיננטל, "אבולוציה של סוללת רכב - מהטכנולוגיה הישנה ל-MIXTECH"
MDPI, "מאפיינים של מערכות ניהול סוללות של כלי רכב חשמליים תוך התחשבות בתהליך איזון התאים האקטיבי והפסיבי"
ResearchGate, "גישה שיטתית לפיתוח ארכיטקטורות מערכת החשמל לרכב"
בתוך רכבי EV, "טסלה מאשרת את המעבר למערכת 48 וולט"
טקסס אינסטרומנטס, "עיבוד היתרונות של ארכיטקטורת אזורים ברכב"