Als iets niet door kan gaan, zal het ook niet doorgaan; het leveren van de vraatzuchtige elektrische behoeften van de auto via een 12-V-accu is een voorbeeld van deze realiteit.
De auto’s van vandaag – of ze nu zijn gebaseerd op de traditionele verbrandingsmotor (ICE), een of andere vorm van hybride elektrisch voertuig (HEV) of zelfs een puur elektrisch voertuig (EV) – zitten boordevol elektronica, sensoren, regeleenheden, veiligheidsvoorzieningen en geavanceerde bestuurderssystemen. -assistentiesysteem (ADAS), infotainmentsystemen, tientallen kleine motoren en grote tractiemotoren (voor EV's/HEV's). Het is een grote uitdaging om de benodigde elektrische energie/stroom te leveren, te beheren en te leveren. Tegelijkertijd is het afvoeren van de onvermijdelijke hitte een onvermijdelijk gevolg van deze machtssituatie.
Deze steeds toenemende vraag naar meer vermogen heeft een punt bereikt waarop het niet langer alleen de 12 V-loodzuuraccu kan blijven gebruiken. Die batterij kan de stroom niet leveren, en zelfs als dat wel zou kunnen, dragen de zware kabels die nodig zijn om de verliezen op een acceptabel niveau te houden, bij aan de kosten, het gewicht, het volume, de routeringsproblemen en de montagebeperkingen. Als je zelfs maar de kilometerslange bekabeling en de grote connectoren in een moderne auto hebt gezien, waarvan een groot deel 12-gauge dik en inflexibel is, weet je dat er een probleem is.
Er is verandering en er komt nog meer
Natuurlijk zijn de vermogensbehoeften van de hedendaagse auto's vele ordes van grootte groter dan die van meer dan 100 jaar geleden. Hoeveel vermogen heeft een auto nodig (de tractiemotoren buiten beschouwing gelaten)? Eén perspectief toont de onverbiddelijke en dramatische stijging, afgezien van een kleine dip in de periode van 1970 (mogelijk als gevolg van het Arabische olie-embargo en gastekort?); Figuur 1 laat dit zien.
Alleen al een korte blik op de evolutie van de batterij is illustratief. De eerste auto’s hadden helemaal geen accu! Om een auto te starten, draaide de bestuurder de motor met de hand om een draaiende beweging op gang te brengen. De stroom voor de bougie(s) kwam van een magneto, een ruwe maar effectief genoeg generator die aan de motor was bevestigd. In feite creëerde de aangezwenkte auto zijn eigen energie voor de bougie zodra deze eenmaal werd aangezwengeld en omgedraaid.
Toen de elektrische starter in de periode 1910 tot 1920 werd geïntroduceerd, werd er gebruik gemaakt van een batterij van 6 V. Die batterij was voldoende, zelfs met de toevoeging van de energieverslindende vacuümbuisradio halverwege de jaren twintig. De sleutel tot het gebruik van een bescheiden 1920V-accu voor de startmotor en de radio was dat beide niet tegelijkertijd werden gebruikt en dat de voedingskabel van de accu naar de startmotor en de radio kort en direct was, waardoor de verliezen tot een minimum werden beperkt.
Aan het begin van de jaren vijftig nam de extra belasting van het elektrische systeem van de auto toe door de toevoeging van stroomopties zoals meer verlichting, airconditioning en stuurbekrachtiging. Om de elektrische vraag tot een minimum te beperken, werden veel van deze opties mechanisch aangedreven door riemen die door de motor van de auto liepen, waarbij elektriciteit werd gebruikt voor de besturing, maar niet voor brute kracht.
Niettemin namen de belastingen toe boven wat de 6-V-batterij kon ondersteunen. De industrie is overgestapt op 12 V-batterijen om meer beschikbare energie te leveren, verliezen te verminderen en het gebruik van dunnere kabels met hogere spanningen maar met een lagere stroomsterkte mogelijk te maken.Figuur 2).
De 12V-oplossing ging meer dan 50 jaar mee, wat een indrukwekkende staat van dienst is, en het verbindingsschema van het stroomdistributienetwerk (PDN) was eenvoudig, althans in principe (Figuur 3).
Er zijn echter veel extra ladingen in de vorm van moderne functies toegevoegd. Tegelijkertijd zijn bestaande functies, zoals door de motor aangedreven stuurbekrachtiging, overgestapt op elektrische motorondersteuning voor een betere controle. Het resultaat was een ingewikkelder PDN (in de jaren negentig was er enige beweging in de richting van een upgrade naar een 24V-batterijpakket, maar dat sloeg nooit aan. De voordelen wogen niet op tegen het diepgewortelde karakter van de 1990V-toeleveringsketen, de productie, en deskundigheid) (Figuur 4).
Flits vooruit naar de 21st eeuw, en 12 V raakt op, om een gemengde metafoor te gebruiken. De IR-val en het spanningsverlies bij gebruik van 12 V voor elektronische functies zijn een probleem, maar dit kan tot op zekere hoogte worden opgevangen door het gebruik van geschikte lokale regelaars op elke printplaat. I2De opwarming van R Joule en het daarmee samenhangende vermogensverlies zijn echter een probleem waarvoor geen oplossing bestaat, omdat die energie wordt verspild en niet kan worden teruggewonnen, terwijl de daarmee gepaard gaande warmtedissipatie de thermische belasting van de auto vergroot.
In het volgende deel wordt deze discussie voortgezet.
Gerelateerde EE World-inhoud
Veelgestelde vragen over magneto's voor stroom en ontsteking, deel 1
Veelgestelde vragen over magneto's voor stroom en ontsteking, deel 2
Veelgestelde vragen over tractiemotoren, deel 1
Veelgestelde vragen over tractiemotoren, deel 2
Veelgestelde vragen over tractiemotoren, deel 3
Het end-to-end connectorportfolio voldoet aan de behoeften van elektrische systemen van 48 V-voertuigen
Verbeterde prestaties bij 48 V-stroomdistributie
De groeiende invloed van autonome technologie op het vernieuwen van elektrische voertuigsystemen
Het optimaliseren van stroomleveringsnetwerken
Externe referenties
Cadence Design Systems, “Wat is zonale architectuur? En waarom zet dit de toeleveringsketen in de automobielsector op zijn kop?”
Vicor Corp., “48V-systemen: wat u moet weten als autofabrikanten afscheid nemen van 12V”
Vicor Corp., “Elektrische voertuigen: 48V is de nieuwe 12V”
Vicor Corp., “Tesla Cybertruck elimineert 12V elektrische componenten”
TE Connectivity, “Connectiviteit in de volgende generatie automotive E/E-architecturen”
Infineon, “stroomdistributiesysteem voor de auto-industrie”
Clore Automotive, “De evolutie van de autobatterij”
Continental Battery Systems, “Evolutie van autobatterijen – van old-tech tot MIXTECH”
MDPI, “Kenmerken van batterijbeheersystemen van elektrische voertuigen met aandacht voor het actieve en passieve celbalanceringsproces”
ResearchGate, "Een systematische benadering van de ontwikkeling van de architectuur van elektrische energiesystemen voor auto's"
Binnen EV's: "Tesla bevestigt de overstap naar 48 volt-systeem"
Texas Instruments, “De voordelen van zonearchitectuur in de automobielsector verwerken”