I fullhybrider används förbrännings- och elmotorn till att driva fordonet, i samverkan eller var för sig. I fordon med stopp/start-teknik används istället ett 48-volts mildhybridsystem. Här kompletteras förbränningsmotorn med ström från ett elmotor-/generatoraggregat på 48 volt, med förbättrad acceleration och bränsleekonomi som resultat.
Elektrifiering av komponenter, som luftkonditioneringskompressorer, servostyrningspumpar och motoroljepumpar, minskar dessutom motorbelastning och bränsleförbrukning ytterligare.
1 Elmotor-/generatoraggregat
2 AC/DC-växelriktare
3 48-volts batteri
4 DC/DC-omvandlare
5 48-volts strömfördelare
6 12-volts batteri
7 12-volts strömfördelare
8 Elektrisk turboladdare
Spänningsnivåer på över 12 volt är inte något nytt: under 1990-talet övervägde fordonsindustrin ett system på 42 volt. Planerna övergavs på grund av oro över höga kostnader och att omkopplare och reläer skulle sluta fungera i förtid. Sedan dess har dock miljöhänsyn lett till att moderna elektroniska system numera använder mer robusta transistorer, dioder och mikroomkopplare, och alternativet har blivit mer gångbart.
Så varför nöja sig med 48 volt? Spänningar på över 60 volt klassas för närvarande officiellt som ”högspänning”. Detta medför extra kostnader för dyrbara skydd, kontakter och ledare, som exempelvis det orange kablage som är vanligt i många hybrid- och elfordon. Ändå betyder inte detta att hela fordonets elarkitektur övergår till 48 volt. Det konventionella 12-voltssystemet används fortfarande för många standardkretsar, som lampor, dörrlås, elfönster och infotainmentsystem.
Ett normalt 48-volts mildhybridsystem består bara av ett mindre antal ytterligare komponenter: elmotor-/generatoraggregat, AC/DC-växelriktare, DC/DC-omvandlare, ett 48-volts batteri och en elektrisk turboladdare.
• Elmotor-/generatoraggregat: Den vattenkylda, remdrivna elmotorn/generatorn ersätter den normala växelströmsgeneratorn och de funktioner som startar om förbränningsmotorn vid stopp/start, medan den konventionella startmotorn på 12 volt används för normal start med tändningsnyckel.
Elmotorn/generatorn kan komplettera förbränningsmotorn för att förbättra accelerationen och strategiskt minska motorbelastningen, med maximerad bränsleekonomi som följd. När elmotorn/generatorn är i generatorläge laddar den dessutom båda batterierna, på samma sätt som en konventionell växelströmsgenerator, men även vid frirullning och inbromsning.
• AC/DC-växelriktare: AC/DC-växelriktaren kan vara integrerad eller icke-integrerad i fordonets 48-volts elmotor/generator och fyller två funktioner.
För det första omvandlar den likströmmen från 48-volts batteriet till växelström, som sedan driver elmotorn/generatorn i motorläget.
För det andra omvandlar den växelströmmen som genereras av elmotorn/generatorn i generatorläget till likström, och laddar därmed batterierna på 12 respektive 48 volt.
• DC/DC-omvandlare: Eftersom fordonet har system på både 12 respektive 48 volt installeras en DC/DC-omvandlare för att minska spänningen från 48 till 12 volt.
• 48-volts batteri: Litiumjonbatteriet på 48 volt sitter vanligtvis bak i fordonet och kan – liksom elmotorn/generatorn – använda kylsystemet för att avleda värme.
• Elektrisk turboladdare: Den traditionella turboladdaren ersätts av en eldriven version, även kallad elektrisk kompressor. Istället för att vänta på att avgaserna från motorns förbränning ska driva igång turbinhjulet används en elmotor. Detta gör att turbon omedelbart kommer upp i tryck, istället för den fördröjning av effekten som vanligtvis sker när turboladdade motorer används. Alternativt kan elektriska laddningskompressorer användas för liknande resultat.
Mildhybridsystemet på 48 volt utvecklas kontinuerligt för att möta regler för avgasutsläpp, samt förbättra bränsleekonomi och acceleration. Därför håller fordonstillverkare redan på att utveckla andra intelligenta förbättringar som ska komplettera 48-voltssystemet. Följande är bara några exempel:
• ”Dynamic Skip Fire”-teknik (”DSF”): Cylinderavstängning finns integrerad i 48-voltssystemet. DSF-mjukvaran tar individuella cylindrar ur spel genom att kamföljarna kopplas bort. Avgas- och insugsventiler hålls därmed stängda när mindre vridkraft behövs, med minskad bränsleförbrukning som resultat.
• Utökad stopp/start-teknik: Till skillnad från konventionell stopp/start-teknik, som stänger av motorn när fordonet stannar helt, stänger det utökade stopp/start-systemet även av motorn när fordonet bromsar in för att stanna eller vid körning i jämn fart.
• Eluppvärmd katalysator: För att minska mängden skadliga avgasutsläpp måste katalysatorn nå driftstemperatur så snabbt som möjligt. I hybridsystem försvåras katalysatoruppvärmningen, eftersom motorn stängs av vid varje stopp/start och vid frirullning. Elektronisk uppvärmning av katalysatorn med hjälp av 48-voltssystemet blir då en enkel lösning på problemet.
• Elektrifiering av motordrivna hjälpsystem: Vattenpumpar och luftkonditioneringskompressorer är två exempel på komponenter som kan drivas med el. Övergången till eldrift minskar belastningen på motorn, men mer anmärkningsvärt är att individuella arbetscykler kan fastställas för komponenterna, baserat på fordonets och förarens behov.
Medan dagens 12-voltssystem inte räcker till, erbjuder mildhybridtekniken på 48 volt – jämfört med dyrare fullhybrider – en kostnadseffektiv lösning, som både uppfyller krav för avgasutsläpp och kan möta en framtida ökning av energiintensiva elektriska komponenter.
Användningen av 48-voltsteknik väntas öka ytterligare, i synnerhet som allt strängare mål för CO2-utsläpp fastställs och användningen av traditionella förbränningsmotorer minskar.
Mot bakgrund av att el- och hybridbilar ökar i popularitet rullar vi den här månaden ut kopplingsscheman för drivsystem i elfordon och hybridfordon – och ser samtidigt till att Autodata förblir den främsta lösningen för diagnostik och reparation av vägfordon.
