Rutronik GmbH
Avtorja: Ralf Hickl, Uwe Rahn
2018_269_37
Mehanske funkcije se vse pogosteje izvajajo električno, kar 12-voltna električna omrežja potiska do njihovih meja. Delno električno omrežje avtomobila z napetostjo 48 V prevzame napajanje velikih porabnikov, vendar pa zahteva tudi nove koncepte varovalk. Podjetje BOSCH Semiconductors razvija integrirano vezje za varovanje električnih omrežij avtomobilov.
48 V ni le štirikrat 12 V, ampak tudi začetek novega hibridnega sveta in velik korak na področje elektromobilnosti ter avtonomne vožnje. Pri 48-voltnih električnih omrežjih avtomobilov imajo pomembno vlogo zračni razmiki in plazilne razdalje. Zračni razmik je najkrajša razdalja med dvema električnima vodnikoma. Od približno 20 V obratovalne napetosti moramo pri kratkih stikih, pretrganih vodnikih in preklopih pod obremenitvijo računati na nastanek nevarnih oblokov. Obloki so izredno vroči, zato predstavljajo ogromno požarno nevarnost.To nevarnost trenutno obvladujemo z uporabo relejev in kontaktnih sistemov s posebno visoko udarno trdnostjo ter temperaturno odpornostjo.
Tehnično zahtevnejša rešitev za preprečevanje oblokov je pravočasno zaznavanje z merjenjem in vrednotenjem potekov toka ter napetosti s pametnimi tipali.
Nevarnosti oblokov
Poleg napetosti nad 20 V je za stalen in stabilen vžig obloka potreben še en pogoj. Odvisno od toka in napetosti je potrebna moč najmanj približno 100 W. Zato so tokokrogi v električnih omrežjih avtomobilov z napetostjo 48 V zelo dovzetni za obloke, saj napajajo porabnike s posebno velikimi močmi, na primer električne turbopolnilnike, električne sisteme za servokrmiljenje in sisteme za stabilizacijo nagiba. To pomeni, da je treba nujno poskrbeti za primerne zaščitne koncepte.
Obstajata dve osnovni vrsti oblokov: Najpreprostejši so obloki vzporedno bremenu. Ti se pojavljajo zaradi kratkega stika vodnika z ozemljitvijo, na primer zaradi poškodbe izolacije. Kratkostični ali obločni tok je pri dovolj nizki upornosti okvarne zanke zelo visok in se prišteje bremenskemu toku. To sproži taljivo varovalko, prekine tokokrog in pogasi oblok. Varovalka mora biti seveda zmožna pogasiti tudi lasten oblok.
Druga vrsta so obloki zaporedno s porabnikom, ki jih je bistveno težje zaznati. Zgodijo se pri prekinitvi tokokroga pod obremenitvijo. To se zgodi na primer pri odpiranju kontaktov releja ali priklopu ali izklopu vtičev, ko skoznje teče tok. Oblok lahko povzročijo tudi prekinitev vodnika, slabo pritrjen kontakt ali poškodovana povezava z ozemljitvijo.
Zaporedna vezava obloka in bremena praviloma pomeni, da dodatni padec napetosti na obloku zmanjša bremenski tok. Zaporednih oblokov tako ni mogoče zaznati s klasično taljivo varovalko. Tokokrog ne preseže izklopne vrednosti za varovalko.
V klasičnih električnih omrežjih avtomobilov je tipični zaščitni element taljiva varovalka, ki sistem varuje pred kabelskimi požari zaradi pregrevanja, previsokih tokov in kratkega stika. To bo v prihodnje zamenjala elektronska rešitev, ki zanesljivo in pravočasno zazna ter pogasi vse nastale obloke.
Elektronske varovalke imajo številne prednosti
Poleg zaščite pred obloki ponujajo elektronske varovalke s polprevodniškimi stikali še dodatne prednosti. Za razliko od taljivih varovalk so elektronske varovalke ponastavljive in zato uporabne večkrat. Elektronsko varovalko je mogoče diagnosticirati in ponastaviti po vodilu vozila brez uporabe orodja.
Varovalna karakteristika posameznih kanalov varovalk je pri elektronski varovalki v veliki meri prosto nastavljiva. To pomeni, da lahko za visoke tokove določite tokovne izklopne pragovne vrednosti, za srednje in nizke tokove pa je kot izklopna pragovna vrednost primernejša karakteristika I²t. Karakteristiko varovalke lahko tako brez težav prilagodite tokovni zmogljivosti priključenega voda in dinamičnemu obnašanju bremena. Pri taljivih varovalkah je namesto tega treba vzdrževati zalogo različnih izvedb z različnimi nazivnimi vrednostmi in karakteristikami proženja (počasnostjo).
Elektronska varovalka združuje funkcijo varovanja s funkcijo stikala, kar predstavlja dodatno prednost. Taljiva varovalka lahko tokokrog samo izklopi. Elektronska varovalka omogoča vklop in izklop s krmiljenjem po vodilu. To v nekaterih primerih omogoča, da prihranite močnostno stikalo, ki bi bilo sicer potrebno pri konceptu s taljivo varovalko. Tukaj je treba opozoriti še na varnostni vidik. Elektronska varovalka s povezavo z vodilom omogoča usmerjeno in nadzorovano izklapljanje bremen ob preobremenitvi. Sistem za upravljanje omrežja lahko tako dejavno vpliva na porazdelitev električne energije, na primer tako, da daje prednost tokokrogom, ki so pomembni za varnost.
Izvedba varovalke s tehnologijo iFuse iz podjetja Bosch
V podjetju Bosch trenutno razvijajo integrirana vezja po meri (Application-Specific Integrated Circuit – ASIC) iFuse z visoko stopnjo integracije za sisteme z napetostmi 12, 24 in 48 V. V kombinaciji z mikrokrmilnikom in močnostnim N-kanalnim tranzistorjem MOSFET je mogoče z integriranim vezjem iFuse izdelati štirikanalno polprevodniško varovalko. Integrirano vezje iFuse pri tem zagotavlja osnovne funkcije sistema (System Basis Companion Chip), kot so napajanje, varnostni časovnik in nadzor napajalne napetosti za mikrokrmilnik, skupaj z gonilniki vrat za N-kanalne tranzistorje MOSFET, ki so uporabljeni kot stikalni elementi.
Genialna podrobnost te rešitve: Merjenje toka poteka brez zunanjih tipal, na primer souporov.
Osnovna funkcija »izklop ob previsokem toku« deluje samostojno, brez posredovanja mikrokrmilnika. Gradnik se konfigurira z mikrokrmilnikom po vodilu SPI, nato se nastavijo izhodi in varnostni časovnik, potem pa je mogoče odčitavati podatke o stanju ter diagnostiki.
Zagotavljanje napajalne napetosti
Integrirano vezje iFuse vključuje stikalni napajalnik za znižanje napetosti (»Buck Converter«), ki omogoča priključitev neposredno na električno omrežje vozila, poleg tega pa ima tudi naknadne linearne regulatorje za notranjo napajalno napetost in napajanje zunanjega mikrokrmilnika. Vgrajeno vezje za zvišanje napetosti proizvaja krmilne napetosti za vrata stikalnih tranzistorjev. Oba stikalna regulatorja imata vgrajene tranzistorje FET, zato je potrebnih le nekaj zunanjih komponent.
Z zunanjim tranzistorjem MOSFET je mogoče sistem z integriranim vezjem iFuse zaščititi pred napačno polariteto. Integrirano vezje iFuse deluje neprekinjeno od napajalne napetosti 3,5 V naprej tudi takoj po vklopu, tako da prenese tudi padec napetosti zaradi zagona (»Cold Cranking«).
Zaznavanje obloka
V kombinaciji z inteligentnim bremenom, ki je povezano z vodilom, omogoča sistem iFuse tudi prepoznavanje obloka. V ta namen se v mikrokrmilniku z integriranim vezjem iFuse in v pametnem bremenu merita napajalna napetost ter tok. Obe vrednosti se primerjata v mikrokrmilniku sistema iFuse. Če je tok bremena manjši od toka, ki ga izmeri sistem iFuse, to pomeni oblok vzporedno z bremenom. Če je napajalna napetost na bremenu manjša od napajalne napetosti, ki jo izmeri sistem iFuse, je lahko za to kriv zaporeden oblok.
Dodatna možnost za prepoznavanje obloka je spektralna analiza napajalne napetosti ali toka bremena. To nalogo lahko prevzame mikrokrmilnik z možnostjo obdelave DSP v krmilniku sistema iFuse. Integrirano vezje iFuse mu v ta namen zagotavlja potrebne izmerjene signale, ki so točni do visokih frekvenc. Pri bremenih, ki nimajo lastne »inteligence« ali nimajo možnosti komunikacije, to pogosto popolnoma zadostuje v kombinaciji s pretokovnim nadzorom.
Značilnosti:
- Štirje neodvisni kanali
- Integrirano vezje SBC (System Basis Chip) za elektronske varovalke za napetosti od 12 do 48 V
- Napetostno območje do 70 V
- Mehki vklop velikih kapacitivnih bremen
- Dvosmerno merjenje toka brez zunanjih souporov
- Pametna izbira merilnega območja za največjo možno točnost merjenja pri vsakem toku
- Napajanje za mikrokrmilnik in močnostne tranzistorje MOSFETNapetostno območje navzdol do 3,5 V
- Varnostni časovnik za nadzor mikrokrmilnika
- Vgrajena temperaturna tipala
- Nadzor napajalne napetosti
- Vmesnik SPI za povezavo z nadrejenim mikrokrmilnikom
- Ločeni signali o stanju za vse štiri kanale
- Majhno ohišje TQFP64epad
Zaščitne funkcije:
- Samostojna pretokovna zaščita brez posredovanja mikrokrmilnika
- Vse funkcije varovanja navzdol do napajalne napetosti 3,5 V
- Zaznavanje in izklop previsokih tokov v manj kot 10 µs
- Prepoznavanje in zaščita pred napačno polariteto
- Prepoznavanje in izklop v dejavnem načinu ter spanju
- Ločeno prepoznavanje previsoke temperature vgrajenih gonilnikov za vrata
- Podpira prepoznavanje obloka brez vpliva na varovalno funkcijo
Pregled prednosti:
- Ena rešitev za pametne varovalke je primerna za vsa nizkonapetostna električna omrežja vozil
- Majhen potreben prostor zaradi visoke integracije
- Robustno napajanje s tehničnimi specifikacijami za avtomobilsko industrijo
- Načini varčevanja z energijo za energetsko učinkovitost
- Preprosta diagnostika sistema
- Hitro in točno merjenje toka brez zunanjih komponent
- Možnost obojestranskega izklopa kot pri varovalki
