מודולי אספקת מתח בצפיפות גבוהה מאפשרים שימוש במערכות של 48 וולט שמפחיתות משקל והפסדי הספק
לכלי רכב חשמליים שמונעים במצברים יש בעיית משקל חמורה.
רבים מכלי הרכב החשמליים המונעים במצברים (BEV) כבדים ב- 33% יותר מכלי הרכב המקבילים המונעים על ידי מנוע שריפה פנימית (ICE). מי שעומד בראש המועצה הלאומית לבטיחות בתעבורה (National Transportation Safety Board) מציין ש”דגם Ford F-150 Lightning כבד ב- 900 עד 1350ק”ג יותר מהגרסה הלא חשמלית שלו”. בנוסף, הלשכה הלאומית למחקר כלכלי (National Bureau of Economic Research) מצאה שהוספת 450 ק”ג נוספים לרכב מגדילה את קטלניות התאונות בכ- 47%.
כתוצאה מכך, יצרני ציוד מקור (OEM) של כלי רכב עומדים מול אילוצים חמורים כשהם מנסים לתכנן כלי רכב חשמליים מונעים במצברים שמאפשרים טווח נסיעה גדול ותנאי בטיחות משופרים ואלקטרוניקה מורחבת. מדובר באחד מאתגרי מו”פ הקשים ביותר בתעשייה שאי פעם עמדנו מולם.
על אף גודלו של האתגר, אפשר היה לשכך את הבעיות האלו הניצבות בפני יצרני OEM, הצרכנים והמחוקקים, אם רשת אספקת הכוח (PDN) המקובלת בעלת המשקל העודף בכלי רכב חשמליים (EV) הייתה מוחלפת בארכיטקטורה אזורית (zonal architecture) של 48 וולט, שבה מערכת אספקה של 48 וולט מחליפה את המערכת המסורתית של 12 וולט. פרישה של ארכיטקטורה אזורית שנתמכת על ידי מודולי כוח בצפיפות גבוהה תפחית את המשקל בשלוש דרכים. ארכיטקטורה חדשה זו תאפשר את המעבר מרתמת חוטים עבה לרתמה דקה יותר בהרבה, ותקטין בכך את משקל הרתמה בעד 85%. בנוסף, אפשר יהיה לוותר על מצברי עזר למתח נמוך ולהחליפם במודולי אספקת מתח שמבטלים לחלוטין את משקל הסוללה. ולבסוף, שדרוג של רשת אספקת הכוח בעזרת מודולי כוח, תשפר את מערכת ניהול החום ותקטין את משקלה בעד 33%.
אם כן, המעבר לארכיטקטורה אזורית, שהיא חלופה לארכיטקטורה מרכזית מסורתית, מקטין באופן משמעותי את המשקל ומשפר את נצילות מערכת ההספק הכולל.
המעבר ל- 48 וולט: שיפור ברור שנדרש זה מכבר עבור כלי רכב חשמליים מונעים במצברים
איור 1: המרה למערכת של 48 וולט מקטינה את העברת הזרם הכוללת ברכב מ- 250 אמפר לפחות מ- 75 אמפר, מבלי שתהיה לכך השפעה על התכולה החשמלית של הרכב. מאז 1908, צריכת הזרם בכלי רכב גדלה באופן אקספוננציאלי ככל שנוספו מערכות אלקטרוניות ברכב. בשנות הששים, יצרני ציוד מקור הגדילו את המתח מ- 6 וולט ל- 12 וולט, וגרמו בכך לירידה בצריכת הזרם, זו הפעם הראשונה מזה 60 שנים. כיום, רוב יצרני ציוד מקור עודם משתמשים במערכות של 12 וולט, על אף הדרישה שלהן לזרם גבוה יותר. בשנת 2023 חברת Tesla הפכה להיות הראשונה מבין יצרני OEM שהכריזה על מעבר מלא למערכת אספקה של 48 וולט בכל הרכב, אשר אמורה להוריד את דרישות הזרם באופן דרמטי.
מערכות אלקטרוניות חדשות, כגון מערכות בטיחות, אבטחה ונסיעה אוטונומית נוספו לכלי רכב חדשים בכל מחזור תכנון. כל תכונה חדשה הגדילה את צריכת ההספק, ועם השימוש במצבר קבוע תקני, תוספת זו תורגמה לעלייה אקספוננציאלית בזרם. אם ניקח בחשבון את המגמות האלו בזרם (איור 1), הארכיטקטורה המרכזית של רשת אספקת הכוח אינה בת קיום. הדרך היחידה שבה אפשר לתמוך בצורך לתוספת הספק שגדל כל הזמן, תוך כדי חזרה לרמות זרם בנות קיום והקטנת המשקל של רתמות הכבלים, היא להגדיל את מתח ההפעלה ל- 48 וולט באמצעות ארכיטקטורה אזורית.
כלי הרכב החשמליים מונעים באמצעות מצבר עיקרי למתח גבוה (בדרך כלל 400 וולט או 800 וולט) שנדרש לספק מתח, לא רק למנוע החשמלי המניע, אלא גם למגוון התקני עומס במתח נמוך כדוגמת מזגן, מושבים מחוממים ומערכות מידע ובילוי. רשת חלוקת עומס מורידה את המתח הגבוה למצברי העזר של 12 וולט ו- 48 וולט אשר מפעילים את תת המערכות האלה.
המעבר לארכיטקטורה אזורית של 48 וולט מספק הזדמנות שמתאפשרת בזכות חוק אוהם (הספק = זרם X מתח). לאספקה זהה של הספק, שנדרש למקור מתח של 12 וולט, זרם שהוא גבוה פי ארבעה מהזרם הנדרש למקור מתח של 48 וולט. מכאן שגם הכבלים להעברת 12 וולט צריכים להיות עבים פי ארבעה מאלו שמעבירים 48 וולט.
איור 2: כיום משמשות בכלי הרכב שתי רשתות אספקת כוח. הארכיטקטורה המרכזית של 12 וולט והארכיטקטורה האזורית של 48 וולט, שבה השימוש מתרחב במהירות. הראשונה תלויה ברתמות חוטים עבים ל- 12 וולט. בעוד האחרונה מתבססת על רתמת חוטים דקים ל- 48 וולט, שהיא קלה יותר, מפחיתה את הפסדי החום ומקטינה את הזרם פי ארבעה.
מותה של ארכיטקטורת 12 וולט המרכזית
המערכת המרכזית לאספקת 12 וולט היא ארכיטקטורת אספקת המתח המסורתית שמשמשת בכלי רכב משנות השישים. ארכיטקטורה זו מורכבת מתיבה כסופה מגושמת שבה קיים אוסף של רכיבים בדידים הכולל את כל הממירים ממתח ישר למתח ישר, ממתח גבוה (HV) ל- 48 וולט ול-12 וולט. חוטים עבים וכבדים נדרשים כדי להעביר את הזרם ב-12 וולט אל נקודות העומס. בנוסף, בעקבות הנצילות הנמוכה של ההמרה המסורתית של מתח ישר למתח ישר, מערכת אספקת המתח המרכזית הזו מפיקה כמות חום משמעותית מהתיבה הכסופה שלא פעם, נדרש לה קירור רב בנוזל שגורם לתוספת משקל.
לצורך המעבר לשימוש ב – 48 וולט, אפשר להשתמש במודולי הספק בעלי צפיפות גבוהה בנקודות הקצה כדי להמיר בנצילות גבוהה את המתח בנקודות הקצה ל- 12 וולט. כך מתאפשרת הגמישות ליצרני ציוד מקור להעביר בהדרגה את התקני העומס שלהם לשימוש ב- 48 וולט. יתרונות השימוש ב- 48 וולט מתקבלים בזמן קצר תוך הפרעה מזערית לארכיטקטורה של המערכת.
ארכיטקטורה אזורית של 48 וולט מפחיתה הפסדי חום ומקטינה זרמים
מערכת הארכיטקטורה האזורית החדשה שפועלת ב- 48 וולט מפיקה תועלת מחוק אוהם והיא מהווה שינוי פרדיגמה בתעשייה, שבה המרת מתח ישר למתח ישר מתבצעת בקרבת נקודת העומס במקום בתוך התיבה הכסופה המרכזית. בגישה זו, המרה ממתח גבוה ל- 48 וולט מאפשרת להעביר מתח בטיחותי של 48 וולט ברחבי כלי הרכב. המרת מתח מ- 48 וולט ל- 12 וולט מתרחשת בנקודת העומס. בזכות העברת הזרם ב- 48 וולט במקום ב- 12 וולט, החוטים יכולים להיות דקים יותר, קלים יותר וזולים יותר באופן משמעותי (איור 2). את החוטים הדקים והגמישים יותר האלו קל יותר גם לנתב בתוך הרכב. בנוסף, בגישה זו מתפזרים הפסדי החום באופן שווה ברחבי הרכב ומאפשרים שימוש בהולכת חום דרך מוליכים שמותקנים בשלדה ובקירור בהסעה באוויר.
החיסכון במשקל
הארכיטקטורה האזורית של מערכת 48 וולט תומכת בצורה טובה יותר בדרישות המתעצמות והולכות לאספקת מתח בכלי רכב חשמליים שמונעים במצברים, ולהקטנת משקל הרכב בשלוש דרכים:
- רתמת הכבלים: הפחתת משקל בכ- 85%
המשמעות של שדרוג לארכיטקטורה אזורית של 48 וולט היא שחוטי 12 וולט של 4 gauge במשקל
273 גרם למטר יוחלפו בחוטי 48 וולט של 10 gauge במשקל 27 גרם למטר. המדובר בהפחתה
של כ- 85% במשקל החוטים.
- ביטול הצורך במצבר עזר: הפחתה של כ- 100% במשקל
איור 3: מודולי אספקת המתח מספקים תגובה מהירה לנחשולי מתח יותר מאשר מצברי חומצה – עופרת של 12 וולט מספקים, על ידי יצירה של מצבר ווירטואלי שיכול להחליף את מצברי 12 וולט המסורתיים הכבדים.
ארכיטקטורה אזורית עם מודולי הספק מספקת האצת התגובה לתופעות מעבר של ממיר מתח ישר למתח ישר, אשר משמש כמצבר ווירטואלי. לכן, מודולי הספק אזוריים שממירים 48 וולט ל- 12 וולט מדמים את המאפיינים של מצברי 12/48 וולט למתח נמוך, תוך שהם מבטלים לחלוטין את הצורך הפיסי במצבר של 12 וולט וחוסכים 100% של משקלו.
3. אופטימיזציה של מערכת אספקת המתח: הפחתה של כ- 33% במשקל
איור 4: אפשר להקטין את המארז המרכזי כאשר משתמשים במודולי אספקת מתח ובארכיטקטורה אזורית מאחר שאפשר לפזר את החום באופן יעיל יותר בנקודות הקצה שבהן 48 וולט מומרים עבור יחידות עומס של 12 וולט.
החלפת המערכת המרכזית במערכות אזוריות מעבירה את המרת המתח 48 וולט ל- 12 וולט מתוך התיבה המוכספת אל נקודות העומס. תיבת מערכת אספקת המתח שעברה שינוי עם מודולי אספקה בעלי צפיפות הספק גדולה ומשמשת לאספקת 48 וולט תהיה קטנה בעד 33%. לכן, אפשר להקטין את משקל התיבה בעד שליש (33%).
במערכת המרכזית המסורתית של 12 וולט, רכיבים בדידים מפיקים טמפרטורה סביבתית גבוהה בתוך מארז התיבה המוכספת שלהם. תיבת מערכת אספקת המתח אשר בה משמשים מודולי הספק אספקה בעלי צפיפות הספק גדולה מפיקה פחות חום ואפשר לקרר באוויר ביעילות בשלדה את מודולי נקודת העומס. שיפורים אלו מאפשרים להקטין את גודלה של מערכת הקירור בנוזל בעד 7%.
ממירים משקל להזדמנות
יצרני ציוד מקור צברו מגוון של יתרונות בשימוש בארכיטקטורה אזורית. לדוגמה, אפשר לחשוב על ההשפעה שתהיה להקטנת המשקל על טווח נושאים גדל והולך.
כלי רכב כבדים יותר גובים מחיר בצורת צריכת הספק וקיצור טווח הנסיעה. ואולם, משקל נוסף יכול להקטין את השפעתו על טווח הנסיעה, אם הוא ישמש כדי להגדיל את גודל המצבר. המצבר הנוסף מספק מקום אחסון לאנרגיה נוספת, לשיפור טווח הנסיעה.
במחקר שניהלה חברת Vicor, הוכח שארכיטקטורה אזורית שנתמכה במודולי אספקת כוח בצפיפות גבוהה יכולה להקטין את משקל הרכב ב- 18 ק”ג (טבלה 1). כאשר משקל זה מומר ל- 18 ק”ג של תאי מצבר, טווח הנסיעה של כלי הרכב החשמלי יכול לגדול עד כ- 6500 ק”מ יותר בשנה, ללא תוספת משקל נטו.
לנתונים אלו יש חשיבות מאחר שממוצע הנסיעה לאדם בארה”ב בשנת 2023 הוא כ- 23,500 ק”מ בשנה, כך על פי מינהל הדרכים המהירות בארה”ב. לכן, השימוש בארכיטקטורה אזורית של 48 וולט יכול לקצר את זמן הטעינה בשנה עד 30% (טבלה 2) ולהגדיל את המרחק שכלי רכב יכול לנסוע עם טעינה יחידה.
טבלה 1: ארכיטקטורה אזורית של 48 וולט שמשמשת בשילוב עם מודולי אספקת כוח בצפיפות גבוהה תחסוך 18 ק”ג בכלי רכב ספורט שימושי (SUV – כביש–שטח).
טבלה 2: טווח מוגדל מאפשר לנהגים לנסוע מרחק רב יותר לכל טעינה ולהקטין את סבבי הטעינה הנדרשים בשנה.
לחדש כדי להחליף
בכלי רכב חשמליים יש עודף משקל ומגמה זו אינה בת קיימה וגם לא מועילה להגברת השימוש הגובר בכלי רכב אלו. יש צורך לשדרג את הארכיטקטורה המרכזית ב- 12 וולט, עם התיבה המוכספת המסורתית שלה והרכיבים הדיסקרטיים לארכיטקטורה אזורית ב- 48 וולט כדי לשפר את רשת אספקת הכוח ואת מערכת ניהול החום בכלי רכב חשמליים. המעבר לארכיטקטורה אזורית יכול להגדיל את הטווח עד כ- 6,500 ק”מ יותר בשנה או יכול לשמש להוספת אביזרי בטיחות או אביזרים אלקטרוניים.
בארכיטקטורות האזוריות היעילות ביותר משתמשים בממירים קטנים וקלי משקל בנקודת העומס. מודולים צפופי אנרגיה בעלי נצילות גבוהה יהיו הבחירה הטובה ביותר להמרת מתח מ- 48 וולט ל- 12 וולט.
בהינתן המורכבות הקיימת היום באלקטרוניקת אספקת הכוח לכלי רכב, על יצרני ציוד מקור להיות יצירתיים כדי לחסוך במשקל תוך שיפור הביצועים. חברת Vicor, המובילה בתחום מודולי הספק בעלי ביצועים גבוהים, מקדמת חדשנות ויצירתיות. מודולי ההספק, הארכיטקטורות והטופולוגיות הקומפקטיים של Vicor מציעים ליצרני ציוד מקור בתחום הרכב פתרונות גמישים וניתנים לשדרוג להמרת הספק במתח גבוה בתוך כלי רכב. מודולי הספק שקל לפרוש אותם הם החלופה לתכנונים המסורתיים ברכיבים בדידים אשר משמשים במערכות ההספק המסורתיות המרכזיות. מודולי הספק קטנים וקומפקטיים הם גם הבחירה המובנת מאליה בארכיטקטורה אזורית של 48 וולט, שהיא רשת אספקת הכוח העתידית עבור תעשיית כלי הרכב.
Vicor הוא סמל מסחרי רשום של Vicor Corporation.
