Питание автомобильных устройств от аккумуляторов 12, 24 и 48 В


Современный автомобиль напичкан сложными датчиками и сенсорными экранами, системами освещения и развлечений, сигнализации и навигаторы. И все эти устройства требуют стабилизированного питания от аккумуляторов, которые необходимо перезаряжать. Список электронных устройств и систем в автомобиле растет из года в год, поэтому всё более актуален вопрос их качественного электропитания.

Повышение питания в автомобилях до 48 В

Автомобильные электронные устройства потребляют много энергии. Чтобы лучше удовлетворить их потребности, многие новые авто оснащены двойными системами питания со свинцовыми батареями на 12 В и ионно-литиевыми АКБ на 48 В. Во многих автомобилях двигатель автоматически выключается при остановке и запускается нажатием педали сцепления или акселератора, что позволяет экономить топливо, но увеличивает потребность в электроэнергии.

В гибридных машинах свинцово-кислотная батарея на 12 или 24 В используется для запуска и питания типового автомобильного оборудования, такого как приборная панель, освещение, развлекательные системы и другие. С другой стороны, литий-ионная батарея питает мощные схемы, такие как кондиционер и активные бортовые системы, включая гидроусилитель руля и тормоза, рекуперативную систему или систему стабилизации.

Структурная схема автомобиля: а) гибридный, б) электрический, в) гибридный с возможностью зарядки от сети

На рисунках показаны схемы взаимодействия двух разных автомобильных аккумуляторов с разным напряжением. Для этого требуются стабилизированные преобразователи, которые работают в широком диапазоне режимов повышения и понижения.

Можно утверждать что двойной аккумулятор и схема с двойным напряжением — это введение в полноценную 48-вольтовую систему. Это напряжение, вероятно, начнет заменять стандартное автомобильное напряжение 12 В в течение следующих 5-10 лет. В течение этого времени возникнет потребность в компонентах, адаптированных к обоим напряжениям.

Автомобильные устройства питаются от батареи через преобразователь постоянного тока в постоянный, способный автоматически и плавно балансировать между пониженным и повышающим режимами выходного напряжения, которое необходимо стабилизировать. Потому что напряжение самой батареи во многом зависит от температуры, силы тока нагрузки и степени ее заряженности.

Питание автомобильных устройств от аккумуляторов 12, 24 и 48 В
Осциллограмма напряжения в зависимости от состояния заряда свинцовой батареи

Диапазон изменения напряжения больше при низких температурах и в старых аккумуляторах. Этот диапазон для 12-вольтовой батареи составляет от 8 до 16,5 В, что показано на кривых зависимости напряжения от заряда.

Аккумулятор заряжается от генератора стабилизированно, защищаясь от внезапных изменений нагрузки и больших скачков напряжения, вызванных индуктивностью. Они могут достигать 120 В, а для этого необходимы схемы, ограничивающие их до 40 В на батареях 12 В, и до 60 В на 24 В, что создает жесткие требования к стабилизатору, который должен поддерживать стабильное выходное напряжение в диапазоне входных напряжений 8-60 В.

Регуляторы заряда аккумуляторов должны работать как в режиме постоянного напряжения, так и в режиме постоянного тока.

Ожидается, что они смогут поддерживать стабильное напряжение на нагрузке с достаточно быстрой реакцией на резкие скачки тока. Для эффективной зарядки аккумулятора регулятор должен быть приспособлен для свободного переключения режима постоянного напряжения на режим постоянного тока и наоборот. Ожидается спрос на универсальные регуляторы, адаптированные к разным способам зарядки аккумуляторов.

Повышающие и понижающие стабилизаторы нового поколения могут превзойти традиционные с повышенной энергоэффективностью в широком диапазоне входного напряжения. Важность получения всего нескольких процентов повышения эффективности стабилизатора изначально не кажется большой, но в контексте применения это значит очень много. КПД всегда имеет значение, даже в устройствах с относительно низким энергопотреблением, таких как портативные аккумуляторные устройства, поскольку определяет срок службы батареи.

Полезное:  Тестирование аккумуляторной батареи электромобилей
Питание автомобильных устройств от аккумуляторов 12, 24 и 48 В
Осциллограмма напряжения в зависимости от состояния заряда свинцовой батареи

Важной характеристикой оценки параметров повышающего и понижающего стабилизатора является пологость кривой КПД преобразования в зависимости от входного напряжения во всем диапазоне. Многие узкодиапазонные высокоэффективные стабилизаторы подходят для схем с довольно стабильным входным напряжением. Но для заряда аккумуляторов в большом диапазоне напряжений кривая их эффективности должна быть более детально предсказана при проектировании. Однородность этой кривой имеет то преимущество, что упрощает тепловой расчет, позволяя разработчику планировать равномерную тепловую нагрузку на во всем рабочем диапазоне.

Эффективность преобразования напряжения напрямую влияет на термическую стабильность и надежность схемы, что, в свою очередь, влияет на ее стоимость. Новое поколение DC/DC преобразователей увеличивает КПД на 2-3 процента по сравнению с обычными. При полной нагрузке это приводит к снижению потерь на 2-3 Вт в автоустройстве мощностью 100-200 Вт.

То есть должно отводиться на 2-3 Вт меньше тепла. Это постепенное повышение эффективности одновременно расширяет тепловой запас схемы и обеспечивает подачу полной мощности в более широком диапазоне температур, а также снижает затраты на охлаждение и упрощает конструкцию. Кроме того, повышенная эффективность преобразования энергии снижает потребность генератора-источника в энергии для загрузки или зарядки аккумулятора.

Уменьшение размера и веса электросхем

Размер, удельная мощность и необходимость повышения КПД остаются главными приоритетами. Экономия топлива требуется от производителей автомобильных аккумуляторных устройств, а потребители ожидают, что в салоне будет все больше электроники. Найти место для стабилизаторов для дополнительной электроники сложно. Кроме того, потребность в более легких решениях приводит к снижению веса автомобиля и повышению топливной экономичности.

По мере модернизации автомобильной техники растет потребность в увеличении мощности оборудования без увеличения площади и веса его инфраструктуры и повышения удельной мощности. Повышающие и понижающие преобразователи нового поколения работают с более высокой частотой переключения, что приводит к уменьшению количества пассивных компонентов накопления энергии, таких как силовые катушки и фильтрующие конденсаторы. В результате объем уменьшается, а удельная мощность увеличивается.

Новые электронные устройства для распространения двухаккумуляторных автомобильных систем создают спрос на новый тип преобразователей DC-DC. Они также необходимы для аудио- и видеоразвлечений, навигации и систем видеонаблюдения, которые все чаще используются в общественных автобусах, микроавтобусах и такси.

Они должны быть с повышающими и понижающими преобразователями, способными работать в широком диапазоне входных напряжений и стабилизироваться как в режиме постоянного напряжения, так и постоянного тока. Такие DC/DC-преобразователи можно использовать для одновременного питания разноплановых устройств.

Количество и разнообразие автомобильных электронных устройств и аксессуаров растет, что подразумевает потребность в более совершенных системах питания. Эти системы должны быть совместимы с различными типами батарей и работать при различных напряжениях, 12 В, 24 В, а также 48 В или выше, что требует нового поколения преобразователей тока. Гибкость, размер, удельная мощность и эффективность обработки — важнейшие параметры, требующие тщательного рассмотрения при выборе силовых решений для современных и новых автомобилей.


НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ