OFF-ROAD PL MAGAZYN 4x4 | CHALLENGE&INDEPENDENCE
Search
Logo OFF-ROAD.PL magazyn 4x4

Wyższe napięcie, nowe możliwości. Instalacje 48V

Obecnym standardem w samochodowych instalacjach elektrycznych jest napięcie 12 V. Niektórzy mają lub pamiętają pojazdy, w których używano 6 V lub 24 V. Jesteśmy świadkami rewolucji w instalacjach, polegającej na zastosowaniu napięcia aż 48 V. Dzięki wyższej efektywności możliwe jest wprowadzenie rozwiązań, które były dotąd niedostępne ze względu na ograniczenia niższego napięcia. Poniżej przedstawiamy kilka z nich.

Pęd do podwyższenia napięcia – aż czterokrotnego – będzie zrozumiały, jeśli zapoznamy się z podstawowymi prawami dotyczącymi przepływu prądu elektrycznego. W przypadku prądu stałego, jaki jest przecież używany w motoryzacji, obowiązuje prosta zależność pomiędzy mocą, prądem i napięciem: moc jest iloczynem napięcia instalacji i prądu przepływającego przez odbiornik. Aby móc zwiększyć moc przy danym napięciu, trzeba zwiększać przepływ prądu. Oznacza to konieczność zwiększania grubości przewodów lub godzenia się ze stratami wynikającymi z większych oporów. W efekcie instalacja o niskim napięciu nie pozwala na dowolne zwiększanie mocy odbiorników, gdyż natrafia na barierę wydajności zasilania. Jeśli jednak podwyższy się napięcie zasilania, otwierają się nowe możliwości – urządzenia elektryczne mogą być bardziej kompaktowe lub mocniejsze. Dzięki wzrostowi wydajności, projektanci mogą tworzyć odbiorniki mniejsze, czyli tańsze, lub mocniejsze przy zachowaniu dotychczasowych wymiarów. Wreszcie możliwe jest stworzenie bardzo mocnych napędów czy generatorów, które byłyby zbyt rozbudowane w przypadku pozostania przy napięciu 12 V.

Hybrydy

Najbardziej oczywistym zastosowaniem dla podwyższonego napięcia są układy hybrydowe wymagające dużych mocy rzędu kilkunastu kilowatów. W przypadku 12 V takie parametry wymagałyby ogromnych przekrojów przewodów zdolnych podołaniu wielkim natężeniom prądu. Dużym rozmiarom towarzyszyłyby też nieuchronne straty mocy i konieczność poradzenia sobie z odpowiednim odprowadzeniem ciepła.

Duże moce przenoszone przez napęd paskowy wymuszają duże kąty opasania i rozbudowane systemy napinania

Zwiększenie napięcia pozwala na zmniejszenie zarówno rozmiarów, jak i strat. Urządzenia pracujące przy 48 V mogą być mniejsze, a ich kompaktowość wiąże się nie tylko z niższym kosztem budowy, ale i pozwala na łatwiejszą zabudowę w coraz ciaśniejszych komorach silników.

 

Wszystko to sprawia, że dzięki 48 V można spodziewać się coraz większego rozpowszechnienia prostych układów napędów hybrydowych, tzw. mild hybrid. Prostota tego rozwiązania polega na połączeniu jednostki spalinowej z generatorem będącym jednocześnie silnikiem. W odróżnieniu od dotychczasowych hybryd, połączenie to jest realizowane w najprostszy sposób – bez użycia skomplikowanych, a więc drogich zespołów przekładni mechanicznych. Konstruktorzy wybierają dwa sposoby na takie sprzęgnięcie: za pomocą paska lub na wale korbowym.

W przypadku użycia paska konstrukcja silnika i skrzyni biegów nie zmienia się, a nawet upraszcza gdy można zrezygnować z konwencjonalnego rozrusznika. Jego funkcję przejmuje alternator-rozrusznik, który oprócz natychmiastowego i płynnego rozruchu potrafi też „dopędzać” jednostkę spalinową energią elektryczną pobieraną z akumulatora. Energia ta jest magazynowana nie tylko w trakcie pracy silnika, ale także podczas rekuperacyjnego hamowania – tak jak na hybrydę przystało.

Elektryczne „turbo” jest niezależne od przepływu spalin

Jak można się domyślić, napęd paskowy oprócz swych zalet ma też wymagania. Oczywistością jest konieczność sprostania kilku lub nawet kilkunastokilowatowym obciążeniom. Szczególnie ważne jest więc odpowiednie naprężenie paska, co ma zapewnić ścisłe opasanie kół pasowych oraz rozbudowany i wytrzymały napinacz. W niektórych rozwiązaniach przewiduje się użycie swoistego tłumika drgań, których można spodziewać się podczas zmiany obciążeń silnika i alternator- rozrusznika. Kompleksowym rozwiązaniem tego problemu jest przeniesienie całego urządzenia na wał silnika.

Odpada wtedy napęd pośredni, aczkolwiek taki ruch wymusza skonstruowanie na nowo tyłu silnika – przed kołem zamachowym umieszcza się całą część elektryczną. Można spodziewać się, że ciasna zabudowa może przysporzyć kosztownych niedogodności serwisowych, podobnych do umieszczenia napędu rozrządu z tyłu silnika. Niezależnie od sposobu napędu, regułą jest użycie chłodzenia cieczą. Jest to pewna dodatkowa [su_tooltip style=”blue” position=”north” size=”1″ title=”komplikacja*” content=”Chłodzenie cieczą alternatora spotyka się też w instalacjach 12 V.” class=”dymek”]komplikacja*[/su_tooltip] , ale z drugiej strony wydajność instalacji 48 V pozwala na optymalizację reszty osprzętu.

Elektryczny stabilizator

Zmiana napędu osprzętu na elektryczny umożliwia łatwe dostosowanie jego wydajności do aktualnych potrzeb – łącznie z wyłączeniem. Przykładem mogą być wszelkie pompy: oleju czy cieczy chłodzącej. Gdy są niezależne od obrotów silnika i jego pracy, mogą zapewnić właściwy wydatek w każdym momencie. Ma to szczególne znaczenie w układzie chłodzącym mocno wysilonych jednostek poddanych downsizingowi, w którym często jest kilka obiegów wymagających niezależnego od siebie przepływu, często koniecznego także po wyłączeniu silnika. Innym elementem układu chłodzenia jest wentylator chłodnicy – chociaż elektryczny napęd nie jest żadną nowością, to napięcie 48 V pozwala na wydatne zwiększenie jego mocy.

Wbrew pozorom instalacja 48-woltowa może uprościć konstrukcję pojazdu

 

Uproszczenie napędu jest możliwe w przypadku klimatyzacji – lokalizacja napędzanego elektrycznie kompresora jest zupełnie niezależna od silnika spalinowego. Uniezależnienie to daje pole do popisu konstruktorom bardzo rozbudowanych i wielostrefowych układów klimatyzacji całego wnętrza. Warto też zauważyć, że „dzięki” optymalizacji silników skuteczność ogrzewania korzystającego z ciepła układu chłodzenia coraz bardziej spada i konieczne staje się używanie dogrzewaczy – w przypadku elektrycznych większa wydajność instalacji 48 V może być sposobem na ciepło w kabinie.

[su_note note_color=”#a6c727″ text_color=”#ffffff” radius=”0″]

Dlaczego 48 V

Konstruktorzy od dawna zdawali sobie sprawę z ograniczeń wydajności instalacji 12 V. Z tych też powodów w dużych pojazdach użytkowych, wymagających odpowiednio mocnego zasilania, powszechnie stosuje się instalację 24-woltową. W połowie lat 90. zaczęto prace nad nowym standardem napięcia. Początkowo wybrano napięcie 42 V – jako trzykrotną wartość 12 V. Obecnie jednak ustanowiono 48 V, jako najbliższe uznawanemu za graniczne bezpieczne napięcie 50-60 V. Użycie napięcia 48 V pozwala na uniknięcie kosztownych wymagań dotyczących niebezpiecznych napięć: specjalne przewody i połączenia oraz serwisowanie. Dzięki temu 48 V stało się faktycznym standardem coraz większej liczby producentów, którzy już wprowadzili takie instalacje do dostępnych na rynku pojazdów.

[/su_note]

 

Elektrycznie sterowany stabilizator może aktywnie zapobiegać przechyłom nadwozia na zakrętach.

Doładowanie

Innym ważnym elementem silnika, w którym swoją szansę ma instalacja 48-voltowa jest doładowanie. Bardzo wydajne i wysokoobrotowe silniki elektryczne pozwalają na wbudowanie w turbosprężarkę lub sprężarkę. W przypadku turbosprężarki jednostka elektryczna może pełnić funkcję generatora, zapewniając energię, gdy strumień spalin przekracza zapotrzebowanie turbiny na doładowanie sprężarką. Silnik elektryczny napędzający sprężarkę może być też wyłącznym źródłem jej napędu – mamy wtedy przykład e-turbo, którego wydajność w ogóle nie zależy od ilości spalin. Jeśli zaś będziemy elektrycznie napędzać wirnik turbosprężarki, pozbędziemy się zjawiska turbodziury.

Podwozie

Perspektywy związane z wyższym woltażem są bardzo zachęcające nie tylko pod maską samochodów. Również technika podwoziowa jest gotowa na przyjęcie nowych możliwości. Wśród nich są bardzo ciekawe rozwiązania zawieszenia wykorzystujące aktywne wpływanie na jego parametry pracy oraz odzyskiwanie dotychczas traconej energii. W produkcji są już aktywne stabilizatory, w których silników elektrycznych używa się do czynnego przeciwdziałania przechyłom. Rozwiązanie to przypomina znane już od dawna stabilizatory z hydraulicznymi elementami wykonawczymi. Nowością są za to elektryczne amortyzatory.

Akumulator i elektronika sterująca napięciem 48 V często znajduje się nad tylną osią

Zamiast tradycyjnych rurowych cylindrów wykorzystują one układ [su_tooltip style=”blue” position=”north” size=”1″ title=”ramieniowy*” content=”Dawniej stosowane amortyzatory ramieniowe wykorzystywały tłumienie cierne lub hydrauliczne.” class=”dymek”]ramieniowy*[/su_tooltip] . Dźwignie połączone z zawieszeniem przenoszą jego przemieszczenia przez przekładnie do układu elektrycznego. Układ potrafi nie tylko przyjmować energię mechaniczną i zamieniać ją na elektryczną, ale może być użyty do aktywnego wpływania na pracę zawieszenia. Dzięki temu energia drgań jest pożytecznie magazynowana i może być użyta do amortyzacji. Zajmuje się tym oczywiście odpowiednie oprogramowanie sterujące, które potrafi uzyskać efekty nieosiągalne w tradycyjnych amortyzatorach.

Chociaż rozpiętość skuteczności rekuperacji jest ogromna – od 3W do 613 W – to praktyczne próby na zwykłych drogach dały bardzo zachęcające rezultaty – od 100 do 150 W. Takie wyniki mają przełożyć się na oszczędności sięgające nawet 0,7 l/100km i mniejszą o 3 g emisję CO2. W świetle rozpaczliwej walki o spełnienie rygorystycznych norm spalin można spodziewać się rozpowszechnienia takiego rozwiązania – najpierw w najdroższych modelach, a później w bardziej popularnych.

Inną zaletą elektrycznych amortyzatorów jest ich łatwa zabudowa – zamiast przymusu odpowiedniej geometrii pracy teleskopów możliwa jest praktycznie dowolna konfiguracja (wystarczy tylko bezpośrednia bliskość dźwigni i zawieszenia). Daje to większą swobodę przy kompozycji otoczenia osi – nie do przecenienia przy projektowaniu tylnej kanapy czy bagażnika.

[su_note note_color=”#a6c727″ text_color=”#ffffff” radius=”0″]

Łagodna hybryda

Mild hybrid nie pozwala wprawdzie na jazdę w pełni elektryczną, ale oferuje większość zalet pełnej hybrydy za znacznie mniejszą cenę. Wśród zalet jest możliwość jazdy w trybie żeglowania, czyli tzw. wybiegiem – kiedy auto toczy się siłą rozpędu z wyłączonym silnikiem. Zastosowanie alternatora z funkcją rozrusznika pozwala na pełne sterowanie procesem rozruchu w takich warunkach – nie tylko podczas postoju. Możliwy jest więc szybki lub łagodny start – w zależności od potrzeb, które przewiduje oprogramowanie sterujące systemem start- -stop. W przypadku dużego pojazdu można liczyć na oszczędności rzędu 0,7 l/100 km.

[/su_note]

Obecnie prowadzone są również prace nad dalszą elektryfikacją zawieszenia, właśnie dzięki 48 V. Zamiana elementów sprężystych – stalowych czy pneumatycznych na siłowniki elektryczne pozwala na połączenie funkcji resorujących z tłumiącymi. Co więcej, tak wyposażone zawieszenie może być rzeczywiście aktywne. Mając 48 V, można zamienić układ kierowniczy na w pełni elektryczny – bez jakiegokolwiek mechanicznego połączenia pomiędzy kierownicą a zwrotnicami. Wizja ta jest nieco niepokojąca, ale przykład lotniczych technologii sterowania fly-by-wire otwiera zupełnie nowe możliwości. Podobne zakusy konstruktorzy mają na w pełni elektryczny – bez jakiejkolwiek hydrauliki – układ hamulcowy.

Alternator-rozrusznik 48 V niewiele zmienia w zabudowie silnika

Składniki

Instalacja elektryczna 48 V nie eliminuje całkowicie dotychczasowej, 12-voltowej. Z takim napięciem będzie pracować jeszcze część obwodów, niewymagających dużych mocy, gdyż pełne przejście na 48 V byłoby zbyt kosztowne. Niższe napięcie pozostanie np. w sterowaniu fotelami czy szybami oraz w zestawie wskaźników. Dwunapięciowość instalacji wymaga oczywiście odpowiedniego układu sterującego, konwertera napięć stałych 48V/12V i akumulatora 12 V. Nie jest to jednak niczym dziwnym – w pełnych hybrydach także spotyka się tradycyjny akumulator. W układzie mild hybrid jest on wtórny wobec głównej baterii – najczęściej z ogniw [su_tooltip style=”blue” position=”north” size=”1″ title=”litowo-jonowych*” content=”Ogniwa litowo-jonowe w niekorzystnych warunkach eksploatacji mają gorsze parametry a przegrzane grożą pożarem.” class=”dymek”]litowo-jonowych*[/su_tooltip]. Bateria ta jest połączona ze sterownikiem kontrolującym proces ładowania i oddawania energii, temperaturę i ogólnie stan ogniw. Obudowa baterii 48 V nie jest prostą skrzynką na ogniwa, jak w zwykłym akumulatorze. Ze względu na specyfikę ogniw litowo-jonowych musi zapewnić im odpowiednią temperaturę i odporność na uszkodzenia. Oznacza to nie tylko solidną budowę i montaż w bezpiecznym miejscu, ale także instalację systemu chłodzenia.

Przyszłość?

Sprawa przyszłości 48 V jest już przesądzona i dzieje się na naszych oczach. Kwestią jest jedynie to, jak szybko takie układy trafią do najtańszych modeli. Pozostaje mieć nadzieję, że wkrótce pojawią się 48-voltowe przyłącza i zasilane w ten sposób wyciągarki i kompresory. Ξ

autor: Michał Pierewicz, zdjęcia: producenci

...a może to też Cię zainteresuje:

Volvo V70 XC
Volvo XC

SUV według Volvo Historia linii XC nie jest zbyt długa, gdyż obejmuje modele stworzone po 1998 roku. W tak krótkim

Czytaj dalej >>