“Her şey kontrol altında görünüyorsa, yeterince hızlı gitmiyorsunuz demektir.” – Mario Andretti
Yıllardır, otomobil üreticileri sürekli olarak daha fazla güç ihtiyacıyla karşı karşıya kaldı. İlk günlerde otomobiller, otomotiv sistemlerinin sürekli daha fazla güç ihtiyacını karşılamak için 12V’luk bir güç kaynağına dönüştüğü 1950’lerin ortalarına kadar altı voltluk bir pille çalıştırılıyordu. Otomobil üreticileri yalnızca pencereler, direksiyon ve koltuklar için yeni güç sağlama taleplerini tahmin etmek zorunda kalmadı, aynı zamanda yeni yüksek sıkıştırmalı motorlar için daha fazla güce duyulan ihtiyaç çok önemliydi.
Son zamanlarda, CO2 emisyon uyumluluğu standartları, OEM’leri otomobile yeniden nasıl güç verileceğini yeniden düşünmeye motive etti. OEM’ler bu standartları karşılamak için elektrikli araçlar sunarken, yalnızca motorlara değil, bir araçtaki tüm alt sistemlere elektrik gücü sağlamak için henüz uyumlu bir yaklaşım ortaya çıkmadı.
Bu netlik eksikliği, güç gereksinimlerindeki muazzam artışla birleşir. İçten yanmalı motorlara sahip otomobiller tipik olarak 600W ila 3kW arasında bir elektrik gücü seviyesiyle çalışır. Yeni elektrikli EV, HEV, PHEV araçlar (xEV), 3kW ila 60kW üzerinde güç seviyeleri gerektirir – gücün 5 – 20 katından fazla.
Bu 5 – 20 kat artış, artan boyut, ağırlık ve güç dağıtım ağının (PDN) karmaşıklığı açısından araçlara muazzam bir yük bindiriyor. Bu talepler, eklenen boyut ve ağırlık, araç özelliklerinde değiş tokuş yapılmasını gerektirdiğinden, enerji verimliliğini, güvenilirliği ve hatta konfor ve güvenliği olumsuz etkiler. Otomobil üreticileri geleneksel güç dağıtımı yöntemleriyle devam ederse, tüm elektrik gereksinimlerini karşılamak için yeterli alan yoktur. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, güçteki muazzam artışı azaltmak için yalnızca hafif ve kompakt değil, aynı zamanda esnek ve filo genelinde yeniden kullanılabilecek bir çözüm bulmaları gerekecek.
Büyük teknik zorluklara ek olarak, OEM’ler, hedefe nasıl ulaşılacağına ilişkin ayrıntılar açık bir soru olarak kalsa bile, önümüzdeki on yılda filolarını tamamen elektrikli hale getirmek için baskıyı artırıyor ve taahhütlerde bulunuyorlar (Şekil 1). Elektrikli araç pazarında elektrifikasyonu standartlaştırmanın net bir yolu yok. Bu nedenle, OEM’lerin tümü büyük olasılıkla aynı yere varacak olsa da, tasarladıkları PDN’ler farklı olacaktır.
Elektrifikasyon momentumunu beslemek
Uzun yıllar boyunca, elektrikli araç üretim hacimleri, dünya çapındaki toplam araç üretim çıktısının %1’inden azdı. Credit Suisse Global Otomobil Araştırma ekibine göre, 2020’de %11’den 2030’da %62’ye yükselecek ve dünya çapında 63 milyon araca ulaşacak. Bunların yaklaşık yarısının 29 milyonunun tamamen elektrikli olması bekleniyor.
Elektrikli araçlardaki patlayıcı büyümeyi ne yönlendiriyor? Emisyon uyumluluğu ve hükümet teşvikleri bu yuvarlanmayı başlatırken, OEM’ler elektrikli aracı nişten ana akıma taşırken, yüksek talebi oluşturan tüketici arzusudur. Bu OEM’ler artık cesur taahhütler veriyor. (Şekil 2)
OEM’ler artık en popüler ve sevilen araçlardan bazılarını elektriklendiriyor. GM Hummers, yeni Ford Mach E (elektrikli Mustang) ve şimdi de amiral gemisi F150 Hafif Hizmet Kamyonu (Yıldırım) elektrikli hale getiriliyor. Bu modeller, etkileyici performans geliştirmeleri ve şık tasarımları nedeniyle kitlelerin dikkatini çekiyor.
Gelişmiş hızlı şarj teknolojisine ve daha düşük bakım ve onarım maliyetlerine sahip bu yeni araçlar, tüketici talebini yönlendiren ve elektrikli araçların benimsenmesini artıran katalizörlerdir. Tüketiciler değeri görüyor ve bu nedenle ivme artıyor.
Yüksek riskli, yüksek performanslı elektrifikasyon mücadelesi
Araç platformlarının sayısı, tüketici seçenekleri, değişen güç aktarma mimarileri ve akü ve şarj konfigürasyonları seçimi, güç sistemi tasarımcılarının otomotiv filolarını elektrikli hale getirmek için çalışırken ele almaları gereken karmaşıklığı artırıyor.
Araç elektrifikasyonunu optimize etmek için OEM’lerin güç seviyelerini artırması, güç dağıtım ağı boyutunu ve ağırlığını azaltması ve daha iyi termal yönetim ve yeniden kullanılabilirlik sağlaması gerekiyor. Güç sistemleri tasarlamanın geleneksel yolu, karmaşık özelleştirilmiş ayrık tabanlı tasarımdan daha küçük, daha esnek, kullanımı kolay, daha yüksek yoğunluklu modüler bir çözüme geçmelidir.
Hızlanan elektrifikasyon
Agresif elektrifikasyon hedeflerine ulaşmak için OEM’lerin güç dağıtım mimarilerine yaklaşımlarını yeniden gözden geçirmeleri gerekecek. Elektrifikasyonu hızlandırmak ve optimize etmek için son derece verimli bir çözüm bulmanın yanı sıra, en önemli üç gereksinimin ele alınması gerekir.
- Güç yoğunluğu: İster hızlı bir spor araba, ister hafif ticari bir kamyon veya bir aile arabası tasarlayın, OEM’lerin kısıtlı bir alana mümkün olduğunca fazla güç sığdırması gerekir. Araçlar, kompakt ve verimli güç çözümlerine ihtiyaç duyar.
- Esneklik / Ölçeklenebilirlik: Filolar aynı platformu kullanan birçok araca sahiptir, bu nedenle aynı platformu paylaşan sedanlar, minivanlar, SUV’ler vb. arasındaki gücü değiştirirken kolay güç ölçeklendirme çok önemlidir.
- Tekrar Kullanılabilirlik: Tam filo elektrifikasyonunu elde etmek için OEM’lerin, pazara sunma süresini hızlandırmak için farklı modellerde güç tasarımlarını yeniden kullanabilmesi gerekir.
Güç Yoğunluğu
Çeşitli xEV platformlarında kullanılan güç elektroniğinin boyutu ve ağırlığı, araç performansı, enerji verimliliği ve pil aralığı üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. OEM’ler daha ileri ve daha hızlı gitmek için güç elektroniğinin boyutunu ve ağırlığını agresif bir şekilde azaltıyor ve Ar-Ge ekipleri araç ağırlığını azaltmaya teşvik ediliyor.
Vicor’dan (BCM6135) yalnızca 68 g ağırlığındaki küçük, %98 verimli bir veri yolu dönüştürücü modülü, EMI filtreleme, azaltılmış soğutma yapısı ve 25 kg 48V pilin yerini alacak bir muhafaza ile kolayca bir araya getirilebilir. Bu, önemli ölçüde yer ve ağırlık tasarrufu sağlar ve Ar-Ge ağırlık azaltma teşviklerinde 125 – 250 € arasında bir getiri sağlayabilir. Yüksek yoğunluklu güç modülü, >4,3kW/inç’lik bir güç yoğunluğu ile 2kW’ın üzerinde güç sağlayabilen küçük 61 x 35 x 7mm’lik bir pakette ana 400 – 800V pili 48V’a dönüştürür (Şekil 3)
Esneklik/Ölçeklenebilirlik
OEM tasarımcıları zamandan, paradan ve kaynaklardan tasarruf etmek için bir araca entegre edilmiş alt sistemleri mümkün olduğunca standart hale getirmeye çalışırlar. Bununla birlikte, her biri, birden fazla tasarım gerektiren araç donanım seviyelerine göre biraz değişir. Araç elektrifikasyonu alanındaki gelişmeler nedeniyle, güç sistemi tasarım ekipleri değişen güç dağıtım gereksinimleriyle karşı karşıya kalıyor. Vicor tarafından sunulan esnek ve ölçeklenebilir modüler güç sistemi tasarımı yaklaşımı, tasarımcıların SUV, minivan veya hafif hizmet kamyonları gibi çok çeşitli güç aktarma organlarında standartlaştırılmış çözümler uygulamasına olanak tanır.
Örneğin, bir minibüsün güç gereksinimleri 5kW olabilir, ancak hafif ticari bir kamyona ışık çubukları, çekme ve pulluk paketleri ve AC güç istasyonları ile güç sağlamak 10kW gerektirebilir. Mühendisler, aynı platformu ve biraz daha fazla alanı kullanarak, gücü artırmak veya azaltmak için diziye önceden onaylanmış parçaları hızla ekleyebilir veya kaldırabilir.
Modülerlik ayrıca 48V veri yolundan dağıtılmış güç mimarilerini etkinleştirerek ek esneklik seviyeleri sunar. Güç modülleri, torpido gözünün arkasına, bagajın yanına veya her bir tekerleğin yanına, lokalize 48V/12V dönüşümü için uygun yerlere yerleştirilebilir. Modüler bir çözümün devreye alınması, yalnızca tasarım esnekliği sağlamakla kalmaz, aynı zamanda güç değişikliklerini ve üretim sürecini düzene sokmanın daha iyi bir yolunu sunar.
Tekrar Kullanılabilirlik
Araç geliştirmedeki en yaygın gecikmelerden biri, araçta kullanılan elektronik bileşenlerin kalifikasyonu ve onaylanmasıdır. Bazen sürecin tek bir bileşene hak kazanması ve PPAP’nin tamamlanması iki ila üç yıl kadar sürebilir. Ar-Ge ekipleri, değerli kaynakları koruyarak geliştirme ve kalifikasyon süresinden tasarruf etmek için sahip olduklarını yeniden kullanmanın yollarını arar.
Örneğin, ayrı bir DC-DC dönüştürücü tasarımına dayalı geleneksel bir PDN, 200’den fazla hacimli bileşenden oluşabilirken, Vicor gelişmiş teknolojisi tek bir yüksek yoğunluklu güç modülü sağlar. Aynı işlev için 200’den fazla bağımsız bileşen yerine bir modül için yeterlilik gerektiğinde bir mühendislik tasarım ekibi için zaman tasarrufu önemlidir.
Ek olarak, Vicor modüler yaklaşımı, mühendislerin çeşitli tiplerde sadece üç ila dört ölçeklenebilir yapı taşı modülü kullanarak yaklaşık 300 güç dağıtımı kombinasyonu elde etmelerini sağlar. (Şekil 4) Bu tasarım yaklaşımı, OEM’lerin elektrifikasyon yarışında öne geçmesine olanak tanıyan yüzlerce saat zaman ve kaynak tasarrufu anlamına gelir.
son tur
OEM’ler, yalnızca elektrifikasyon bitiş çizgisini geçmek için değil, aynı zamanda uzun vadeli sonuçlar sağlayacak bir xEV filosu ile bitirmek için de göz korkutucu zorluklarla karşı karşıya. Modüler bir güç sistemi tasarımı yaklaşımı kullanmak, bu kritik pazar payı yarışında rekabet avantajı sağlayabilir. Günümüzde en yüksek performansı sağlayan ve ayrıca gelecek için yeniden kullanılabilen ve yeniden yapılandırılabilen yeni mimariler ve topolojiler biçiminde inovasyona ihtiyaç vardır.
Geleneksel güç tasarımları bu esneklik ve kullanım kolaylığını karşılayamaz. OEM’lerin agresif elektrifikasyon hedeflerine ulaşmasının en iyi yolu, bir dizi kritik düzeyde en yüksek performansı sağlayan ve en karmaşık xEV güç taleplerini karşılamalarını sağlayan modüler bir yaklaşım benimsemektir.
YS Jun, Vicor APAC Otomotiv İş Geliştirme Direktörüdür.
Yüksek performanslı güç modüllerinde lider olan Vicor Corporation, müşterilerimiz için en zorlu güç zorluklarını çözerek, yenilik yapmalarını ve sistem performansını en üst düzeye çıkarmalarını sağlar. Dağıtımı kolay güç modüllerimiz, güç kaynağından yük noktasına kadar gelişmiş güç dağıtım ağlarını mümkün kılan en yüksek yoğunluğu ve verimliliği sağlar. Merkezi Andover, Massachusetts’te bulunan Vicor, dünya çapındaki müşterilerine benzersiz güç dönüştürme ve güç dağıtım teknolojileri ile hizmet vermektedir.