Fedélzeti hálózat közúti járművekhez, motiváció és innováció

1996. február Az AUDI, BMW, MERCEDES BENZ, OPEL, PORSCHE, VW cégek kezdeményezése: Az autóipar 2005-re megígérte a vevőknek, hogy az 1990-es évet alapul véve a CO 2 -kibocsátást 25 %-al csökkenti. Ez az üzemanyag- fogyasztás 70 %-os csökkentését jelenti, amit az autóipar 3 l/100 km- es fogyasztással definiált. A járművek energiaszükségletét próbapadon határozzák meg, ahol a villamos fogyasztók nem üzemelnek. Normál üzemben azonban a villamos fogyasztók akár 1,5 l/100 km többletfogyasztást okozhatnak. Megoldás: Olyan fedélzeti architektúra kialakítása, ami a fogyasztók teljesítmény-kihasználásának optimalizálása mellett a villamos energia előállításának és elosztásának a hatásfokát is megjavítja olyan mértékben, hogy minimális üzemanyag-felhasználás ellenére minden fogyasztó biztonságos üzeme teljesíthető legyen.

Tartalom  Mit jelent SCI-WORX (volt Sican)?  Fedélzeti hálózati architektúra  A 42 V-os hálózat motivációja  Jövőbeni energiaellátó rendszerek  Elektromos/elektronikus rendszerek és komponensei a 42 V-os hálózathoz  Energiamenedzsment  A 42 V-os fedélzeti hálózat szabványosítása

42 V már nem utópia 12 V 36, hanem 42 V Villamos működtetések verseny és gazdaságossági okokból 14 V esetén nagy áramok, nagy veszteségek (P v =RxI 2 ) Innovatív megoldások lehetősége( EVT, EMB, ISAD, stb.)

Hálózat egyre bonyolultabb (energiatakarékosság, működőképesség garantálása, energiamenedzsment Villamos rendszerek csak működéskor fogyasztanak Egyszerűen programozhatók, vezérelhetők, szabályozhatók Egyszerűsödik a szerelés Növekszik az elhelyezés rugalmassága

Recycling könnyebb, nincs pl. hidraulikaolaj Méretezés a tényleges igényre (pl. vízszivattyú, klímakompresszor) EMB, Steer by Wire kiegészítő funkciói szoftveresen megoldhatók (ABS, ESP, ASC) Folyamatok próbaállomáson szimulálhatók, járműre jellemző tulajdonságok szoftveresen beállíthatók (pl. egyéni kormányjellemzők) Helymegtakarítás, zajcsökkentés, rugalmas elhelyezés az új megoldásokkal

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Tegnap Ma Holnap 6 kW közepes teljesítmény, csúcsban 20 kW-ig 40 vezeték, 60 érintkező 1900 vezeték, 3800 érintkező 3 km vezeték, 40 kg > 100 villamos motor, μCs + „X-by-WIRE”, EVT, KSG, ?? + vill. Szivattyúk, klimakompr. ?? + támogató rendszerek, infotainment, ??

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Egyenértékek: ?? Miért kell több villamosság/elektronika ??

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Villamos motoros hajtások előnyei  Energia csak „szükség esetén” (szervo, ABS, szivattyúk)  Mechanikus kapcsolatok elmaradása (költség, zaj, súrlódás)  Egyszerűbb elhelyezés és szerelés (pl.: kormányzás)  „Egyszerű” vezérelhetőség és szabályozhatóság (programozás)  Fejlesztési költségek és idő csökkentése  Hidraulika elhagyása (recycling)  Asszisztens rendsz.-hez kedvezőbb (pl.: korm. beavatkozás)  Komfortjellemzők javulása (memória)

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Példák Jármű + („X-by-Wire”, EVT, KSG, Vill.-szivattyúk/ -szellőzők, Vill.-klíma egyenlő Jármű – (kormányoszlop, kapcsoló rudazat, mech. pedálok, hidraulika, vezértengely(ek), vezérműlánc/fogasszíjak, ékszíjak, önindító, lendítőkerék)

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Energiaáramok az automobilban Tankolt energia Továbbítási energia Hőenergia Jármű Zajenergia Villamos energia  x U x I x t

100 W villamos energia 50 kg-nak felel meg Hagyományos generátorok hatásfoka kb. 50 % (fordulatszámfüggő) Azonos teljesítmény esetén 1/3-ad áram 1/9-ed, vagy 1/3-ad vezetékkereszt- metszet esetén 1/3-ad veszteség Vezetékkeresztmetszet növelés súlynövekedést és szerelési problémákat okoz a térfogat-növekedés és a nagyobb merevség miatt

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Villamos fogyasztók teljesítményei és bekapcsolási idői villamos teljesítmény Bekapcsolási idő Aktív futómű EMB Katalizátorfűtés Fékek Shift-by-wire Indítómotor

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi 14 V-os fedélzeti hálózat megtartása 42 V-os fedélzeti hálózat bevezetése Veszteségek a vezetékekben (vezetékkeresztmetszetek) Szerelési/súly-problémák(vezetékek, akkumulátor) E-rendszerek (fék, EVT nem lehetségesek) Áram 1/3, veszteségek 1/9, nem kell érintésvédelem Csökk. Vezeték-ker. metszetek (fóliavezetők, súly) „X-by-WIRE”, EVT, E-kat lehetséges KSG bevezetése (start-stop-rendszerek) Félvezetőköltségek jelentős csökkenése Veszteségek a vezetékekben (vezeték-keresztmetszetek) Szerelési/súly-problémák(vezetékek, akkumulátor) E-rendszerek (fék, EVT nem lehetségesek)

A 6(7) V-ról a 12(14) V-ra történő átálláskor a félvezető-technológia nem volt téma Ma ez a a jármű „agyának” alapja, a mikroelektronika A mikroelektronika teszi lehetővé, hogy pl. a motor tartalékai kihasználjuk Félvezetők a működtető és biztonsági áramkörökben Méginkább a komfort és informatikai rendszerekben

Kb. 80 V-ig kevésbé a feszültség, inkább az áram a döntő Nagy áramok nagy veszteséget, nagy melegedést okoznak, ami nagy méreteket és hűtőfelületet követel meg Pl. egy teljesítmény FET 42 V-nál 20 % felület mellett képes azonos teljesítmény kapcsolására Az előbbi nagyobb integráltságot tesz lehetővé Félvezető kapcsolók alkalmazása lehetséges

Szabványok szerint 42 V esetén 400 ms-ig 300 V zavarfeszültség megengedett Ez megsemmisítené az előbbieket, vagy drága védelmi áramköröket követelne meg Jármű esetében a zavarfeszültséget 4000 ms-ra és 58 V-ra korlátozták A 42 V és a rögzített csúcsfeszültségek nem igénylik az érintésvédelmet

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi félvezetők Autóipar: legnagyobb növekedési ráta 1999-ben Villamosság/elektronika 2005-ben az értékteremtés kb. 30 %-a Félvezetőeszközök és (mikro-) elektronika növekvő költségei 42 V: a félvezetők felületének 20 %-ra csökkenése Trend: rendszer-egy csip-en Feszültségkorlátozás szükséges (terhelés megszüntetés)

Azonnali átállás nem képzelhető el Izzólámpák 42 V-al nem üzemeltethetők Alternatív fényforrások: xenon-lámpa, fénycső, LED, stb. Megoldás lehetne a helyi DC/DC átalakító, de drága Érintettek a információs és szórakoztató elektronikai eszközök Nem szabad megfeledkezni a „bikázás”- ról sem Átmeneti megoldás a két feszültségű hálózat

A 14-ről 42 V-ra történő lépcsőzetes átállás elsősorban gazdasági és gyakorlati előnyöket rejt Először a nagyteljesítményű fogyasztók kerülnek a 42 V-os rendszerbe Korábbi izzólámpák használhatók Idegen indítási segítség megoldott (ha az indítómotor 42 V-os, akkor DC/DC átalakító kell) A 42 V-os akkut védeni kell, nehogy azzal hozzanak létre párhuzamos kapcsolatot (kivezetések zárlatvédelme is fontos)

A biztonság miatt is szükséges a második akku A két feszültségű rendszer bonyolult Rövidzár lehet a két feszültségszint között is (a kisebb áram miatt a 14 V-os biztosíték nem szólal meg, a különálló kábalköteg nem realizálható) Várhatóan 2005-ben jelennek meg az első járművek Kezdetben költségnövekedés, emiatt a bevezetés a „felső” kategóriában várható Mikor lesz nyereséges az átállás?

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Átállás a 42 V-os fedélzeti hálózatra Hirtelen átállás problematikus: A fogyasztók nagy száma, különösen az Izzólámpák (PWM?) Információs és szórakoztató elektronika Idegen indítás Migráció szükséges Megoldás: 14V/42V-kétfeszültségű fedélzeti hálózat

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Még megválaszolandó kérdések: Architektúra Rövidzárvédelem 14 V  42 V Póluscserevédelem Extra költségek (Renault: kb. 100 EU) „Break-Even”-pont Logisztika Ki fizeti ??

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Az előnyök összefoglalása Azonos aktorteljesítménynél kisebb terhelőáram Kisebb vezeték-veszteségek, kisebb keresztmetszetek Nagyobb aktor-hatásfok Kisebb félvezetőköltségek azonos kapcsolási telj.-re Rendszermegoldások egy-chip-megoldásként A villamos veszteségek csökkenése következtében üzemanyag megtakarítás

Egy 42 V-os fedélzeti hálózat motivációi Új funkciók egyszerűbb megvalósíthatósága A fejlesztés javítása és gyorsítása A szerelés, karbantartás és recycling egyszerűsödése Az el. hajtások „multifunkcionalitása” következtében az azonos részek részesedésének növekedése Mechanikus kapcsolatok elmaradása Időhorizont: