Architektury elektryczne rzędu 300 V, 500 V czy nawet 650 V przyczyniają się do oszczędniejszego zużycia paliwa, zwiększenia niezawodności i rozszerzają możliwości użytkowe samochodów
Szalejąca burza przerywa dopływ prądu w twoim domu, a w lodówce masz mleko, jajka i mięso, które mogą ulec zepsuciu. Co możesz zrobić w takiej sytuacji?
Jeżeli twój pojazd ma możliwość podłączenia do sieci 110 V, możesz wyjąć jedzenie, podłączyć do samochodu turystyczną lodówkę i w ten sposób ratować się w podobnej sytuacji. Coraz więcej takich scenariuszy może stać się rzeczywistością, szczególnie, kiedy na rynek wejdą wysokonapięciowe pojazdy hybrydowe. Przy elektrycznych architekturach, obsługujących 300, 400, 500 lub 600 woltów, ta nowa klasa pojazdów hybrydowych będzie oferowała znacznie więcej mocy dodatkowej niż konwencjonalne samochody i może się przyczynić do wynalezienia najróżniejszych nowych zastosowań. Niektóre pojazdy dysponują tak wielkim zapasem mocy, że kierowca ciężarówki może sobie pozwolić na uruchomienie systemu klimatyzacyjnego podczas drzemki, bez potrzeby włączania silnika! Mogą też umożliwiać elektryczne wspomaganie kierownicy w pojazdach klasy SUV. Pozwolą przedsiębiorcom na zasilanie narzędzi elektrycznych, zwolennikom wypoczynku na świeżym powietrzu – na włączenie ogrzewania. Producentom samochodów – na zainstalowanie wstępnie podgrzewanych katalizatorów, co obniży emisję spalin przy każdym włączeniu silnika. Mogą także stanowić podstawę dla technik przyszłości, takich jak elektryczne systemy hamowania i sterowania.
– Jeżeli w twoim pojeździe dysponujesz architekturą elektryczną o wyższym napięciu, to otwiera się przed tobą duży wachlarz możliwości – zauważa A. J. Lasley, główny inżynier działu zaawansowanych napędów i elektroniki mocy w Delphi Corp. – To jest jedna z korzyści, jakie dają napędy hybrydowe.
W rzeczywistości, hybryda Forda o nazwie Escape już wykorzystuje architekturę 330 V, która daleko wyprzedza architektury 42 V, proponowane jeszcze kilka lat temu, i zostawia daleko w tyle dzisiejsze konwencjonalne samochody z ich napięciem 12 V. Podobnie Toyota Prius pracuje na architekturze 500 V, podczas gdy mający wkrótce wejść na rynek hybrydowy SUV Lexus obiecuje system napięciowy rzędu 650 V. Inżynierowie uwielbiają te wysokonapięciowe architektury z prostego powodu – ich mocy. Zastosowany w Fordzie Escape system 330 V pozwolił inżynierom Forda wyposażyć ich hybrydę w 2,5 kW dodatkowej mocy, a więc o około 60 procent więcej niż jest to dostępne w konwencjonalnych samochodach. Ale to tylko przedsmak tego, co nas czeka. Niektórzy inżynierowie napomykają już o 10 lub nawet 20 kW w ciągu kilku następnych lat.
– W pojazdach przyszłości moc dodatkowo dostępna będzie wzrastać, począwszy od poziomu ośmiu do dziesięciu kilowatów – mówi Tom Watson, dyrektor Działu Hybrydowych Systemów Napędu w Ford Motor Co. – Ponieważ oczekuje się od nas opracowania modeli mających starczyć na wiele lat, chcemy więc mieć wystarczająco dużo mocy, aby zaspokoić oczekiwania konsumentów, o których dziś nikt nawet nie myśli.
Powyżej 42 V Chociaż nie wszyscy specjaliści z branży motoryzacyjnej są zgodni co do tego, że opisany tu trend zaowocuje mnóstwem nowych, przydatnych użytkownikowi funkcji, to jednak większość z nich potwierdza, że dodatkowa moc na pewno wystarczy na zaspokojenie tak potrzebnej dodatkowej rezerwy. W przypadku dzisiejszych konwencjonalnych pojazdów, oferujących minimalną moc 1,5 kW, inżynierowie skarżą się, że wciąż natrafiają na ograniczenia, kiedy usiłują zastosować w samochodach dodatkowe ulepszenia, na przykład podgrzewane fotele, system kierowania wspomagany elektrycznie, elektryczną klimatyzację czy podgrzewane wstępnie katalizatory.
Dlatego właśnie wielu producentów samochodów wsparło w roku 1999 pomysł architektury elektrycznej o napięciu 42 V. Mając perspektywę wyłaniających się zza horyzontu i pożerających energię technologii drive-by-wire, troska o gospodarowanie energią doszła do takiego punktu, w którym wielu inżynierów stwierdziło, iż architektura 42 V jest nieuchronna. Ale większość tych wysiłków zakończyła się… fiaskiem!
Konstruktorzy samochodowi twierdzą, że głównym powodem klęski architektury 42 V są jej koszty. Zamiast dokonywać kosztownych wysiłków, zmierzających do przystosowania wszystkich konwencjonalnych samochodów do napięcia 42 V, konstruktorzy zastosowali środki tymczasowe – inteligentniejsze sterowniki i wydajniejsze alternatory – jako tańszy sposób rozwiązania tego dylematu.
– To jest naturalne zjawisko, towarzyszące projektowaniu – twierdzi Watson. – Nie ma to, jak zagrożenie ze strony nowej technologii, które zawsze wpływa stymulująco na rozwój innowacji w starej technologii.
Jeśli chodzi o pojazdy hybrydowe, to już jest całkiem inna historia. Prace nad tymi napędami są zasadniczo wymuszane przez wzrastającą potrzebę oszczędności w zużyciu paliwa i ograniczenie emisji zanieczyszczeń. W następstwie tego konstruktorzy w firmach samochodowych tworzą swoje nowe hybrydy od podstaw, skupiając uwagę na konstruowaniu pojazdów, które w pełni wykorzystają prąd elektryczny. W wielu przypadkach, nowy rodzaj hybryd wykorzystuje silniki napędowe o dużej mocy i wymyślne systemy odzysku energii podczas hamowania, jak też złożone sterowniki, rozdzielnie mocy, inwertery i systemy chłodzące.
– Obecnie dostrzegamy dążenie producentów samochodów do pójścia w kierunku dużych maszyn elektrycznych – zauważa Mike Gauthier, dyrektor technologii korporacyjnej w amerykańskiej filii Siemens VDO Automotive.
W rezultacie producenci systemów hybrydowych dążą do zbudowania samochodów z architekturami wysokonapięciowymi. Model Escape i nowszy – Marines Forda już mają architektury 330 V. Co więcej, kilka wytwórni samochodów opracowuje pojazdy z architekturami elektrycznymi w zakresie 500 do 650 V. We wrześniu na frankfurckim Auto Show, Siemens VDO pokazał modularną koncepcję napędu hybrydowego, przewidując pojawianie się pełnych hybryd o elektrycznej mocy wyjściowej 75 kW do 2008 r.
Miejsce na nowe udoskonalenia Wraz ze wzrastającą dostępnością takich systemów producenci i sprzedawcy twierdzą, że mogą teraz myśleć o takich prądożernych udoskonaleniach samochodu, których przedtem nie można było zainstalować. Najważniejszym z nich jest elektryczne wspomaganie k i e r o w n i c y. Wi e l u producentów samochodów chce zainstalować elektryczny system kierowania już w dzisiejszych samochodach, ale stwierdzili, że jest to zadanie prawie niemożliwe w większych pojazdach, szczególnie klasy SUV, które już stoją na krawędzi przekroczenia ich bilansu mocy – 1,5 kW.
– Jednym z ograniczeń elektrycznego wspomagania kierownicy jest brak możliwości wmontowania go do większego pojazdu czy ciężarówki – mówi Robert Schumacher, dyrektor ds. rozwoju Zaawansowanych Produktów i Strategii Biznesowej w Delphi Corp. – W wielu przypadkach bowiem może to spowodować przeciążenie systemu elektrycznego w momentach szczytowych.
Wraz z przyszłościowym bilansem mocy, przekraczającym 10 kW, projektanci pojazdów hybrydowych nie muszą się już troszczyć o wpływ elektrycznego sterowania na bilans mocy. W takich przypadkach, jak mówią eksperci, samochód z wysokonapięciową architekturą może używać elektrycznego silnika układu kierowniczego wraz ze światłami stopu, podgrzewanymi siedzeniami, odmrażaniem tylnej szyby i silnikami sterującymi oknami bez obawy o przeciążenie. Natomiast zadaniem zaawansowanych sterowników dzisiejszych samochodów jest… niedopuszczenie do jednoczesnego działania wszystkich tych udogodnień.
Konstruktorzy samochodowi twierdzą, że większy bilans mocy może też umożliwić wprowadzenie niektórych nowych rozwiązań, jak na przykład wstępnego podgrzewania katalizatora ograniczającego emisję spalin krótko po włączeniu silnika, pokładowego podłączenia prądu zmiennego do zasilania dodatkowych elektrycznych narzędzi i drobnych urządzeń, systemu zmiennego sterowania zaworami, który polepsza osiągi silnika, a także elektrycznych systemów klimatyzacyjnych, które zyskują sobie coraz większą popularność w kręgach miłośników samochodów.
Wysokonapięciowe architektury mogą też służyć w ciężarówkach, szczególnie w takich, które są wyposażone w kabiny sypialne. Kierowcy mogą w nich używać ogrzewania lub klimatyzatorów podczas drzemki nie włączając silnika w celu uzupełnienia zapasów mocy.
– Włączanie silnika jest bardzo nieekonomiczne, a ponadto powoduje mnóstwo zanieczyszczeń – mówi Schumacher. – Jeżeli mieliby hybrydę z dużym zapasem mocy elektrycznej, mogliby używać klimatyzatora lub grzejnika bez tych wszystkich emisji, nie marnując benzyny.
Konstruktorzy samochodowi twierdzą też, że wysokonapięciowe hybrydy oferują producentom samochodów możliwość podniesienia niezawodności. Dzięki zastosowaniu konwerterów prądu stałego w celu zmiany napięcia w systemie z 330 V do 13,2 V, inżynierowie Forda stwierdzili wzrost niezawodności przewodów i żarówek w systemie oświetleniowym. – Światła drogowe i wszystkie inne żarówki w samochodzie są zasilane niezmiennym napięciem – mówi Watson. – Nie ma tam skoków napięcia, skutkujących przepalaniem się żarówek i skracaniem ich żywotności.
Ponadto wielu konstruktorów postrzega wysokonapięciową architekturę elektryczną jako podstawę do stworzenia całkowicie zelektryfikowanego silnika bez żadnych pasków, w którym wszystkie pompy wody, paliwa, oleju i wspomagania kierownicy wraz ze sprężarką układu klimatyzacyjnego są elektryczne. W rezultacie byłby to silnik, w którym zostałyby wyeliminowane tradycyjne paski klinowe, a także związane z nimi pasożytnicze straty.
– Jeżeli używasz całkowicie elektrycznego systemu z magistralą dużej mocy, używasz tej mocy tylko wtedy, kiedy jest ci potrzebna – mówi Schumacher. – Używasz klimatyzatora tylko razem ze sprężarką. Potrzebujesz wspomagania kierownicy tylko wtedy, kiedy musisz skręcać.
Rozważanie alternatyw Konstruktorzy samochodowi podkreślają jednak, że wymiana tych infrastruktur będzie powolna, a nowe funkcje użytkowe samochodów początkowo będą drogie. – Oczywiście silniki trakcyjne i wysokie napięcia w hybrydzie dadzą zapas mocy dla funkcji pobocznych – zauważa Bob Rivard, wiceprezes do spraw zaawansowanych technologii i marketingu produktu w Bosch Automotive. – Ale w najbliższym czasie nie powinno się widzieć tylko nieograniczonych możliwości wykorzystania tej mocy. Wciąż istnieje bowiem kwestia kosztów i naciski na optymalizację obecnych systemów. Firmy takie jak TRW Automotive wdrażają oczywiście nowe funkcje użytkowe do konwencjonalnych architektur o napięciu 12 V. Stworzone przez firmę systemy elektrohydraulicznego wspomagania kierownicy i aktywne hamulce hydrauliczne oraz układy kontroli poślizgu są ukierunkowane pod elektryczną architekturę o napięciu 12 V. Wszystkie one są zaprojektowane pod kątem hydraulicznych systemów kierowania, odzyskujących moc układów hamulcowych, sugerując, że wysokonapięciowe architektury samochodowe nie są niezbędne – przynajmniej obecnie.
– Nie ma powodów, dla których nie możemy mieć systemu hybrydowego o napięciu 12 V – mówi Phil Cunningham, dyrektor planowania produktu dla podwozia w TRW Automotive w Ameryce Północnej.
Niektórzy inżynierowie podkreślają, że systemy drive-by-wire — kiedyś uważane za główny czynnik motywacyjny do stosowania elektrycznych architektur wysokonapięciowych – nie mają w tej chwili takiego wsparcia w przemyśle, jakie kiedyś było ich udziałem. – Wysokie napięcia są dostępne dla systemów steer-by-wire i brake-by-wire, ale w kręgach przemysłowych wciąż dyskutuje się o rachunku zysków i kosztów w aspekcie możliwości sprzedaży tej technologii – zauważa Rivard z firmy Bosch. – Wciąż jeszcze nie jest to uważane za optymalne rozwiązanie.
Spojrzenie z dłuższej perspektywy czasu, lansowane przez azjatyckich producentów samochodów i przez Forda w Stanach Zjednoczonych, wskazuje na zastosowanie architektur wysokonapięciowych i na zastosowanie całkowicie elektrycznych układów dodatkowych, włączając w to pompy paliwa, wody i oleju, a także systemy klimatyzacyjne i kierowania. Wykorzystując ten schemat konstruktorzy twierdzą, że osiągną wyższą niezawodność żarówek, przełączników i przewodów, a także bardziej równomierne przebiegi prądowe i mniejsze spadki napięcia. Dodatkowo wielu producentów samochodów uważa, że systemy wysokonapięciowe będą bardziej wiarygodne, jeżeli przeorientują się w kierunku hybrydyzacji większych samochodów i ciężarówek, które potrzebują większych silników trakcyjnych.
– Hybrydy niskonapięciowe zapewnią lepszą sprawność niż ta, którą można uzyskać w samochodzie konwencjonalnym, ale wciąż jeszcze nie gwarantują dostarczenia mocy potrzebnej do pełnej hybrydyzacji. Powinno się dlatego wskoczyć na wyższy poziom, co najmniej 200 V. Przy danym spektrum napięć dostępnych w systemie elektrycznym najwyższą sprawność uzyskamy przy wysokich napięciach, więc czy jest sens tracić czas na rozważanie napięć przejściowych? – pyta Watson z Forda.
Autor: CHARLES J. MURRAY
