Rutronik GmbH
Avtorja: Axel Stangl, Steve Roberts
2020_281_29
V avtomobilih se vedno pogosteje uporabljajo modularni pretvorniki, saj jih odlikujeta nizka cena in visoka zmogljivost. Novi izdelki nizke moči iz podjetja RECOM, ki so kvalificirani po standardu AEC-Q za avtomobilsko industrijo in izvirajo iz tovarne s certifikatom IATF 16949, so zaradi svoje zasnove resnično privlačni. Podjetje Power Control Systems iz skupine RECOM razvija dvosmerne pretvornika AC/DC, primerne za oskrbo baterij.
Si želite toka?
Avtomobilska elektronika vključuje marsikaj, od razvedrila in komunikacije do sistemov za pomoč vozniku ter uravnavanje oprijema v običajnih, električnih in hibridnih vozilih. Vsej elektroniki vozila je skupno pretvarjanje električne energije iz napetosti baterije, naj bo to 12-voltni svinčev akumulator ali 400-voltna litij-ionska baterija, v stabilno nižjo napetost za napajanje elektronike. Električna vozila (EV) imajo poleg tega vgrajene še pretvornike za polnjenje baterije z domačo polnilnico ali hitro polnilnico na poti. V ekologiji EV/HEV se poleg tega uporabljajo še različni pretvorniki za povečanje in zmanjšanje napetosti znotraj podsistemov ter hitre polnilnice s trifaznimi pretvorniki AC/DC. Dvosmerni pretvorniki AC/DC se uporabljajo vse pogosteje, tako da se lahko energija iz baterije tudi vrača za napajanje brez omrežja ali za vračanje v omrežje za uravnavanje obremenitve. Uporabljajo se tudi za učinkovito vzdrževanje visokonapetostnih baterij za največjo možno moč pri visokih napetostih.
Karakteristike napajanja v avtomobilih
Vse vrste vozil, vključno z električnimi avtomobili, še vedno uporabljajo 12-voltne akumulatorje, saj so številni varnostni sistemi (akumulatorji, napenjalniki varnostnih pasov, sistemi za samodejno zaviranje itd.) odobreni samo za napajalno napetost 12 V. Napetost 12-voltnega svinčevega akumulatorja lahko niha v širokem območju, od pogojev pri zagonu v hladnem vremenu do visokih prenapetosti ob odklopu velikih bremen. Standard LV124 (znan tudi kot VW80000) opredeljuje vrednosti za sisteme z nazivno napetostjo 12 V, LV148 pa za sisteme z napetostjo 48 V, kot se uporabljajo v hibridnih vozilih (HEV) (slika 1). To so napetosti, ki izhajajo iz virov z veliko razpoložljivo močjo, vendar pa vsebujejo tudi hitre prehodne pojave z manjšimi energijami pri višjih napetostih, ki so lahko pozitivni in negativni ter so lahko po standardih ISO-7637-2 in ISO 16750-2 prisotni v napajalnih vodih.
Poleg različnih situacij ob izpadih in počasi spreminjajočih se napetosti navajajo standardi LV tudi nazivnim vrednostnim prištete izmenične napetosti z vršnimi amplitudami do 6 V in frekvencami od 15 Hz do 200 kHz.
Električni pretvorniki potrebujejo dodatno filtriranje in zaščito
Za skladnost s standardi LV in strogimi mejnimi vrednostmi za elektromagnetno združljivost v avtomobilih (običajno CISPR25) morajo imeti vsi električni pretvorniki, ki so predvideni za priključitev na električno omrežje vozila, poleg običajnih komercialnih ali industrijskih delov še dodatno filtriranje ter zaščito pred obrnjeno polariteto (slika 2). Glede na razred pretvornika je lahko potreben tudi prenapetostni omejevalnik, ki omeji vse prenapetosti, med običajnim delovanjem pa povzroči le minimalen padec napetosti.
Električni pretvorniki za kritične namene uporabe, kot so krmilniki motorjev in varnostni sistemi, so pogosto izdani iz diskretnih komponent, vgrajeni v elektroniko gostiteljske naprave ter izdelani iz komponent, ki so certificirane z ustreznimi preizkusi obremenitve in avtomobilskimi specifikacijami. Upoštevajo se standardi Sveta za avtomobilsko elektroniko (Automotive Electronics Council) AEC-Q: AEC-Q101 za polprevodnike, AEC-Q200 za pasivne komponente in AEC-Q400 za enote z več integriranimi vezji, ki imajo različne razrede delovne temperature za različna okolja v avtomobilih, od visokih temperatur v motornem prostoru do dokaj ugodnih pogojev v kabini. Podjetja, ki dobavljajo te komponente, so certificirana po IATF 16949:2016 za avtomobilsko industrijo, s čimer dokazujejo, da njihova kakovost ustreza zahtevanim standardom. Dobavitelj lahko določi tudi postopek odobritve za proizvodne dele (PPAP), ki zagotavlja odobritve in preverjanja komponent ter postopkov vgradnje pred, med in po proizvodnji.
Primer izdelka za avtomobilsko industrijo RECOM RAQ-0505S
RAQ-0505S (slika 3) je izolirani pretvornik DC/DC za splošno uporabo v avtomobilih, kjer je že na voljo filtrirana napajalna napetost 5 V=, za zagotavljanje izoliranega izhoda z napetostjo 5 V in močjo 1 W s popolno dolgoročno kratkostično zaščito [1].
Pretvornik SMD ima razred izolacije 5 kV=/1 s (2,8 kV~/1 min) s plazilno razdaljo > 4 mm. Tipični način uporabe komponente je proizvodnja izolirane napetosti 5 V za podatkovni sistem z vodilom CAN, ki se uporablja v večini vozil. Dodaten glavni način uporabe je napajanje tokovnih tipal na visokonapetostni strani sistemov za upravljanje baterije (BMS) v električnih vozilih (slika 4). Tukaj potrebuje tokokrog tokovnega tipala svoje 5-voltno napajanje, ki mora biti izolirano od sistemske ozemljitve in 400-voltne napetosti baterije. Takšni izolirani napajalniki omogočajo tudi modularno baterijo, kjer poteka neodvisen nadzor in krmiljenje vsake celice, tako da pri izpadu le ene celice ne pride do vpliva na napetost več celic ali cele skupine. Tukaj so potrebni številni krajevno izolirani napajalniki z napetostjo 5 V v eni enoti, ki so izolirani od nizkonapetostne napajalne napetosti in tudi medsebojno.
RAQ-0505S deluje s polno močjo od –40 do 105 °C, izdeluje se v tovarni RECOM s certifikatom IATF 16949:2016 v Tajvanu in ima dokumentacijo PPAP. Pretvorniki DC/DC nimajo lastne kategorije AEC-Q za obremenitvene preizkuse, tako da se komponenta že od zasnove naprej preverja glede trajanja delovanja, udarcev in tresljajev, gibkosti tiskanega vezja, ESD, trdnosti priključkov ter sprememb temperature po AEC-Q200. Dodatno se izvajajo preizkusi po AEC-Q104 za zanesljivost na ravni tiskanega vezja, skladiščenje pri nizkih temperaturah, padce in nagle temperaturne spremembe. Ti pretvorniki DC/DC so še po zasnovi preverjeni po ISO 16750 in certificirani za varnostne odobritve po IEC 60950-1. Za elektromagnetno združljivost po standardu CISPR25 Level 3 in EN55032 zadošča preprost zunanji filter. Preizkus zanesljivosti je poteka odličnih 1000 ur pri najvišji obratovalni temperaturi 105 °C skladno z MIL-HDBK 217F.
Pretvornik DC/DC RECOM za proizvodno uporabo za avtomobilsko industrijo
Drugi izdelki RECOM se podobno preizkušajo glede pogojev okolja, pospešenega preverjanja življenjske dobe (HALT) in proizvodnih preizkusov za dele RAQ ter so izdelani v istem obratu s certifikatom za avtomobilsko industrijo, zato je za te kakovostne modularne pretvornike DC/DC prostor tudi v široki paleti proizvodnje, industrijske avtomatizacije, preizkušanja, merjenja, proizvodnje vozil in nekritične uporabe v avtomobilih. Pri robotski proizvodnji uporabljeni izolatorji vodila CAN so priljubljen način uporabe za serijo RKE, komponente RB so vgrajene v vezjih za zaznavanje uhajavega toka v avtomobilski industriji, komponente RP in RKE pa najdemo v vgrajenih polnilnikih, če naštejemo le nekaj primerov.
Pretvorniki DC/DC s širokim območjem vhodne napetosti, kot je REC15E-Z za območje od 6 do 36 V ali od 18 do 75 V, so primerni za napajanje v avtomobilih z nazivno napetostjo 12 ali 48 V. Medfazni pretvorniki AC/DC so se uveljavili v polnilnih vezjih za avtomobile kot pomožni napajalniki za tokokroge za začetna pogajanja za dostop
Power Control Systems iz s-kupine RECOM dela na dvosmernih pretvornikih AC/DC
Power Control Systems [2] je zdaj del skupine RECOM in je uveljavljen dobavitelj rešitev po meri z veliko močjo ter veliko zanesljivostjo za tirna vozila, medicino, vojsko in energetiko. Pred kratkim so predstavili dvosmerni pretvornik AC/DC z močjo 10 kW (slika 5). Začetna različica ima trifazni vhod in kratkostično zaščiteni izhod za 20 V ter 500 A. Ta model z obojestranskim tokom energije se uporablja za nadzorovano polnjenje in praznjenje za vzdrževanje baterij, kjer se baterije do konca napolnijo, izpraznijo in znova napolnijo, da lahko dosežejo polno kapaciteto. Pri praznjenju se energija ne izgubi, ampak se vrne v električno omrežje. Izdelek ima digitalni vmesnik za krmiljenje in nadzor ciklov polnjenja ter praznjenja.
Modularni pretvorniki prihranijo čas razvoja
Modularni pretvorniki kvalificiranih proizvajalcev so lahko cenovno ugodna rešitev za avtomobilsko industrijo s konkurenčnimi cenami za kos in prihranjenim časom za razvoj ter certifikacijo. Skupina RECOM skupaj z na novo prevzetim podjetjem Power Control Systems ponuja izdelke z močmi od 1 W do 10 kW in vedno širšo ponudbo komponent s certifikati AEC-Q.
Sklici:
- [1] RECOMwww.recom-power.com
- [2] Power Control Systemshttps://www.powercontrolsystems.com
Steve Roberts, tehnični direktor za močnostno elektroniko pri podjetju RECOM
Steve Roberts je bil rojen v Angliji. Ima diplomo iz fizike in elektronike Univerze Brunel v Londonu, nato pa je delal v bolnišnici University College Hospital. Pozneje se je kot vodja za interaktivnost preselil v muzej Science Museum, kjer je dokončal tudi svoj magisterij na University College v Londonu. Pred 18 leti se je odločil za osebni Brexit in se preselil v Avstrijo, kjer je postal tehnični direktor skupine RECOM v Gmundnu. Je avtor knjige DC/DC & AC/DC Book of Knowledge.
