12 voltov je premalo - Revija Mehanik in voznik

elektrika v avtu
12 voltov je premalo
Zaradi rekuperacije zavorne energije in delovanja sistema start/
stop bodo v avtomobile vgrajevali
električni sistem dveh napetosti
(12 in 48 V)
Veliko porabniki električne energije bodo sčasoma delovati z enosmernim tokom napetosti 48 voltov
TONE MRAK
Foto proizvajalci
do 12 kW (pri 12-voltni napetosti
le 3 kW, pri 24-voltni napetosti pa
največ 6 kW), pri čemer je jakost
električnega toka nekaj več kot
200 amperov
in 48 V za zahtevnejše uporabnike) mora biti sistem za shranjevanje električne energije tehnično
zelo dovršen. Sprejemati mora
različno električno energijo, ki
nastaja pri rekuperaciji. Navadna
Pri hibridnih in električnih avto- svinčena baterija te naloge ne
mobilih uporabljajo za električen
more opravljati, zato uporabljajo
pogon in rekuperacijo visoko nape- litijeve-ionske baterije ali dvoslojne
V sodobnih avtomobilih je
Pri rekuperaciji zavorne enertost. Ta bi bila primerna seveda
kondenzatorje. Ta dva shranjevalpribližno tisoč posameznih elekgije deluje generator z močjo od
tudi za sistem start stop in rekupe- ca električne energije, še posebej
tričnih vodnikov, katerih skupna
4 do 10 kilovatov (kW), normalna
racijo, vendar je taka možnost za
pa litijeva-ionska baterija, pa sta
dolžina je okoli tri kilometre.
jakost električnega toka, ki bi
»navadne« avtomobile predraga;
zelo občutljiva na prednapetost in
Zaradi novih naprav se bo dolmorala potovati po 12-voltnem
predvsem zato, ker je treba vgraditi podnapetost električnega toka.
žina vodnikov najbrž še povečeomrežju, pa bi bila v tem primeru
številne sisteme za varovanje pred Zato mora biti polnilni tok kar se
vala, spreminjala pa se bo tudi
od 330 do 830 amperov (A). To
da enakomeren, enakomernost
napetost. Zdaj potuje po običajpa je absolutno preveč (le z doda- nevarno visoko električno napetostjo. Takšno varovanje ni potrebno, pa pri rekuperacijskih »sunkih«
nem avtomobilskem električnem tnimi tehničnimi ukrepi dosežejo,
omrežju enosmerni električni tok, da imajo pri tej napetosti električni kadar je napetost električnega toka lahko rešuje samo zahtevna elektronika, ki pa mora nadzirati in
ki ima napetost 12 V, zaradi novih tokovi jakost od sprejemljivih 200 manjša od 60 voltov.
usklajevati tudi porabo.
naprav pa bo treba napetost v
do zelo kritičnih 300 amperov),
Zaradi dvojne napetosti enoposameznih delih omrežja dvigni- zato je treba napetost povečati na
smernega električnega toka (12 V
O prednostih dvojne električne
ti na 48 V, kar pomeni, da bodo
48 voltov. Na takšno omrežje se
v prihodnosti avtomobili hkrati
lahko priključi generator z močno za običajne električne uporabnike napetosti v avtomobilskem omrežuporabljali 12 in 48 V električno
napetost.
Predvidevajo, da bo večina
novih avtomobilov čez nekaj
let imela sistem za samodejno
zaustavljanje motorja in ponoven
zagon (start/stp) in napravo za
izkoriščanje zavorne energije. Oba
sistema bodo vgrajevali zaradi
zmanjševanja porabe goriv. Start/
stop prihrani do pol litra goriva
na 100 kilometrov, če pa lahko
opravlja še dodatne naloge, ko
je motor z notranjim zgorevanjem
izključen (takšna funkcija je na primer »jadranje«), pa se prihranek
približa enemu litru goriva. V teh
primerih mora imeti na voljo dovolj
električne energije, ki jo dobiva
z rekuperacijo zavorne energije
(spreminjanjem kinetične energije
v električno), in seveda dovolj
zmogljivo baterijo za shranjevanje Dve bateriji različnih napetosti (12 V in 48 V): zanesljiva oskrba z električno energijo in
precejšnja priložnost za varčevanje.
te energije.
4
Mehanik in voznik • maj 2013
1.200
24 V
1.000
[A]
12 V
800
600
400
48 V
200
0
0
2
Omrežje z električno napetostjo 48 V in naprave, ki
delujejo s to napetostjo
enakosmernega toka.
4
6
8
[kW]
Mreža električnih vodnikov je v sodobnih avtomobilih tako razvejana, da
njihova skupna dolžina že presega tri
kilometre. Električnih porabnikov pa
je toliko, da jih omrežje z 12-voltno
napetostjo ne more več zadovoljivo
oskrbovati z elektriko.
10
12
14
Primerjava obremenitev
pri različnih napetostih
električnega omrežja v
avtomobilu (12 V, 24 V
in 48 V) kaže, da naprave z močjo 12 kW lahko
brez težav obremenijo
električno omrežje napetosti 48 V (pri maksimalni jakosti nekaj nad 200
A), omrežje z napetostjo
12 V pa komaj zmore 3
kW obremenitev.
Mikro hibridna baterija
(48 V)
Zdajšnja
avtomobilska
električna
omrežja
delujejo z
napetostjo
12 V in so lahko
obremenjena največ s 3 kW. Stalna Johnson Controls
obremenitev v
Power Solution je
zdajšnjih avtomov Evropi predstabilih – različno
vil svoj prvi model
glede na razrede
48-voltne mikro
in število uporabhibridne litijevenikov električne
-ionske baterije,
energije – je od
ki jo bodo v avto800 do 1.500
mobile vgrajevatov – v konicah
pa je obremenitev vali ob 12-voltni
zagonski bateriji.
dvakrat večja.
Hibridni avtomobili
zgornjega razreda
imajo razne dodatne porabnike električnega toka (na primer dodaten električni
pogon, ki pa deluje v visokonapetostnem
okolju 400 V), ki skupaj porabijo celo do 14
kilovatov elektrike. Zaradi tolikšnih obremenitev se že uveljavlja rešitev v obliki 48-voltnega električnega omrežja, ki je postavljeno vzporedno z električnim omrežjem
napetosti 12 voltov in s katerim je možno
zagotoviti porabnikom 12 kilovatov.
Na pravkar končanem industrijskem
sejmu v Hannovru je Johnson Controls
Power Solution predstavil model 48-voltne
litijeve-ionske baterije (48-Volt-Micro-HybridBattery), ki jo bodo v avtomobile lahko
vgrajevali ob 12-voltni zagonski bateriji.
Proizvajalec trdi, da so stroški izdelave glede
na zmogljivost baterije razmeroma nizki.
Navajajo, da bodo vozila s to baterijo lahko
privarčevala od 15 so 20 odstotkov goriva,
torej precej več kot na primer s sistemom
start/stop. Baterija je dovolj zmogljiva, da bo
lahko oskrbovala električno klimatsko napravo in aktivni volanski sistem, shranjevala z
rekuperacijo zavorne energije pridobljeno
električno energijo in podprla morebitni
električni pogon. Proizvajalec je naredil tudi
raziskavo, če bodo kupci pripravljeni plačati
tak dvonapetostni električni avtomobilski
sistem; dobili so odgovor, da so evropski
kupci v večini pripravljeni odšteti več denarja, če se poraba goriva zmanjša vsaj za pet
odstotkov.
Mehanik in voznik
5
Električni sistemi pri napetosti 12 voltov
Pogonski sistemi
Krmilniki motorja
Krmilniki menjalnika
Vodna črpalka
Črpalka za gorivo
Hlajenje motorja
…
Vozni sistemi
Električni volanski sistem
Zavorni sistem
Podtlačna črpalka
Stabilizatorji/vzmetenje
…
Varnostni sistemi
Varstvo potnikov
Pomočniki za vožnjo
…
Karoserijski sistemi
Sistemi za vstopanje
Zunanje luči
Grelni in klimatski sistemi
Ventilatorji klim. naprave
Električno gretje
Ogrevanje zadnjega stekla
Ogrevanje prvega stekla
…
Zmogljivost
12-voltna baterija
12V
Informacijski sistemi
Instrumenti
Navigacija
Radio/TV
Prikazovalniki
Komunikacije
Video
Ojačevalci (video)
...
•
+
++
Stroški
++
+
–
ju so razmišljali že zelo
zgodaj. Prišli so na idejo,
da bi bila v avtomobilih električna napetost 42 voltov,
ki bi povečala zmogljivost
električnih avtomobilskih
naprav in omogočila uporabo novih. Takratne ideje
niso bile uresničljive zaradi
premalo razvite baterijske
tehnologije. Šele ko so
se pojavile potrebe po
zmanjševanju CO2 in ko je
baterijsko tehnologijo izpopolnila elektronika, se je
začelo uporabljati možnosti,
12-voltna baterija
Generator (motor)
DC
48-voltni akumulator
Električni klim. kompresor
DC
Hlajenje motorja
...
Vozni sistemi
Električno gretje
Ogrevanje zadnjega stekla
Ogrevanje prvega stekla
Zavorni sistem
48V
Grelni in klimatski sistemi
...
Vodna črpalka
Črpalka za gorivo
12V
Električni volanski sistem
Stabilizatorji/vzmetenje
Ojačevalci (video)
Mehanik in voznik • maj 2013
ki jih omogoča najvišja normalna
(nenevarna) napetost enosmernega električnega toka (pod 60 V).
Pri takšni napetosti lahko zadovoljivo delujejo zdajšnji veliki porabniki električne energije in zdajšnji
iz celic sestavljeni akumulatorji,
predvsem pa je možno dobro
izkoristiti kratke časovne faze, ko
generator pridobiva električno
energijo. Če pa so potrebe večje
(na primer 15 kW pri hibridnem
in električnem pogonu), pa jih je
možno izpolniti le v visokonapetostnemu sistemu, ki pa je neprimerno dražji.
Večina evropskih avtomobilskih tovarn se je odločila za
dodaten 48-voltni električni napetostni sistem poleg običajnega
12-voltnega sistema. Paralelno
delujoč dvonapetostni električni
avtomobilski sistem (12 in 48 V)
ni treba opremljati z varovalnimi
sistemi, kakršne mora imeti visokonapetostni električni sistem, ker
enosmerni električni tok z manjšo
napetostjo kot 60 V pri stiku s
človekom ni nevaren. Na 48-voltni
sistem bodo počasi začeli priklapljati posamezne velike porabnike
električne energije, med njimi
predvsem električni ventilator za
motor (1 kW), električne grelce,
električni kompresor za klimo,
črpalke …
Zunanje luči
Informacijski sistemi
Instrumenti
Navigacija
Radio/TV
Prikazovalniki
Komunikacije
Video
...
Na obeh tabelah je prikazano, kateri sistemi bodo delovali z
napetostjo 48 voltov in kako bo razbremenjeno napajanje z
12-voltno omrežno napetostjo. (Vir: ATZ Elektronik)
6
Ventilatorji klim. Naprave
Podtlačna črpalka
Stabilizatorji/vzmetenje
...
Varnostni sistemi
Varstvo potnikov
Pomočniki za vožnjo
…
Karoserijski sistemi
Sistemi za vstopanje
HV
++
Zmanjševanje CO2
Električni sistemi pri napetosti 12 in 48 voltov
Krmilniki motorja
Krmilniki menjalnika
48 V
+
Primerjava različnih omrežnih napetosti, njihove
prednosti in pomanjkljivosti. Glede zmogljivosti in
možnosti za zmanjševanje CO2 ima največ prednosti omrežje z visoko napetostjo, a je zelo drago.
Generator <3 kW
Pogonski sistemi
12 V
•
Izdelovanje avtomobilskih električnih kabelskih sistemov.