מבוא

את אספקת החשמל בארכיטקטורות אספקת כוח של כלי רכב חשמליים (EV) וכלי רכב היברידיים מאחסנים ומעבירים בערכי מתח שמתאימים להפעלת מגוון רחב של תת מערכות חישה, בקרה, בטיחות ומידע וכן תת מערכות בילוי ופנאי. מגוון כזה מציב אתגרים של עלות, מקום ומשקל בתהליך אחסון מקור הכוח ורשת חלוקת המתח. בכלי רכב היברידיים אתגרים אלו מגיעים לכדי פתרון באמצעות מצבר של 48 וולט ומערכת חלוקה של 48 וולט, אך בכלי רכב חשמליים הפתרון הוא מצברים למתח גבוה (800 וולט, 400 וולט) ומערכת חלוקה של 48 וולט. אמנם, מצבר של 48 וולט יכול לספק מייד את ההספק הנדרש, אך כל מצבר ביניים בארכיטקטורה של רכב חשמלי ישפיע לרעה על המשקל, המקום והעלות.

החידוש האפשרי עבור ארכיטקטורות אספקת מתח של כלי רכב חשמליים הוא שימוש במצבר למתח גבוה כדי לשמר את היתרונות הגלומים באחסון אנרגיה במתח גבוה, במקביל לסילוק הצורך במצבר ביניים, על ידי שימוש בממיר מתח ישר למתח ישר כדי לספק מתח בטווח שמתאים למתח עבור SELV. ממיר רגיל יכול לספק את המרת המתח, אך הוא חסר את זמן התגובה המהיר שנדרש כדי לעמוד בצריכת ההספק של המגוון הרחב של מערכות משנה. מודול BCM של Vicor מציג עכבה (אימפדאנס) נמוכה בנתיב וזמן תגובה מהיר, בצד המרה של מצברי המתח הגבוה למה שנראה כמצבר של 48 וולט “בעיני” מערכת הפצת המתח, ומבטל את הצורך במצבר ביניים של 48 וולט.

מאמר זה משווה את התפקוד, הפעולה והיכולות של ממיר BCM של Vicor לאלו שקיימים בממיר רגיל של מתח ישר למתח ישר, ומציע מימוש של ארכיטקטורה כאשר הממיר משמש בארכיטקטורת אספקה של רכב חשמלי.

איור 1:

איור Comparison of power :1
distribution and energy storage
קרדיט תמונות: VICOR

ממיר במודול בקרת רכב

הממירים במודולי בקרת רכב (BCM) פועלים כממירים עם יחס קבוע, כאשר מתח המוצא (המכונה גם מתח הצד המשני) הוא חלק קבוע ממתח הכניסה (המכונה גם מתח הצד הראשוני). חלק קבוע זה יכול להיות גדול מאחד, שווה לאחד או פחות מאחד. נסמן את החלק הקבוע הזה כגורם K, שיוגדר כמתח בכניסה מחולק במתח במוצא (V_PRI/V_SEC). כאשר הגורם K קטן מאחד, מתח הכניסה יורד, אך זרם הכניסה עולה. כאשר הגורם K גדול מאחד, מתח הכניסה עולה וזרם הכניסה יורד.

מבחינה עקרונית, בפעולה הפנימית של ממיר BCM מתקיימים שלושה שלבים.

1. דרגת מיתוג בצד הראשי ממירה את כניסת הזרם הישר בצד הראשי לאות סינוס.
2. דרגה של שנאי אידיאלי ממירה מתח חילופין למתח חילופין תוך שינוי המתח לפי יחס הכריכות בין הצד הראשי לבין הצד המשני (גורם K).
3. דרגת מיתוג בצד המשני שממירה את אות הסינוס המתקבל מהשנאי האידיאלי למוצא מתח ישר. המיתוג מתבצע על ידי דרגות המיתוג כאשר עקומת הסינוס חוצה את האפס בזרם ואת האפס במתח, וכך ההפסדים הנגרמים על ידי המיתוג הופכים למזעריים.

בזכות הסימטרייה ועם יצירת רצף ובקרה מתאימים אפשר להפעיל את ממיר BCM כממיר מוריד (ממתח גבוה לנמוך) או כממיר מעלה (ממתח נמוך לגבוה). יכולת דו כיוונית מובנית זו מאפשרת לממיר BCM להמיר מתח בשני הכיוונים באותה נצילות. כך נוצרות אפשרויות להמרת מתח ביישומים שבהם קיימים טעינה ופריקה מהירים למשל של התקן אחסון, ואולם, במאמר זה נתמקד ביישום של המרה ממתח גבוה למתח נמוך.

איור Functional block diagram of BCM converter :2
קרדיט תמונות: VICOR

בשל השימוש במיתוג בזרם אפס ובמתח אפס (ZCS/ ZVS), ממירי BCM פועלים בתדירויות גבוהות יותר מאשר ממירים רגילים. לדוגמה, BCM6135 פועל ב-1.2 מגה הרץ ובניגוד לממיר מתח בתהודה, ממיר BCM פועל בטווח צר של תדירות פס. התדירות הגבוהה שבה פועל ממיר BCM מספקת תגובה מהירה לשינויים בזרמי העומס ונתיב של עכבה נמוכה מהמבוא למוצא. המרה ביחס קבוע, פעולה דו כיוונית, תגובה מהירה לתופעות מעבר ונתיב של עכבה נמוכה הם קבוצה של תכונות שמאפשרות לממיר BCM לגרום למצבר של 384 וולט להיראות כמו מצבר של 48 וולט, שאותן אנו מכנים המרה
(transformation). היכולת להמיר מקור כוח היא היתרון החשוב וגם ההבדל הגדול בהשוואה לממירים רגילים.

המרת מקור כוח

ממיר BCM, ממיר מתח במבוא למתח במוצא לפי יחס קבוע ואפשר להביע אותו באופן מתמטי לפי המשוואה V_OUT=K•V_IN. ניקח לדוגמה מערכת חלוקת מתח של 48 וולט שמושכת זרם ממצבר מתח גבוה טעון ל- 384 וולט. ליחידות העומס המחוברות לחיבור 48 וולט יש טווח מתח בכניסה שהוא חלק קבוע של מוצא המצבר. ממיר BCM קבוע (1/8) ממיר את המוצא של מצבר המתח הישר הגבוה לטווח של מתחים שתואם לחלוקת 48 וולט. בשל זמן התגובה המהיר של ממיר BCM, המצבר שמפיק 384 וולט נראה מצד כל עומס, שמחובר בצד המתח הנמוך, כמצבר שמתפרק במתח של 48 וולט. באופן מעשי, ממיר BCM ממיר את מתח המצבר הגבוה ומאפשר למערכת כולה לשלב את כל היתרונות של המצבר למתח גבוה שקיימים מבחינת אחסון אנרגיה, בהשוואה למערכת מצברי 48 וולט שוות ערך, בהם נכללים למשל זמן טעינה קצר יותר וצפיפות אנרגיה משופרת.

נבדוק אותו היישום, אבל עם ממיר רגיל שמייצב את טווח המתח בכניסה למתח מוצא מסוים, כך שהצימוד שלו מנתק את מתח המוצא משינויים בכניסה. שינויים במתח הכניסה לא מועברים אל היציאה המיוצבת. רוחב הפס הצר של הממיר המיוצב לא מאפשר למערכת חלוקת המתח לספק מתח באותה מהירות כמו זו שמתרחשת בחיבור ישיר אל המצבר. מנקודת מבט של הצד הנמוך, קיימת רק אספקת מתח אידיאלית של 48 וולט. בצד התועלת שקיימת בהמרה מסוג זה, יש להכיר בשתי חולשות יחסיות שקיימות בה. ראשית, רוחב הפס הצר מצריך אחסון ביניים נוסף של אנרגיה (קיבולי או במצבר נוסף) כדי לספק זרם במהלך אירועי פריקת dI/dt גבוהים. שנית, אין צורך בדרגת ייצוב מאחר שמתח הכניסה של העומס בצד הנמוך הוא חלק קבוע של מתח המצבר בצד הגבוה. ממיר רגיל מייצב ללא צורך ותוך כדי בזבוז אנרגיה, הוספה של עלויות והקטנה של הנצילות הכוללת במערכת. נוסף על כך, רוחב הפס המוגבל של הממיר המיוצב פוגע בזמן התגובה במצבים של צריכת זרם מהירה במערכת החלוקה.

על ידי תכנון טווח המתח של מקור הכוח, באופן כזה שיהיה חלק קבוע מטווח העומס בכניסה של מערכת הפצת המתח, אפשר להשתמש במתח גבוה (בנוסף ליתרונות של הפסדים נמוכים בנתיב) כדי לבצע הפצה של המתח בלי דרגות הייצוב המיותרות שמשמשות במערכות עם ממירים רגילים. ככל שנתקדם, התכנון של מערכת שבה כל טווחי המתח, של המקור, יחידות העומס ונתיבי ההפצה השונים הם ערכים ביחסים קבועים, מאפשר בחירה מיטבית של טכנולוגיה הטובה מסוגה עבור אחסון אנרגיה, הפצת אנרגיה ויכולות של מערכות המשנה. כל זאת מתקבל בארכיטקטורות הכוח של כלי רכב חשמליים בעלי ביצועים גבוהים. במערכות אלו משתמשים במצברים של יוני ליתיום (LI-ion) (אשר מחוברים במערך לקבלת קיבולת ומתח גבוהים עם זמני פריקה מהירים), מספקים מתח של 48 וולט (לפי המפרט LV148V להפצת מתח נמוך נפרד – SELV) ומשמשת בהם תערובת של תת מערכות מסורתיות של 12 וולט, שהן כדאיות מבחינת העלות, בשילוב התקני אינטליגנציה מלאכותית הפועלים ב- 48 וולט. מודולי BCM מגשרים על ערכי מתח אלו במערכת יחידה בעלת נצילות גבוהה.

איור Transformation of a high voltage battery :3
קרדיט תמונות: VICOR

ארכיטקטורה וירטואלית של מצבר 48 וולט

בארכיטקטורות אספקת כוח של כלי רכב חשמליים אפשר להשתמש במודולי BCM ליצירה של מערכת אספקה בעלת נצילות גבוהה וקלת משקל. במערכי המצברים למתח גבוה, אשר מהווים את היחידה העיקרית לאחסון אנרגיה, המתח עובר הורדה (המרה ממתח גבוה לנמוך) למתח בעל הנצילות הגבוהה ביותר לצורך הפצת המתח. למערך המתח הגבוה יש יתרונות (צפיפות אנרגיה וזמן טעינה, בהשוואה למערכי מתח נמוך יותר), אבל יש לו גם חסרונות (לא מערכת SELV) אשר הופכים אותו לרצוי ביישומי רכב חשמלי ועם זאת גם למסוכן בהפצה אל יחידות עומס ברחבי כלי הרכב. במקום זאת, מימוש מערכת הפצת מתח לפי המפרט LV148 מאפשר הפצה במתח בטוח (SELV) שאותו אפשר לקיים בקלות רבה יותר מאשר עם ערכי מתח גבוהים מהמצבר ושתידרש לו פחות נחושת עבור זרם נמוך יותר מזו שנדרשת אם הייתה מתבצעת הפצה במתח המסורתי של 12 וולט.

ממיר במודול BCM משקף את מאפייני הפריקה של מצבר המתח הגבוה בהמרה בגורם K של 1/8. מצבר וירטואלי זה מפעיל את מערכת ההפצה התואמת ל- LV148 ביעילות המשתווה לכל מצבר פיסי של 48 וולט, אבל עם צפיפות אנרגיה שיש למצבר מתח גבוה במערכת, ועם היתרונות הקשורים אליו.

הממיר BCM6135 של Vicor מבודד והוא מספק את ההגנה הנדרשת בחיבור ממשק של מקור מתח גבוה להפצת SELV ויש לו נצילות שיא של יותר מ- 97% עם נצילות גבוהה מ- 96% בפעולה בזרם גבוה מ- 30% מהזרם הנקוב. מערכים של ממירי BCM6135, שיכולים לספק עד 65 אמפר (יותר מ- 3000 וואט) באופן רציף, יכולים ליצור דרגות להמרת כוח בין טווחי המתח HVDC ו- SELV. ל- BCM6135 יש טווח כניסה של 260 עד 410 וולט ויחס המרה קבוע של 1/8 כדי לספק מוצא שתואם להפצה של 48 וולט.

הממיר BCM6135 בעל מידות 61x35x7.5 מ”מ, הוא מיועד להתקנה על שלדה או עם חורי מעבר ומשקלו 68 גרם. צפיפות ההספק הגבוהה (3499 וואט לאינץ’ מעוקב) מאפשרת הצבה פיסית במקום שמתאים ביותר עבור ארכיטקטורת אספקת כוח ועבור חלוקת המשקל בתוך הרכב. המארז מתוכנן לפעול במערכות קירור בהולכה ובמערכות מקוררות בנוזל, ופיזור החום שלו מתבצע במידה שווה כמעט מהצד העליון ומהצד התחתון של המארז, ובכך מתקבלת גמישות נוספת בפתרונות ההתקנה והקירור.

איור Decoupling of a
48V source from a
high :
4
voltage battery
קרדיט תמונות: VICO

הרחבת ההפצה של 48 וולט

אמנם מקור אספקת המתח יכול להיות מצבר וירטואלי של 48 וולט, אך עדיין יש צורך להפיץ אותו ברחבי הרכב למגוון רחב של יחידות עומס במערכות משנה, אשר יש להן דרישות שונות של הספק ותערובת כניסות ב- 48 וולט וב- 12 וולט. בעוד היתרונות של הפצת 48 וולט לעומת 12 וולט ברורים (נצילות גבוהה יותר וכבלים קלים יותר), לא ברור כל כך כיצד תערובת זו תשתנה עם הזמן. ככל שאספקת 12 וולט תידחק לשוליים, הארכיטקטורה של אספקת המתח ברכב חייבת להיות גמישה מספיק כדי להתאים למערכות משנה חדשות, ועם זאת להתאים באופן מיטבי למשקל ולעלות של כל מערכת הכבילה הנדרשת.

הפתרון האידיאלי הוא להרחיב את ההפצה של 48 וולט ככל שאפשר מבחינה פיסית ולהמיר את המתח ל- 12 וולט לצורכי מערכות מסורתיות, רק כאשר הוא נדרש. מאחר שאפשר להמיר את טווח הפעולה המצוין במפרט של LV148 להפצה בכניסה שתואמת ל- 12 וולט, עם המרת גורם K של 1/4, ממיר במודול BCM מהווה את הפתרון האידיאלי להגדלת הנצילות למקסימום. בנוסף, מאחר ששני ערכי המתח הם מתחי SELV, אין צורך בבידוד, ואפשר להשתמש בממיר לא מבודד כדי להמיר את מתח 48 וולט למתח של 12 וולט בכל המערכת. בהיותו זהה בכל התכונות האחרות, מודול BCM לא מבודד מכונה NBM ויש לו את כל היתרונות שתוארו קודם: תגובה מהירה לתופעות מעבר, עכבה נמוכה ופעולה דו כיוונית.

ארכיטקטורת אספקת מתח מבוזרת זו מספקת את כל היתרונות של הפצת 48 וולט תוך כדי שמירת הגמישות של הפלטפורמה לצורך אימוץ תתי מערכות, לפי הנדרש, עם כניסות של 48 וולט או 12 וולט. מודול NBM ממיר את מתח הכניסה של 48 וולט למה שנראה כמו מקור של 12 וולט “בעיני” המערכות המסורתיות הפועלות ב- 12 וולט. את הממיר NBM אפשר לשלב בכל מקום בכלי הרכב. מבחינה פיסית, הוא קטן במידה מספקת כדי להרחיב תתי מערכות מסורתיות שקיימות בכל מקום, שהן כבר מוצבות, ועם זאת ההפרעה שתיגרם אם הן יוסרו לצורך שדרוג עתידי לתת מערכות שפועלות באופן עצמי ב- 48 וולט, תהיה מזערית.

איור EV power architecture :5
קרדיט תמונות: VICO

התכונות של MBM2317 של Vicor, מידות של 23x17x7.4 מ”מ ומשקל של 12 גרם, מאפשרות להציב אותו בכל מקום מיטבי להרחבת ההפצה של 48 וולט. נצילות השיא היא 97.5%, כאשר הוא מופעל עם יותר מ- 30% מהזרם הנקוב. NBM2317, שיכול לספק הספק רציף של עד 60 אמפר (800 וואט), מתוכנן לגמישות מיטבית במצב של קירור מהצד העליון או מהצד התחתון שלו במארז להתקנה משטחית, שיכול להיות מוצב בכל מערך קיים עם הפרעה מזערית. צפיפות ההספק הגבוהה (4500 אינטש מעוקב) היא מעל לכל הקיים במודולים המתחרים, תוך כדי אספקת אינטגרציה רבה יותר מכל פתרון בדיד ברמת הספק שוות ערך.

כאשר המודולים BCM6135 ו- NBM2317 משמשים יחד, הם מספקים את הגמישות של ארכיטקטורות הספק בכלי רכב חשמליים, אשר נדרשת כדי לאמץ את התערובת המיטבית לתתי המערכות של 48 וולט ו- 12 וולט. גמישות זו מתקבלת במקביל לשיפור עד למקסימום של היתרונות הטמונים בהפצת מתח SELV של 48 וולט ובאחסון במתח ישר גבוה, למען השגת החזון שבתכנון של כלי רכב חשמליים.

איור BCM6153 efficiency over output load current :6
קרדיט תמונות: VICOR

מסקנות

היכולת של מודולי BCM להמיר מקורות כוח, במיוחד מצברים, היא היתרון העיקרי וגם ההבדל החשוב כאשר משווים את מודולי בקרת רכב (BCM) לממירים רגילים. בהינתן העובדה שמתח המוצא של אספקת הכוח העיקרית בארכיטקטורת האספקה הוא יחס קבוע של כל מתח כניסה בתת מערכת במורד הזרם, אפשר להפיץ את אספקת הכוח במתח האופטימלי הגבוה ביותר ולאחר מכן, להמיר אותו לפי הצורך עם מודולי BCM, בלי ההפסדים הנוצרים משימוש בדרגות ייצוב שאינן נדרשות. היתרון הגלום בארכיטקטורות של כלי רכב חשמליים הוא ביטול הצורך במצבר ביניים בזכות ההמרה של מצבר לאחסון אנרגיה במתח גבוה לטווח של מתחי SELV תואמים, לצורך אספקה ברחבי כלי הרכב. בעוד שני המודולים, BCM ו- NBM, מתאימים לשימוש במערכות הכוח של כלי רכב חשמליים, כל מערכת אחרת שמקבלת אספקה ממצבר, החל במל”טים מסוג Ultralight, דרך רובוטים תעשייתיים אוטונומיים ועד פלטפורמות מחשוב של אינטליגנציה מלאכותית מתקדמות ביותר, יכולה לנצל את יכולות ההמרה שלהם.

איור Picture of chassis mount BCM6135 :7
קרדיט תמונות: VICO

איור Picture of surface mount NBM2317 :8
קרדיט תמונות: VICO