Nya fordonsmodeller med elmotorer är bilfabrikanternas fyrtornsprojekt, speciellt mot bakgrund av debatterna kring förbränningsmotorer i allmänhet och dieselmotorer i synnerhet. Fabrikanter anpassar sig efter beslutsfattare och erbjuder premier för att fresta köpare. Achim Groß, FAE hos Arrow Electronics, gör här en genomgång av vad som är rimligt på kort och lång sikt.

Bilen har sedan starten genomgått en dramatisk utveckling

Vissa länder avser att sluta tillåta fordon med förbränningsmotorer efter 2025. Stadsförbud mot dieselfordon hotar individuell rörlighet och det verkar bara vara en tidsfråga innan elbilar är vårt enda rationella alternativ.

Faktum kvarstår dock att den nödvändiga infrastrukturen för att ladda ett stort antal elbilar inte kan skapas ens på medellång sikt, utom möjligen i storstadsområden. Dessa områden kan också dra nytta av elfordonens lokala nollutsläpp, och den relativt begränsade räckvidden är ett mindre problem. För långresor och utanför storstadsområden kommer dock förbränningsmotorn forsätta att vara fördelaktigast.

WKMs ståndpunkt
WKM, ett respekterat vetenskapligt samfund specialiserat på fordons- och motorteknik, gör tre påståenden angående förbränningsmotorns framtid. För det första att förbränningsmotorn kommer att fortsätta driva rörlighet, kommersiell transport och mobila maskiner. Dess roll kommer att kompletteras av elektriska motorer, men inte ersättas av dem. Fortsatt utveckling av drivsystem, oavsett teknik, är en förutsättning för en framgångsrik klimatpolitik och ett välmående samhälle. Förbud kan tvärtom uppnå det motsatta.

För det andra att skadliga utsläpp från förbränningsmotorer i framtiden är mycket låga, och utsläpp kommer att upphöra att vara ett argument mot diesel- och bensinmotorer. Dagens teknik säkerställer redan att gränsvärden för skadliga utsläpp kan värnas utan undantag. Svaga punkter som upptäcks i efterhand blir irrelevanta i framtiden. Intensiv forskning kan visa att miljömässigt neutrala förbränningsmotorer är fullt möjliga.

För det tredje att förbränningsmotorns främsta fördel är dess effektiva och flexibla användning av bränslen med hög energitäthet och utmärkt lagrings- och distributionspotential. Dessa egenskaper var grunden för förbränningsmotorns ständiga utveckling, och idag kan förbränningsmotorn skryta med koldioxidutsläpp som holistiskt sett är lägre än för alternativ teknik. Flexibiliteten i att även kunna använda icke-fossila och därmed koldioxidneutrala bränslen är ytterligare en garanti för teknikens långsiktiga hållbarhet.

Mikrohybrid
I EU är sedan 2015 de tillåtna utsläppsnivåerna för koldioxid 130 g/km för personbilar och 175 g/km för lätta nyttofordon. I strävan att uppfylla dessa mål med traditionella förbränningsmotorer har olika åtgärder vidtagits för att begränsa deras skadliga utsläpp. Dessa inkluderar: avgasåterledning; SCR-katalysatorer; kontrollerat kylvätskeflöde; högtrycksbränsleinsprutning; dubbla tändstift; variabel ventilstyrning och cylinderavstängning; och turboaggregat.

Åtgärder har också tagits för att minimera fordonets elektriska effekt och därigenom den mekaniska kraft som generatorn kräver. Exempel på detta är: styrning av motorer och pumpar; styrservon; start/stopp-system; LED-belysning; och batteriladdning enbart genom regenerativ bromsning.

Fordon som använder dessa tekniker kallas mikrohybrider. De flesta teknikerna baseras på intelligent styrning av motorer, klaffar och ventiler. En typisk design för ett styrsystem visas i fig 1.

Fig. 1: Blockschema över ett elektriskt fordons styrsystem

Kommunikationen mellan mikrokontroller och in-vehicle-nätverket (IVN) sker via gränssnitten CAN eller LIN (i undantagsfall kanske även Flexray, SENT, PSI5 eller PWM). Fysisk koppling sker via en transceiver.

Små LIN-noder behöver endast en 8-bitars mikrokontroller; CAN-noder har vanligtvis 32-bitars kontroller med AUTOSAR-programvara. Strömförsörjningen för mindre elektroniska styrenheter är via Ldo; switchande kraftaggregat används vid högre effektkrav. Inkapslade metallkompositinduktorer (MCI) används ofta; kondensatorn är av aluminiumelektrolyt- eller hybridtyp, efter behov.

Kraftaggregat och kablage måste skyddas mot överspänning. För detta finns tillgängligt både ett stort antal lämpliga TVS-dioder samt filterkomponenter som Common Mode Chokes (CMC) för CAN-bussen. Kraftaggregatet kan integreras i tranceivern och alla andra funktioner som watchdog och HV I/O kan också ingå i denna modul. Detta kallas då för System Basis Chip (SBC).

Om även mikrokontroller integreras kallas det en inbyggd MCU eller SiP-modul (System in Package). Dessa finns också tillgängliga med integrerade motordrivare, till exempel 3-fas motorbryggor. Endast MOSFET och sensorer (t ex vinkelgivare eller hallbrytare) behövs då för att styra en motor.

Fig 2 visar exempel på det stora utbudet av komponenter för fordonsapplikationer som är tillgängliga från en olika tillverkare.

Fig. 2: Tillverkare av komponenter för styrsystem för fordon (Arrow Electronics) (klicka för större bild)

Mildhybrid
EUs koldioxidmål för 2020 på 95 g/km för personbilar och 147 g/km för lätta nyttofordon kan inte uppnås enbart med dessa åtgärder. Koldioxidutsläppen kan minskas med cirka 15 procent genom energiåtervinning vid bromsning eller rullning utan frikoppling, om denna energi används igen för acceleration. Dessa egenskaper används i mildhybridfordon.

Användning av ett större 12 V-batteri och en motor/generator i drivkedjan kommer inte att vara möjligt på grund av för höga effekter och strömmar. En kombination av högspänningsdrivna motorer med en förbränningsmotor är inte ett alternativ på grund av kostnaden och det önskade högspänningsskyddet.

Ett 48 V kraftaggregat är ett alternativ för att möjliggöra ett relativt billigt införande av de nödvändiga funktionerna och göra fordonet till en mildhybrid. Denna spänning är också lämplig för andra energikrävande laster, som radiatorfläktar, luftkonditioneringskompressorer, värmare, vattenpumpar och styrservomotorer. Det elektriska turboaggregatet, aktiv fjädring, fönsteruppvärmning, kupévärmning och säkerhetsbältesdragare har också nytta av denna spänningskälla.

Blockschemat för ett 48 V-styrsystem behöver till en början inte skilja sig från 12 V-systemet i Fig. 1. Men utbudet av komponenter som kan drivas direkt med 48 V är för närvarande mycket begränsat. SiP-moduler är inte tillgängliga för detta spänningsområde, vilket innebär att de antingen måste drivas via en spänningsregulator eller helt ersättas med diskreta komponenter.

Tillverkarna har lämpliga komponenter planerade, även om utbudet av spänningsregulatorer och motordrivare för fordon för närvarande är begränsat. Leverantörer som Arrow kan hjälpa användare att hitta den bästa lösningen och få de första provexemplaren av sådana moduler under projektfasen, ibland långt innan komponenterna finns på tillverkarnas webbplatser.

Spänningståligheten som krävs av transceivrar (främst CAN) i deras specifika tillämpningar måste också beaktas. Inte bara tålighet för matningsspänningen, utan även för de maximala spänningarna på CAN-linjerna.

48 V MOSFET-serien är relativt omfattande. Tillverkare använder modern trench-teknik för detta spänningsområde. Bortsett från motordrivare finns mycket få alternativa kontrollers på marknaden. Nya komponenter är under utveckling.

Fig 3: MOSFET för 48 V; Källa: Infineon

Elsystem för 48 V med motor / generator innehåller ytterligare komponenter, bland annat:
* DC / DC-omvandlare 12 V / 48 V med skydd för omvänd polspänning.
* Batteriisolator och laddningshanterare för 48 V Li-Ion (BMS)
* Motorregulator och generatorlikriktare för ca. 10 kW (DC / AC).
* Säkringar och motorregulatorer för de olika lasterna.

Fig. 4: Komponenter i ett fordons 48 V elsystem

Batterihanteringen kräver bland annat mycket noggrann mätning av enskilda cellspänningar; speciella moduler används här. Externa komponenter kommer att krävas för cellbalansering genom att antingen omvandla överskottsbelastning till värme (passiv balansering) eller för att ladda celler som behöver det (aktiv balansering).

Alla andra funktioner implementeras huvudsakligen via MOSFET i en- eller flerfasiga brokonfigurationer som styrs med hjälp av relevanta grinddrivare.

Enskilda funktioner i ett fordons 48 V-system måste ofta uppfylla funktionella säkerhetskrav i ISO 26262 enligt nivåerna ASIL A-D. Särskilda mikrokontroller används i kritiska ASIL C- eller D-applikationer, eventuellt kombinerade med felsäkra SBC eller felsäkra DC / DC-omvandlare efter behov.

Fig 5: Lockstep mikrokontroller för ASIL D applikationer, Källa: Infineon

Fig 6: Felsäker SBC; Källa: NXP

Detta extra elsystem kan anpassa fordon med konventionell förbränningsmotor till framtida krav. Små bilar och elbilar behöver inte detta elsystem.

Dessa fordons livslängd kommer att bero på vilka lagar och andra författningar som gäller efter 2020. Koldioxidvärdet är bara en variabel här; mätcykeln kommer att vara avgörande.

Achim Groß, Field Application Engineer Automotive, Arrow Electronics

Filed under: Fordonselektronik