האבולוציה של תעשיית הרכב באמצעות חשמול – החלפת מערכות מסורתיות מונעות מכנית במערכות ורכיבים חשמליים – משנה לעומק את התכן של הרכבים של ימינו, החל ממנועי בעירה פנימית, דרך רכבים היברידיים-קלים ועד לארכיטקטורות חשמליות במלואן.
ככל שהמערכות התפתחו מקרבורטורים ומערכות פליטה פשוטות למזרקי דלק, מערכות פליטה ומערכות בקרת הינע ובלימה, חידושים דומים נעשו בחשמול עם ארכיטקטורות חדשות, רכיבים עבור מנועים חשמליים, ערכות סוללות ואלקטרוניקת הספק מתקדמת. ביחד, חידושים אלו דוחפים את המהנדסים לדמיין-מחדש כיצד רכבים מתוכננים ומניעים ליעילות, אמינות ובטיחות מקסימליות.
מומחים משתי חברות אלקטרוניקה מובילות בתעשייה – מאט מקוויני וקירק אולרי, מנהלי פיתוח עסקי ב- Molex, ושון לוק, מנהל שיווק טכני ב-DigiKey – שופכים אור על המצב הנוכחי של תנועת החשמול והשיקולים המרכזיים עבור עתיד תעשיית הרכב.
נוף דגמי הרכב
בעוד שהביקוש הנצפה ביותר עבור רכבי EV ורכבים היברידיים ממשיך לעלות, המכירות של רכבי EV חדשים הואטו במהלך החודשים האחרונים בשל גורמים רבים, כולל השוק והמדיניות הציבורית. מומחי התעשייה מציינים את העלות ואת תשתית הטעינה המוגבלת כשתי סיבות עיקריות.
“היו לנו עליות וירידות בחשמול”, אמר אולרי. “אם אתה נוסע יותר מ-100 מייל בכל פעם, אתה יודע שצריך לטפל בתשתית הטעינה.”
מכירות רכבים היברידיים, לעומת זאת, עולות על מכירות רכבים חשמליים (EV). על פי נתוני Edmunds, מכירות רכבים היברידיים הראו את הזינוק הגדול ביותר שלהן בשנת 2023, מיותר מ-750,000 רכבים בשנת 2022 למעלה ממיליון רכבים בשנת 2023.
קטגוריה מתפתחת נוספת היא רכבים היברידיים-קלים, המשתמשים במנוע חשמלי מוזן-סוללות כתוספת לשימוש בגז או דיזל. מרבית הרכבים ההיברידיים-הקלים פועלים על מערכות חשמל של V48, שהוא מתח גבוה יותר לעומת מערכות חשמל של רכבים עם מנוע בעירה-פנימית. מערכות V48 מזינות רכיבים שאינם נסמכים על המנוע, ומאפשרים נצילות תפעול טובה יותר.
אפילו עם קצב החדשנות המהיר בתכני רכב, רכבים מונעי-דלק עדיין שולטים בכבישים. על פי מחקר של Edmunds, %82 מהרכבים החדשים הנמכרים כיום הם מונעי-דלק. עם זאת, תנועת החשמול היא בעיצומה בין רכבים מסורתיים לדגמי ההייטק החשמליים המתקדמים ביותר.
חשמול מתחת למכסה המנוע
אולרי מציין, “קבוע אחד שאנו רואים הוא הרבה יותר חשמול – מערכות מכניות מחושמלות בכל הרכבים מסיבות רבות – במיוחד כדי לנהוג ביעילות.”
דוגמה אחת היא טכנולוגיית עצור-התחל, המכבה את המנוע כאשר הרכב נעצר ומתניעה מחדש באופן אוטומטי כאשר הנהג משחרר את הבלם או לוחץ על דוושת הדלק. אמנם מאפיין זה יכול להציב דרישה נוספת על רכיבים מסוימים, אך היא שואפת לשפר את נצילות הדלק ולהפחית את פליטת גזי החממה.
דוגמאות נוספות לחשמול מתחת למכסה המנוע הן במאווררי רדיאטור, הגה כוח, מערכות HVAC ומשאבות קירור. כל המערכות הללו היו מונעות בעבר על ידי חגורות ממנוע הבעירה הפנימית (ICE). משאבות מים חשמליות מחליפות משאבות רדיאטור מכניות לטובת ביצועים יעילים יותר, והבקרה המדויקת עם קירור חשמלי יכולה להאריך את תוחלת החיים של חלקים אלו. אם יש ניהול סוללות מורחב, הוא גם מזרימים נוזל קירור בכל הרכב כדי לווסת את הטמפרטורה של מארז הסוללות, המנועים החשמליים ואלקטרוניקת ההספק.
המעבר למודולים מונעים בחשמל כגון משאבות הגה כוח גורם למערכת לא להסתמך עוד על המנוע, מה שמפחית עומסים פרזיטיים ומאפשר יותר הספק זמין. לכן, יצרניות רכב יכולות להתקין מנועים קטנים יותר ברכבים מסוימים ולשמור על אותם ביצועי נהיגה תוך השגת יתרונות יעילות ופליטות נמוכות יותר.
“החשמול פתח את הדלת לתכני רכב חדשים חדשניים”, מציין לוק. “ללא הצורך להתאים את ‘ארכיטקטורת הינע רצועה’ עם מנוע בעירה פנימית מסורתי, ליצרני הרכב יש יותר גמישות היכן למקם סוללות ויציאות טעינה, עם היכולת להגדיל את המקום עבור נוסעים או מטען, ועוד”.
בסך הכל, תנועת החשמול מחליפה את המכני המסורתי במערכות מבוקרות חשמלית מדויקות היכולות להיות יעילות יותר. בשילוב עם התקדמות בבקרת תוכנה, רכבים מודרניים הם נקיים יותר, חסכוניים יותר באנרגיה, ומציעים ביצועים וקיימות הן לנוסעים והן לנהגים מסחריים.
קרדיט: DigiKey
חידושים בסוללות רכב
במהלך העשור האחרון, יצרני הרכב עברו ממתח של 12V למתח גבוה יותר, כמו 24V (במיוחד לרכבים מסחריים) וכעת לסוללות 48V כדי להגביר את יכולת ההספק, להפחית את משקל הרכב, לשפר את ההאצה ולממש חיסכון בדלק.
החקיקה באירופה מניחה את הבסיס להפחתת הפליטות ברכבים חדשים. שילוב של כוחות רגולטוריים וכוחות שוק עומדים מאחורי המעבר הגובר לארכיטקטורות היברידיות קלות, הכוללות מחוללי סטרטר משולבים; 48V לא רק גדל בהיברידיות קלות, אלא גם נראה שיופיע בפלטפורמות ICE נוספות.
המעבר לארכיטקטורת 48V כולל יותר מסתם הגדלת מתח המערכת. הוא גם דורש שינוי בתשתית החשמלית. רכבים עתירי מאפיינים עם ביצועים גבוהים יותר מסתמכים על רכיבים קלים וקטנים יותר המספקים את אותה נצילות חשמלית כמו דגם בעל צפיפות גבוהה יותר.
אומר אולרי, “הדבר השכיח הוא שמערכות 12V ו-48V מעבירות פונקציות מכניות מסורתיות מחגורת סרפנטינה לסדרה של מנועים חשמליים.” הוא שיתף דוגמה של טנדר כבד המשתמש באנרגיה מכנית עבור הגה הכוח שלו. ברכבים רבים, פונקציה זו הופכת לחשמלית. “כמות האנרגיה הדרושה עבור הגה כוח גוזלת מהספק המנוע, ולכן על ידי העברתו למערכת חשמלית נפרדת, הנהגים יכולים לשמור על הספק רב יותר דרך מערכת ההנעה.”
המעבר של תעשיית הרכב למערכות מתח גבוה יותר הוא הדרגתי, לאור ההשפעה המשמעותית על תהליך התכנון והייצור. המעבר של כל יצרן הוא על ציר זמן שונה המבוסס על המוצרים שלו, הבשלות הטכנית והדרישות של הלקוחות שהם משרתים. בנוסף, כולם כפופים לסטנדרטים ולנוהלי תכנון הקשורים לטכנולוגיות שבהן הם ישתמשו, כולל:
- תקן ISO 21780 מכסה דרישות ובדיקות עבור הרכיבים החשמליים והאלקטרוניים ברכבים המצוידים במערכת חשמלית הפועלת במתח נומינלי של
- ה-VDA Recommendation 320 מתפרסם ומתוחזק על ידי ZVEI-German Electrical and Electronic Manufacturers’ Association. הוא מכסה מגוון רחב של מפרטים ודרישות בדיקה עבור רכיבים חשמליים ואלקטרוניים ברכבים ממונעים לפיתוח ספק כוח 48V.
תכנון לפי התקן להשגת ניהול סוללה חכם הוא חלק בלתי נפרד מהצלחתה של ארכיטקטורת 48V. עם תהליך תכנון נכון, יצרניות הרכב יכולות להימנע מאחסון חשמל לא-יעיל, עלויות מוגדלות וסיכוני בטיחות פוטנציאליים לנהגים.
יסודות חיברורים למתן עדיפות לבטיחות
עם רכבים הדורשים יותר הספק מאי פעם כדי לתמוך במאפיינים חשמליים יותר ויותר מתוחכמים, תכן מחברים אמין למערכות 48V נשען על מספר גורמים בסיסיים כדי לעמוד בתקני ביצועי הרכב והבטיחות.
אומר מקוויני, “קיום אלקטרוניקה ותשתית – החיברורים לתמיכה ברכב שלכם – הם חיוניים לבטיחות.”
מכיוון שמערכות 48V פועלות במתח גבוה יותר (לעומת 12V), מחברים ומערכות חשמל חייבים להיבנות מחומרים חזקים עם בידוד מתאים לביצועים בטוחים ואמינים. זה הופך לחשוב עוד יותר אם המתח גבוה מ-48V.
כשלים במחברים עלולים לגרום לתקלות במערכת הרכב או לסכנות בטיחותיות. כדי למנוע ניתוקים, המחברים צריכים לכלול מנגנוני נעילה ומעצורי מתיחה, כמו גם ביקורות ובדיקות תחזוקה שוטפות.
“בקרת הבטיחות והניטור של מערכת החשמל חשובים כעת יותר מתמיד”, אומר מקוויני.
שמירה על איכות האותות חיונית עבור יישומי מתח גבוה יותר. שלמות אותות ירודה עלולה לגרום לתקלות, ולכן המחברים חייבים למזער הפסדי אותות והפרעות באמצעות כבלים מסוככים, כמו גם הארקה נכונה ומיקום אסטרטגי. התייחסות לשיקולים אלו דורשת חדשנות ומומחיות, וכאן נכנסים לתמונה פתרונות מחברים מתקדמים.
“זה כמו הימור על שולחן קלפים, אך קיימת הערכת-חסר לגבי מידת החשיבות של החיברורים בתכני רכב, במיוחד עבור הבטיחות,” מוסיף לוק.
מעקב אחר שינוי ואישור חלקים
עמידה בדרישות הבטיחות היא בראש סדר העדיפויות, אך מקוויני מציין שאתגר נוסף הוא השינוי המתמיד בדרישות מערכת החשמל של הרכב, הדוחף את היצרנים לעמוד בקצב ולשנות כל הזמן מחברים ורכיבים אחרים.
היצרנים יכולים תמיד להתייחס לתקני LV214 כדי לעקוב אחר דרישות הביצועים ולבדוק בקפידה ולאשר רכיבים מורשים לשימוש בטוח בתעשיית הרכב.
רכיבים העומדים בדרישות LV214 או דומות הם בדרך כלל חלקים חסונים באיכות גבוהה ואמינים היכולים לספוג את הזעזועים על הכביש מבלי להקריב את הביצועים. לדוגמה, סדרת המחברים MX150 של Molex מציעה רכיבים שהונדסו עבור רכבים המתמודדים עם סביבות קשות ועמידים בפני טמפרטורות קיצוניות, רעידות ולחות.
לוק מציין, “עם יותר הזדמנויות חדשנות בתכני רכב, יותר יצרני רכב מאמצים פרקטיקות חשמול. עקב מחזור חדשנות היפר-מהיר, קיימות רק מעט פלטפורמות סטנדרטיות. עם זאת, מגוון גדל והולך מציע לצרכנים אפשרויות רבות, ואנו מצפים שעלות הרכבים תפחת ככל שהטכנולוגיה תתקדם והייצור יגדל.
קרדיט: Molex
שיקולי רכבים מסחריים
למרות שדובר ארוכות על מכוניות נוסעים, כל מה שנדון במאמר זה כבר קיים הרבה יותר זמן בתחום הרכב המסחרי (CV). רכבים מסחריים עברו במהירות ממערכות 12 ל-24 וולט להנעת דיזל ומערכות חשמליות מסוימות, מה שאיפשר להם סטרטרים קטנים יותר מבעבר. יש גם היסטוריה ארוכה שלמערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) חשמליות ברכבים מסחריים (CVs), במיוחד באוטובוסים, רכבי בנייה וחקלאות ורכבי עומס-כבד אחרים, בין היתר.
רכבים מסחריים מתוכננים בדרך כלל לעזור לבעלים/מפעילים שלהם להרוויח כסף, ולכן הם צריכים לעבוד בצורה אמינה. הלחץ על רכבים מסחריים לביצוע אמין הוא בדרך כלל גבוה יותר מזה של מכוניות נוסעים, ולכן יש צורך באיטום וחוסן נוסף.
בין אם הם מתכננים עבור רכבי נוסעים או מסחריים, המהנדסים כיום חייבים לשקול מספר רב של מערכות ומאפיינים מורכבים, רעבים-להספק, אשר לא רק עונות על הביקוש הצרכני והמסחרי, אלא גם על דרישות יעילות, עמידות ובטוחות גבוהות ביותר. למרבה המזל, ספקי הטכנולוגיה עומדים באתגר של יצירת הטכנולוגיה כדי לפתור בעיות חדשנות אלו.
בעוד שמהנדסי רכב משנים את עתיד התחבורה, ספקים כמו Molex ומפיצים כמו DigiKey הם שותפים לדרך, ומספקים רכיבים, שירותים ומומחיות באיכות גבוהה כדי לאפשר לטרנספורמציה זו להתרחש.
מאט מקוויני וקירק אולרי הם מנהלי פיתוח עסקי ב–Molex. כספקית עולמית מובילה של פתרונות מחברים, Molex מביאה מצוינות הנדסית, מערכות יחסים מהימנות ומחויבות שאין שני לה לאיכות ואמינות כדי לעזור ללקוחות בכל התעשיות לשפר את החיים. חברה מהימנה מזה יותר מ-80 שנה, Molex מציעה תכנון וייצור ברמה–עולמית עם פורטפוליו של 100,000+ מוצרים חדשניים.
שון לוק הוא מהנדס שיווק טכני ב–DigiKey. DigiKey היא גם המובילה וגם החדשנית המתמידה בהפצה עם שירות איכותי של רכיבים אלקטרוניים ומוצרי אוטומציה ברחבי העולם, ומספקת יותר מ-15.9 מיליון רכיבים של יותר מ-3,000 יצרנים איכותיים בעלי מוניטין.
קרדיט תמונת שער: DigiKey
