Sistemas elétricos de 48V para alta rotação

alta rotacao

Há quase cinco anos, o governo dos EUA emitiu regras que exigiam que as montadoras atingissem uma média de frota de 23,17 quilômetros por litro para carros e caminhões novos - quase o dobro da economia média de combustível. Enquanto os eVehicles e a tecnologia híbrida mudaram o desenvolvimento para a via rápida, o desenvolvimento dos chamados "micro híbridos" e "sistemas híbridos suaves" baseados na potência de 48V também mudou em alta velocidade. Como resultado, o sistema elétrico automotivo de 12V usado há muito tempo está chegando ao fim.

A tecnologia de 48V oferece várias vantagens para os fabricantes e motoristas de veículos. Não apenas reduz o impacto ambiental, mas melhora o desempenho do motor e, mais importante, o consumo de combustível.

No entanto, com as novas tecnologias, o grande volume de cargas elétricas nos veículos está aumentando exponencialmente. Tecnologias como telemática, sistemas auxiliares de aquecimento elétrico, gerenciamento complexo de sistemas de tração, sistemas de freios antibloqueio (ABS), Programa Eletrônico de Estabilidade (ESP) e dezenas de outras consomem altos níveis de energia, complicando ainda mais o projeto. Embora os alternadores de hoje forneçam os níveis de energia para atender a essa demanda, um poderoso conversor de reforço de pressão serve como componente central para sistemas de 48V.

Em 1955, as montadoras introduziram sistemas de carregamento de 12V, substituindo sistemas antigos baseados na tecnologia 6V. Entre 1955 e os anos 80, a saída padrão do alternador caiu tipicamente abaixo de 0,5 kW, embora alguns alternadores de alta eficiência possam produzir até 0,7 kW. Os veículos de hoje exigem uma saída do alternador de 3,5kW - sete vezes mais potência de saída.

Um alternador de 14V gera uma corrente de 250A, resultando em uma eficiência máxima de apenas 70%. Como resultado, o motor deve fornecer 5kW adicionais. Para compensar isso, grandes seções transversais dos condutores (cabeamento) são necessárias para fornecer correntes mais altas, o que aumenta o custo e o peso do veículo. Esse peso diminui a eficiência do combustível e, subsequentemente, as emissões de CO2 aumentam.

Sistemas elétricos de 48V

Embarque na tecnologia de 48V. A tecnologia 48V permite a implementação de vários recursos que não são práticos de implementar em sistemas de 12V, incluindo o suporte de sistemas micro-híbridos e híbridos leves. Esses recursos reduzem as emissões de CO2 e o consumo geral de combustível e incluem:

  • Recuperação de energia de alto desempenho a potencias 5kW ou superiores
  • Funções estendidas de partida / parada, como na navegação
  • Eletrificação de unidades como turbocompressor e direção hidráulica

O sistema de 48V é mais uma extensão do que uma substituição da arquitetura de 12V existente, que permite que o sistema lide com cargas mais poderosas através do uso de um conversor bidirecional de impulso reverso que controla o nível de 12V e o de 48V (Figura 1) Pense nisso como a versão 2.5.

Sistemas elétricos de 48V

Figura 1: Arquitetura de uma fonte de alimentação combinada de 12V / 48V. (Fonte: TDK)

Nesta versão 2.5, uma bateria padrão baseada em chumbo é usada para 12V e uma bateria de íon de lítio é usada para 48V, onde o gerador está configurado, ajudando a alcançar níveis de saída mais altos e mais eficientes. Novas práticas recomendadas especificam a conexão de capacitores de camada dupla em paralelo para melhor armazenamento elétrico.

Conversor Buck-boost

Como mencionado anteriormente, o componente central do sistema combinado de 12V / 48V é o conversor buck-boost, que controla o fluxo de energia bidirecional entre os dois níveis de tensão (Figura 2). A maioria dos conversores dinâmicos é projetada para potências de saída entre 2kW e 5kW.

Sistemas elétricos de 48V

 Figura 2: Diagrama do circuito do conversor buck-boost para o sistema combinado de 12V / 48V. (Fonte: TDK)

O conversor buck-boost opera como um conversor buck no modo normal, para que a energia gerada no nível de 48V seja transmitida corretamente ao sistema de 12V. Se a saída for necessária no nível de 48V, o modo de reforço será usado. Sistemas conectados em série com 6 ou 8 fases são normalmente usados ​​para manter a tensão e a corrente de ondulação no mínimo.

Para que o conversor buck-boost funcione adequadamente em ambientes automotivos adversos, os projetistas devem usar transistores de comutação confiáveis, de alta qualidade, indutores de potência e capacitores de armazenamento. Por exemplo, se o projeto exigir indutores de energia para o armazenamento e a sufocamento dos conversores, os componentes SMD cerâmicos devem ser especificados. As bobinas de força devem apresentar um terceiro pad (terminal) para solda, além dois pads de solda do enrolamento, para aumentar a estabilidade mecânica dos componentes na placa de circuito impresso. Se um indutor SMD não for possível, também podem ser usados ​​indutores com terminações de PTH. Todos os componentes devem ser projetados para operar em temperaturas que variam de -40 ° C a 150 ° C.

Capacitores resistentes a vibrações

Além dos indutores, outros componentes-chave nos conversores buck-boost devem ser capacitores eletrolíticos de alumínio robustos para armazenamento e amortecimento de choques nos conversores. Esses capacitores também devem operar em temperaturas de até 150 ° C.

Esses capacitores devem ser projetados especificamente para as rigorosas demandas da eletrônica automotiva, como as séries B41689 e B41789 da TDK. Esses capacitores eletrolíticos de alumínio são caracterizados por sua força de vibração extremamente alta de até 60g e um design de estrela de solda. Alguns capacitores vêm com contatos da placa catódica nas duas extremidades para permitir uma montagem otimizada com baixos valores de ESL.

Os capacitores especificados também devem apresentar valores de baixa resistência em série equivalente (ESR), que resultam em uma maior capacidade de corrente de ondulação e menores perdas. Os capacitores devem ser classificados nas tensões de 25V, 40V (para 12V) e 63V (para 48V). Com essas tensões, eles podem ser usadas nos novos sistemas de energia integrados nos dois níveis de tensão. A faixa de capacitância se estende de 360 ​​µF a 4500 µF.

Turbocompressores Elétricos

A tecnologia de 48V oferece o benefício adicional de permitir que turbocompressores elétricos ou e-turbochargers acionem os motores com mais eficiência (Figura 3). Até recentemente, os turbocompressores convencionais eram acionados por gases de escape, o que significava que eles tinham um desempenho melhor à medida que a velocidade do motor aumentava. Uma desvantagem dos turbocompressores convencionais é o ligeiro atraso desde o momento em que são acionados até a partida. Esse atraso é conhecido como turbo lag.

Um sistema de 48V remove essa deficiência usando um carregador operado eletricamente. Isso permite que o turbocompressor responda instantaneamente e também trabalhe em velocidades mais baixas, aumentando a eficiência geral, seja em condições de tráfego urbano ou na estrada.

Sistemas elétricos de 48V

Figura 3: Turbocompressores elétricos aumentam a eficiência do motor. (Fonte: TDK)

De fato, a combinação de um turbocompressor convencional com um turbocompressor elétrico aumenta ainda mais a pressão de carregamento, para que o carregador elétrico possa ser desligado em altas velocidades do motor, economizando energia e melhorando a eficiência geral.

A tecnologia de 48V não apenas melhora o desempenho e a eficiência do motor, como também é atraente para os motoristas que desejam reduzir o consumo de combustível. Ele cria um automóvel verdadeiramente bem equipado que pode ir de 0 a 96 quilometros por hora em 48V. Com todos os benefícios que essa tecnologia oferece, não é de admirar que os sistemas elétricos de 48V tenham se tornado cada vez mais populares nos projetos com alta rotação.

 

Para artigos como esse, acesse o link.

Artigo escrito originalmente pela Equipe da TDK Coporation para Mouser Electronics: 48V Electrical Systems Shift into High Gear

Traduzido por Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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