หากบางสิ่งไม่สามารถดำเนินต่อไปได้ มันก็จะไม่เกิดขึ้น การจัดหาความต้องการไฟฟ้าอันมหาศาลของรถยนต์จากแบตเตอรี่ 12 โวลต์เป็นตัวอย่างหนึ่งของความเป็นจริงนี้
การเปลี่ยนแปลงโทโพโลยีส่งผลต่อแหล่งแบตเตอรี่
เนื่องจากปัญหา 12-V รถยนต์ ICE รุ่นใหม่หลายคันและ EV/HEV เกือบทั้งหมดจึงมีแบตเตอรี่ 48-V เช่นกัน แบตเตอรี่นี้รองรับโหลดที่ได้รับพลังงานจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในขณะที่ยังคงใช้แหล่งจ่าย 12-V ไว้สำหรับโหลดกระแสไฟที่ต่ำกว่า
โดยปกติตัวแปลงไฟ DC/DC ขนาด 48 โวลต์ได้รับการออกแบบเพื่อให้พลังงานไฟฟ้าไหลแบบสองทิศทางจากแบตเตอรี่หนึ่งไปยังอีกแบตเตอรี่หนึ่งตามต้องการ ภายใต้การดูแลของการจัดการแบตเตอรี่ที่ซับซ้อน (BMS) เพื่อสร้างสมดุลระหว่างแหล่งพลังงานกับความต้องการโหลด (รูป 1).
การจัดการแบตเตอรี่กลายเป็นระบบที่ซับซ้อนมาก แม้จะมีความเรียบง่ายที่เห็นได้ชัดในแผนภาพบ็อคระดับสูง (รูป 2).
อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่แค่แรงดันไฟฟ้าพื้นฐานของแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้นเท่านั้น ความต้องการของระบบได้ผลักดันให้นักออกแบบทำซ้ำโทโพโลยีพื้นฐานของวิธีการกระจายแรงดันไฟฟ้าและพลังงานของแบตเตอรี่และแปลงลงไปที่รางแรงดันไฟฟ้าต่ำสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ขณะเดียวกันก็เสนอแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นสำหรับโหลดพลังงานที่สูงขึ้น เช่น มอเตอร์เสริม เครื่องขยายเสียงใน สิบหลายร้อยวัตต์ และอื่นๆ อีกมากมาย
ความจุพลังงานแบตเตอรี่ของ EV สมัยใหม่สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ประมาณ 30 kWh ใน EV ขนาดเล็ก เช่น Mini Cooper SE ไปจนถึงมากกว่า 200 kWh ใน EV ขนาดใหญ่และทรงพลัง เช่น รถบรรทุก GMC Hummer EV รูป 3 แสดงให้เห็นวิวัฒนาการที่แท้จริงและความเป็นไปในทิศทางใด
เมื่อรถยนต์กลายเป็น “อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์” บนล้อ (ภาพซ้าย) นักออกแบบจึงใช้โทโพโลยีแบบกระจายที่มีโหนดส่วนกลาง ด้วยสถาปัตยกรรมนี้ พวกเขาสามารถเพิ่มฟังก์ชันใหม่ได้ง่ายๆ โดยการเพิ่มหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) ใหม่ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา การเพิ่มเหล่านี้ได้ขยายเป็น ECU ระหว่าง 50 ถึง 100 (หรือมากกว่า) และชุดสายไฟยาวถึง 4 กม. (2.5 ไมล์) และบ่อยครั้งมากกว่านั้น
แนวทางนี้ง่ายและตรงไปตรงมา อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมแบบกระจายไม่เหมาะอีกต่อไปเนื่องจากปริมาณการเดินสายไฟที่มาก ความไร้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าในการจ่ายพลังงาน ข้อพิจารณาด้านความน่าเชื่อถือ (รวมถึงความปลอดภัยทางไซเบอร์) และข้อพิจารณาด้านต้นทุนและความปลอดภัย นอกจากนี้ แต่ละฟังก์ชันที่เพิ่มเข้ามายังต้องการการเชื่อมต่อเครือข่ายนอกเหนือจากไฟ DC
เนื่องจากสถาปัตยกรรมแบบกระจายมีมากเกินไป นักออกแบบจึงเปลี่ยนมาใช้สถาปัตยกรรม "โดเมน" ที่มีเครือข่ายการกระจายพลังงานแบบกระจายอำนาจบางส่วน (ภาพกลาง) ในแนวทางนี้ ฟังก์ชันต่างๆ เช่น ADAS, อินโฟเทนเมนต์ และเทเลเมติกส์ จะถูกจัดกลุ่มตามตรรกะ โดยแต่ละฟังก์ชันมีโปรเซสเซอร์ของตัวเอง แม้ว่าแนวทางโดเมนนี้จะสมเหตุสมผล แต่จริงๆ แล้วสามารถเพิ่มปริมาณการเดินสายและการเชื่อมต่อได้ ซึ่งส่งผลให้น้ำหนักของยานพาหนะ การสูญเสียพลังงาน และต้นทุนเพิ่มขึ้น ค่อนข้างขัดกับสัญชาตญาณ สถาปัตยกรรมนี้จึงจำเป็นต้องเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการจัดระบบไฟฟ้าและระบบจำหน่ายไฟฟ้าของยานพาหนะ
เมื่อมองไปข้างหน้าอีกสองสามปี จะมีการเปลี่ยนแปลงไปสู่สถาปัตยกรรม "แบบโซน" แบบรวมศูนย์โดยสมบูรณ์ ด้วยสถาปัตยกรรมนี้ ระบบจะถูกจัดกลุ่มตามตรรกะและกายภาพเป็นโซนที่สามารถจัดระเบียบได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในแต่ละโซน โปรเซสเซอร์ตัวเดียวที่ทรงพลังจะจัดการฟังก์ชันทั้งหมด และโซนนั้นใช้พลังงานจากยูนิตจ่ายไฟเพียงตัวเดียว แทนที่จะเป็นอาร์เรย์ของยูนิตที่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นสูง นอกจากนี้ยังมีการเชื่อมต่อเครือข่ายเดียวสำหรับโซน (Ethernet และอื่น ๆ )
ด้วยการขยับ ECU ให้ใกล้กับแอคชูเอเตอร์และเซ็นเซอร์มากขึ้น การเดินสายไฟน้อยลงและการเชื่อมต่อน้อยลง จึงมีประโยชน์ที่ชัดเจนและไม่ชัดเจน ความยาวสายเคเบิลสั้นลงอย่างมากด้วยการจัดวางอุปกรณ์ที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม และสายเคเบิลบางเส้นถูกตัดออกเนื่องจากการบูรณาการการทำงาน การเดินสายเคเบิลที่บางและยืดหยุ่นสำหรับกระแสไฟต่ำที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า สามารถใช้แทนสายเคเบิลตีเกลียวกลมที่หนักกว่าได้ ซึ่งช่วยลดต้นทุน BOM ลดความซับซ้อนในการเดินสายเคเบิล และเอื้อต่อการจัดการ การประกอบ และการติดตั้งแบบหุ่นยนต์ในการผลิตมากขึ้น (ข้อดีที่มองข้ามได้ง่าย)
ผลกระทบเชิงโซน ได้แก่ การใช้งานระบบไฟฟ้าแรงสูงที่ง่ายขึ้น แม้ว่าระบบไฟฟ้า 12-V จะเป็นบรรทัดฐานมานานหลายทศวรรษ แต่สถาปัตยกรรมแบบโซนต้องใช้ 48 V เพื่อรองรับการใช้พลังงานที่สูงขึ้นและข้อกำหนดด้านความซ้ำซ้อน นี่ไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ เนื่องจากรถยนต์หลายคันมีชุดแบตเตอรี่ 12-V และ 48-V อยู่แล้ว ตาข่ายจ่ายไฟ 48-V ช่วยลดการสูญเสียพลังงานและช่วยให้ชุดสายไฟเบาลง (รูป 4).
หัวข้อถัดไปจะสำรวจผลกระทบของสถาปัตยกรรมแบบโซนและวิธีที่ตัวแปลง DC/DC ขั้นสูงอาจกำจัดแบตเตอรี่ 12-V และบางทีแม้แต่แบตเตอรี่ 48-V
เนื้อหา EE World ที่เกี่ยวข้อง
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแมกนีโตสำหรับพลังงานและการจุดระเบิด ตอนที่ 1
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแมกนีโตสำหรับพลังงานและการจุดระเบิด ตอนที่ 2
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับมอเตอร์ฉุด ตอนที่ 1
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับมอเตอร์ฉุด ตอนที่ 2
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับมอเตอร์ฉุด ตอนที่ 3
กลุ่มผลิตภัณฑ์ตัวเชื่อมต่อแบบ end-to-end ตอบสนองความต้องการของระบบไฟฟ้ารถยนต์ 48-V
เพิ่มประสิทธิภาพในการจ่ายไฟ 48-V
อิสระ เทคโนโลยีอิทธิพลที่เพิ่มขึ้นของการปรับปรุงระบบไฟฟ้าของยานพาหนะ
การเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่ายการส่งพลังงาน
ข้อมูลอ้างอิงภายนอก
ระบบการออกแบบจังหวะ “สถาปัตยกรรมแบบโซนคืออะไร? และเหตุใดจึงต้องปรับปรุงห่วงโซ่อุปทานของยานยนต์”
Vicor Corp., “ระบบ 48V: สิ่งที่คุณต้องรู้เมื่อผู้ผลิตรถยนต์บอกลา 12V”
Vicor Corp. “ยานยนต์ไฟฟ้า 48V คือ 12V ใหม่”
Vicor Corp. “Tesla Cybertruck จะเลิกใช้อุปกรณ์ไฟฟ้า 12V”
TE Connectivity “การเชื่อมต่อในสถาปัตยกรรม E/E ของยานยนต์ยุคถัดไป”
Infineon “ระบบจำหน่ายไฟฟ้ายานยนต์”
Clore Automotive “วิวัฒนาการของแบตเตอรี่รถยนต์”
Continental Battery Systems “วิวัฒนาการแบตเตอรี่รถยนต์ – จากเทคโนโลยีเก่าสู่ MIXTECH”
MDPI, “คุณลักษณะของระบบการจัดการแบตเตอรี่ของยานพาหนะไฟฟ้าโดยคำนึงถึงกระบวนการปรับสมดุลของเซลล์แบบแอคทีฟและพาสซีฟ”
ResearchGate “แนวทางที่เป็นระบบเพื่อการพัฒนาสถาปัตยกรรมระบบไฟฟ้ากำลังยานยนต์”
ภายใน EVs “Tesla ยืนยันการเปลี่ยนไปใช้ระบบ 48 โวลต์”
Texas Instruments “การประมวลผลข้อดีของสถาปัตยกรรมโซนในยานยนต์”