יצרנים של כלי רכב פרטיים, משאיות, אוטובוסים ואופנועים עוברים במהירות לחשמול כלי הרכב שלהם, כדי להגדיל את נצילות הדלק של מנועי שריפה פנימית ולהקטין את פליטת דו תחמוצת הפחמן (CO2). קיימות אפשרויות חשמול רבות, אך רוב היצרנים בוחרים במערכת היברידית מתונה של 48 וולט, במקום בשרשרת העברת כוח היברידית מלאה. במערכת היברידית מתונה, נוסף לרכב מצבר של 48 וולט במקביל למצבר הרגיל של 12 וולט.
באופן כזה קיבולת ההספק – זו שבה אפשר להשתמש עבור צרכנים גדולים יותר, כמו למשל עבור מיזוג אוויר וממיר קטליטי בזמן ההתנעה – גדלה פי ארבעה (P=V ● I). כדי לשפר את ביצועי הרכב, מערכת של 48 וולט יכולה להפעיל את המנוע ההיברידי המשמש לקבלת האצה מהירה יותר וחלקה יותר תוך חיסכון בדלק. ההספק שנוסף יכול גם לתמוך במערכות ההיגוי, הבלימה והמתלים ובנוסף במערכות הבטיחות, הבילוי והנוחות החדשות.
להכנסה לשימוש של מערכת היברידית מתונה יש יתרון עצום מרגע התכנון. ההתגברות על הרתיעה מפני השינוי של רשת אספקת המתח (PDN) בת 12 וולט, שמשמשת מזה זמן, עלולה להיות האתגר הגדול מכולם. לביצוע שינויים במערכת העברת הכוח נדרשות לא פעם טכנולוגיות חדשות, שבהן יש צורך לבצע בהם בדיקות מקיפות, אשר אולי יצריכו ספקים חדשים שיש להם יכולת לעמוד בתקני האיכות והבטיחות הגבוהים של תעשיית הרכב.
ואולם היתרונות עולים בהרבה על עלות ההמרה כפי שמתגלה בתעשיית מרכזי הנתונים ככל שזו עוברת לרשת אספקה במתח של 48 וולט. עבור תעשיית הרכב, מערכת היברידית מתונה של 48 וולט מספקת דרך שבה אפשר לצאת במהירות לשוק עם כלי רכב בעלי ערכי פליטה נמוכים, טווחי נסיעה ארוכים יותר ומרחק נסיעה גבוה יותר לכל ליטר דלק. היא מספקת גם אפשרויות תכנון חדשות ומלהיבות לקבלת ביצועים ותכונות טובים יותר, תוך הפחתת הפליטה של פחמן דו חמצני.
כיצד אפשר לשפר רשת אספקת כוח של 48 וולט
הוספת מצבר של 48 וולט כדי להפעיל את הצרכנים של שרשרת העברת הכוח ומערכת השלדה הכבדות יותר, מספקת הזדמנות למהנדסים. מעתה יש אפשרות בחירה להוסיף מערכות שיכולות לטפל ישירות ב- 48 וולט בכניסה, או לשמור את הצרכנים האלקטרו–מכניים המסורתיים הפועלים ב- 12 וולט, כמו למשל משאבות, מניפות ומנועים, ובמקום זאת, להמיר את המתח של 48 וולט ל- 12 וולט באמצעות ממיר מתח ישר למתח ישר מייצב. על מנת לנהל שינויים וסיכונים, מוסיפים בהדרגה את הצרכנים הפועלים ב- 48 וולט למערכות אספקת כוח היברידיות מתונות קיימות, אבל עדיין משתמשים גם בממירים מ- 48 וולט ל- 12 וולט שמספקים קילוואטים רבים של מתח, אשר מזינים 12 וולט ברחבי הרכב לצרכנים הפועלים ב- 12 וולט. ואולם, בארכיטקטורה מרכזית זו לא מנצלים באופן מלא את היתרונות של רשת אספקת מתח ב- 48 וולט וכך גם לא מביאים לידי מימוש את התועלת הקיימת בטופולוגיות הממירים, במערכות הבקרה ובמארזים המתקדמים.
איור 1: ארכיטקטורה מסורתית מרכזית לאספקת 12 וולט
איור 2: ארכיטקטורה מבוזרת לאספקת 48 וולט
רוב רובם של הממירים המרכזיים האלו ממתח ישר למתח ישר (איור 1) מגושמים וכבדים, מפני שמשתמשים בהם בטופולוגית מיתוג של אפנון רוחב אות (PWM) הישנה יותר, בתדירות נמוכה. כמו כן, הם יוצרים נקודה אחת שבה קיימת אפשרות לכשל במערכות רבות קריטיות של שרשרת העברת הכוח.
ארכיטקטורה שונה, שאת השימוש בה אפשר לשקול, היא אספקת כוח מבוזרת (איור 2) עם רכיבי אספקה מודולריים. ארכיטקטורות אספקת כוח אלו עם ממירי מתח מ- 48 וולט ל- 12 וולט מפוזרות ברחבי הרכב בסמיכות לצרכנים של 12 וולט. אפשר להבין ממשוואות ההספק הפשוטות
P = V ● I ו- Pהפסדים = I2R מדוע בשימוש ב- 48 וולט, יש נצילות גבוהה יותר מאשר בהעברה של 12 וולט.
ברמת הספק נתונה, ב- 48 וולט, הזרם נמוך פי ארבעה מאשר במערכת של 12 וולט, ויש לו פי 16 פחות הפסדים (I2R). כאשר 1/4 מהזרם עובר, הכבלים והמחברים יכולים להיות קטנים יותר, בעלי משקל קטן יותר וזולים יותר. בארכיטקטורה המבוזרת לאספקת המתח מגולמים גם יתרונות משמעותיים של ניהול חום ושל יתירות מערכת ההספק (איור 4). זו דרך נוספת שבה ניתן לפזר הספק סביב הרכב, ללא המשקל, הקשיים החומניים והנפח שקיימים בשימוש בממירים המסורתיים ממתח ישר למתח ישר.
איור 3: הנצילות של ממיר מסורתי ממתח ישר למתח ישר היא 94
איור 4: הנצילות של ממיר מתח ישר למתח ישר של Vicor היא 98%
היתרונות של רכיבים מודולריים עבור ארכיטקטורות מבוזרות
בגישה מודולרית לאספקת מתח מבוזרת (איור 5) יש רמה גבוהה של סילומיות (scalability).
איור 5: גישה מודולרית לכלי רכב חשמלי היברידי
יציאה של 48 וולט מהמצבר מועברת לרכב, אל התקני העומס השונים הפועלים במתח גבוה, ומגדילה למקסימום את היתרונות של זרם נמוך יותר (פי 4) והפסדים נמוכים יותר (פי 16), אשר מאפשרים שימוש ברשת אספקת מתח קטנה יותר מבחינה פיסית ובעלת משקל נמוך יותר. בתלות בניתוח ההספקים של הצרכנים השונים, אפשר לתכנן מודול אחד שיהיה מתאים לרמת ההספק המדויקת ואפשר יהיה לשדרג אותו לרמת ההספק העתידית של המערכת כאשר הוא ישמש במערכים מקביליים.
בדוגמה זו מוצג מודול של 2 קילוואט. כפי שכבר צוין, יכולת ההתאמה ויכולת השדרוג תלויות במערכת. באמצעות השימוש במודולים מבוזרים במקום בממיר מתח ישר למתח ישר מרכזי, אפשר להשיג גם יתירות של N+1 בעלות נמוכה בהרבה. לגישה זו יש גם יתרונות, שבאים לידי ביטוי במקרה שהספק העומס משתנה במהלך שלב הפיתוח של הרכב. במקום לממש שינויים באופן מלא בהתאמה אישית לכל אספקת המתח, המהנדסים יכולים להוסיף או לגרוע מודולים. יתרון תכנוני נוסף מתקיים בקיצור זמן הפיתוח, שנגזר מהעובדה שהמודול כבר מאושר ועומד בדרישות.
מימוש ארכיטקטורה מבוזרת ומודולרית של 48 וולט במערכות של מצברים למתח גבוה
איור 6A : גישה מודולרית לרכב חשמלי מלא
במקרה של כלי רכב חשמליים באופן מלא או במקרה של מכוניות היברידיות בעלות ביצועים גבוהים, משתמשים במצבריםתח גבוה בגלל דרישות ההספק הגבוה של שרשרת העברת הכוח ושל מערכות השלדה. לרשת אספקת מתח SELV במתח של 48 וולט, יש עדיין יתרונות משמעותיים מבחינת יצרני ציוד מקור, אך מעמיד כיום אתגר נוסף בפני מתכנני מערכת הכוח, והוא המרה של מתח גבוה של 800 וולט או 400 וולט למתח של 48 וולט. למ
לממיר המתח הישר למתח ישר להספק גבוה נדרש גם בידוד, אך לא נדרש לו ייצוב. על ידי שימוש בממירי נקודת ההעמסה (PoL), אפשר להשתמש בממירי ההספק הגבוה במעלה הזרם, בטופולוגיה של יחס קבוע. יש לכך יתרון רב בזכות הטווח הגדול של מתח כניסה למתח יציאה – שהוא 16:1 או 8:1 – עבור ממירים של 800/48 ו- 400/48, בהתאמה (איור 6). השימוש בממיר מתח מייצב על טווח זה מאוד לא יעיל ומעמיד בעיה קשה של ניהול חום. לעתים קרובות, יצרני ציוד מקור מציבים את הפתרון הזה של הורדת מתח, שיש לו נצילות גבוהה, ישירות בתוך מארז המצברים, ובמקרים מסוימים, ובכך מתייתר הצורך במצבר. מוצרי המרת המתח הגבוה ביחס קבוע של Vicor מספקים אספקת זרם מהירה עם קצב שינוי (slew rate) מהיר, ומאפשרים ליצרני ציוד מקור לחסוך את המשקל המיותר של מצבר 48 וולט שמסתכם ב- 12 – 14 ק”ג.
קשה מאוד ויקר מאוד יהיה ליצור ביזור של ממיר מבודד זה למתח גבוה עקב דרישות הבטיחות לגבי העברה של 400 וולט או 800 וולט. עם זאת, אפשר לתכנן ממיר מרכזי למתח גבוה בעל יחס קבוע באמצעות מודולי הספק במקום תיבה גדולה ויקרה של ממיר מתח ישר למתח ישר. אפשר לפתח מודולי הספק ברמת הדיוק וברמת השדרוג הנכונות, ולאחר מכן, לחבר אותם בקלות במקביל עבור טווח שלם של כלי רכב עם דרישות שונות של חשמול שרשרות העברת הכוח והשלדות. ממירי האפיק ביחס קבוע (BCM®) של Vicor הם גם דו כיווניים, ומספקים בכך תמיכה בשיטות מחזור אנרגיה שונות. בזכות ממיר המשרעת (אמפליטודה) הסינוסואידלי (SAC™) הפועל בטופולוגיה של מיתוג רך בתדירות גבוהה, ממירי BCM מגיעים לערכי נצילות של יותר מ- 98%. יש להם גם צפיפויות הספק של 2.6 קילוואט לאינטש מעוקב, עובדה שמקטינה באופן משמעותי את הגודל של הממיר המרכזי למתח גבוה.
Vicor היא ספק של שוק כלי הרכב והיא מספקת את הפתרונות המודולריים המתקדמים ביותר והחדשניים ביותר. גישה זו למערכות ההספק של הרכב מפשטת את אתגרי האספקה המורכבים של ההספק הגבוה, משפרת את הביצועים, את היעילות ואת זמן היציאה לשוק. כמובילה בתחום אספקת המתח הגבוה (לדוגמה 48 וולט, 400 וולט, 800 וולט) חברת Vicor מחדשת בקביעות חידושים בארכיטקטורות של אספקת כוח, בטופולוגיות המרת הספקים, במערכות בקרה ובמארזים.
