Jön a 48 Voltos kor?

A járműipari villamosenergia-ellátó rendszerek világában egyre intenzívebb szakmai diskurzus zajlik a 48 V-os fedélzeti feszültségű architektúrák kontra hagyományos 12 V-os rendszerek kérdéskörében. Bár a 48 V-os koncepció több mint két évtizede ismert, az utóbbi években vált egyre aktuálisabbá a fedélzeti teljesítményigények drasztikus növekedése miatt.

A járművekbe integrált ADAS (vezetéstámogató rendszerek), infotainment, komfortberendezések és elektromos hajtásláncok egyaránt jelentős villamos energiát igényelnek. A múlt század végén alkalmazott 12 V-os rendszerek kapacitásának kétszeresére-háromszorosára van szükség – ezt hatékonyan 48 V feszültségszinten lehet biztosítani.

Miért előnyös a 48 V?

A 48 voltos mild hibrid rendszer valódi ereje abban rejlik, hogy képes a hagyományos, 12 voltos fedélzeti villamos rendszerrel párhuzamosan, azt kiegészítve működni, miközben jelentős hatékonyságjavulást és szén-dioxid-kibocsátás (CO₂) csökkentést eredményez. A különféle megoldások központi eleme egy 48 voltos villamos gép – például egy úgynevezett Boost Recuperation Machine (magyarra nem tükörfordítva: gyorsító és visszatápláló villamos gép), amelyet a belső égésű motor szíjhajtására integrálnak. Ez az elrendezés az úgynevezett P0-topológia, a mild hibridizáció legegyszerűbb formája, ahol a 48 voltos gép a hagyományos generátor helyére kerül, minimális mechanikai módosítással. Fékezéskor ez a gép visszanyeri a mozgási energiát – az úgynevezett rekuperáció révén –, és eltárolja egy különálló, jellemzően 0,5–1 kilowattóra (kWh) kapacitású 48 voltos lítium-ion akkumulátorban. Ugyanez a gép gyorsításkor vagy motorindításkor akár 12 kilowatt (kW) teljesítménnyel is képes támogatni a belső égésű motor működését, amelynek eredményeképpen – különösen városi forgalomban – 15–25%-os tüzelőanyag-megtakarítás is elérhető. Ez a megtakarítás a gyártók számára nemcsak energetikai, hanem gazdasági előnyt is jelent, hiszen az alacsonyabb flottaátlagú CO₂-kibocsátás révén elkerülhetők az Európai Unió által előírt kvótabüntetések, amelyek járművenként akár 950 eurót is kitehetnek.

A 48 voltos architektúra megfelel az SELV (Safety Extra Low Voltage – biztonságos kisfeszültségű) előírásoknak, azaz karbantartás és kezelési szempontból biztonságos, szemben a 60 VDC fölötti, magasfeszültségű rendszerekkel, amelyek szabványos érintésvédelmet (szigetelést) és karbantartási jogosultságot igényelnek.

Számításokba kicsit belemenve: Ohm törvénye értelmében azonos teljesítmény (pl. 1200 watt) mellett a magasabb feszültség alacsonyabb áramot jelent: míg egy 12 voltos rendszerhez 100 amper áram szükséges, addig egy 48 voltos rendszer ugyanezt 25 amperrel biztosítja. Az alacsonyabb áramerősség kevesebb hőt termel, kisebb keresztmetszetű vezetékek is elegendők, és kevesebb réz szükséges: például a megszokott 4-gauge (21 mm²) kábelek helyett elegendő 10-gauge (5,3 mm²) keresztmetszetű vezeték. Ez több mint 70%-os rézmegtakarítást, és a teljes kábelkorbács tömegében akár 80%-os csökkenést is eredményezhet – járműtípustól függően ez 5–10 kilogramm tömegmegtakarítást jelent. A kisebb átmérőjű vezetékek nemcsak könnyebbek, hanem egyszerűbb szerelhetőséget, kisebb beépítési helyigényt és alacsonyabb gyártási komplexitást is eredményeznek.

Gauge: amerikai huzalvastagsági szabvány (American Wire Gauge – AWG), amely számozással fejezi ki a vezeték átmérőjét, de fordított logikával működik:
minél kisebb a szám, annál vastagabb a kábel. (a Szerk.)

Fontos kiemelni, hogy a 48 voltos rendszer nem váltja le a meglévő 12 voltos rendszert, hanem mellette működik. A két rendszer közötti kapcsolatot egy DC/DC konverter – azaz egyenfeszültség–egyenfeszültség átalakító – biztosítja. Ennek köszönhetően a kisfeszültségű fogyasztók – mint a világítás, infotainment rendszerek, ablakemelők – változatlanul 12 voltról működnek, míg az energiaigényesebb komponensek – például az elektromos fékrásegítő, a kormányrásegítő, vagy akár egy elektromos turbófeltöltő – már a 48 voltos táphálózatról kapják az energiát.

A villamos gép mechanikai integrációja különféle módokon történhet, amit a szakirodalomban a P0-tól P4-ig terjedő topológiákkal írnak le. A P0-topológia – a szíjhajtásos megoldás – a legegyszerűbb és legolcsóbb, míg a P1 esetén a villamos gép a belső égésű motor és a váltó közé kerül. A P2–P3 topológiák a sebességváltóval egybeépítve vagy annak közelében helyezik el a gépet, bonyolultabb szerkezeti kialakítással, de jobb hatásfokkal. A P4-topológia esetén a villamos gép(ek) a hátsó tengelyre kerülnek, ahol nemcsak rekuperációra és rásegítésre alkalmasak, hanem akár rövid idejű tisztán elektromos hajtásra vagy ideiglenes összkerékhajtásra is. A választott topológia közvetlen hatással van a villamos rendszer hatásfokára, az elérhető tüzelőanyag-megtakarításra, a CO₂-csökkentési potenciálra, az e-hajtás képességeire és természetesen a beépítési és gyártási költségekre is.

Ezek együttesen eredményezik, hogy a 48 voltos architektúra nem csupán egy technológiai válasz a járművek növekvő villamos teljesítményigényére, hanem egy rugalmas, fokozatosan bevezethető, stratégiai megoldás is a klímavédelmi célok teljesítésére, különösen azokban a régiókban – mint India vagy Latin-Amerika –, ahol az akkumulátoros elektromos járművek infrastruktúrája még nem áll készen a széles körű elterjedésre.

Nem csak EV-k számára

Bár a 48 V elterjedését elsődlegesen az EV szektor és a mild-, full- és plug-in hibridek hajtják, a belső égésű motorral hajtott járművek is profitálnak belőle. A hagyományos 12 voltos járműelektromos rendszerek gerincét képező generátorok – melyek tipikusan 65–130 amperes tartományban üzemelnek – legfeljebb 2 kW teljesítmény leadására képesek, ami a mai rendkívüli villamosenergia igényű járműtechnológiák mellett egyre kevésbé bizonyul elegendőnek. A modern járművekben megjelenő, párhuzamosan működő nagyfogyasztók – mint például ülés- és ablakfűtések, infotainment rendszerek, szervorendszerek, aktív futómű-komponensek – gyakran meghaladják a 12 V-os rendszerek teljesítőképességét, különösen csúcsigény esetén. Ennek következtében a járműgyártók (OEM-ek) kénytelenek terhelésleválasztó algoritmusokat alkalmazni, amelyek dinamikusan korlátozzák vagy letiltják a nem létfontosságú fogyasztókat a pillanatnyi teljesítményigény csökkentése érdekében. A 48 voltos generátor bevezetése ezen kompromisszumok felszámolását tenné lehetővé: a jelentősen megnövekedett teljesítménysáv (akár 4–5 kW) révén a nagyfogyasztók egyidejű, megszakításmentes üzemeltetése válik lehetővé, miközben javul a teljes fedélzeti energiaellátás stabilitása, és csökken a vezérlési rendszer komplexitása.

Átmeneti megoldás

Az egyik legnagyobb akadály a teljes 48 V-os átállás előtt: a rengeteg 12 V-os fogyasztóeszköz (aktuátorok, vezérlők, szivattyúk, világítás), melyek újratervezése és validálása idő- és költségigényes. A megoldás: zónás architektúra, ahol a jármű fő teljesítménybusza 48 V feszültségszinten működik, ugyanakkor a még meglévő 12 V-os fogyasztókat lokálisan elhelyezett mikro DC–DC konverterek – például a Vicor NBM2317 vagy DCM3735 típusok – látják el az általuk igényelt feszültséggel. Ez a megközelítés lehetővé teszi, hogy a vezérlőzónák 48 V-tal táplálkozzanak, de a szükséges 12 V-os tápellátást helyben állítsák elő, anélkül, hogy hosszú, nagy keresztmetszetű vezetékekkel kellene a kisebb feszültségszintet a központi akkumulátorból elvezetni. Ez nem csupán súly- és helymegtakarítással jár, hanem javítja a rendszer hatásfokát is, mivel a feszültségtranszformáció a terhelés közvetlen közelében történik. A legnagyobb előnye ennek az architektúrának, hogy fokozatos átmenetet tesz lehetővé a 12 V-os örökölt architektúrák felől a teljes 48 V-os ökoszisztéma irányába. Ahogy az egyes 12 V-os fogyasztók elavulnak, illetve kicserélésük során már 48 V-os komponenseket alkalmaznak, az adott zónában lévő DC–DC konverterek egyszerűen eltávolíthatók, így a rendszer szervesen, lépésről lépésre térhet át a modern, egységes 48 V-os működésre anélkül, hogy a meglévő gyártási és validálási kapacitásokat túlfeszítenék. Ez az organikus migráció lehetővé teszi az OEM-ek számára, hogy a technológiai átállást a saját fejlesztési ütemtervükhöz és üzleti stratégiájukhoz igazítsák.

A 48 V nem csupán villamos paraméter – rendszerarchitektúra is. A Vicor-féle zónás megközelítés jól skálázható, kevesebb kompromisszummal jár, és lépésről lépésre bevezethető, skálázható, rugalmas megoldást ad a konstruktőrök kezébe. Nem pusztán a fogyasztók “átfeszültségesítését” jelenti, hanem a fedélzeti teljesítménymenedzsment komplexitásának csökkentését, súly- és térfogatcsökkentést, valamint energiahatékonyság-növelést is.

Forrás: SAE, vicopower.com, seg-automotive.com