48 вольтовая электросистема

12 Вольтовые электросистемы занимают доминирующее положение на транспортных средствах в течении последних 70 лет. Системы с напряжением 48 Вольт тоже существуют достаточно давно, но до последнего времени в основном использовались на автомобилях специального назначения для питания мощных насосов и приводов. Однако постепенно 48-вольтовые системы распространяются все шире и вытесняют 12-вольтовые с занимаемых позиций

48 Вольт – это новые 12 Вольт

В середине 2000-х годов регулирующие органы многих стран ужесточили требования к выбросу выхлопных газов и расходу топлива автомобилей. Это заставило автопроизводителей искать пути снижения прямых нагрузок на двигатели, что в результате привело к электрификации систем, потреблявших наибольшую мощность – гидроусилителя руля, кондиционера и насосов охлаждающей жидкости.

Затем появились мягкие гибриды – автомобили, в которых вместо стандартного, используется реверсивный стартер-генератор. Стартер-генератор, обеспечивает дополнительный крутящий момент при ускорении, а во время торможения преобразует энергию движения автомобиля в электрическую и сохраняет ее в аккумуляторной батарее. Чем выше напряжение генератора, тем больше энергии можно запасти. Но поскольку максимальным безопасным напряжением является 60 Вольт, то в качестве напряжения генератора в мягких гибридах было выбрано 48 Вольт (14,4 х 4 = 57,6 Вольт)

Позднее напряжение 48 Вольт стали использовать для уменьшения токов, текущих в цепях электрических нагнетателей, систем активной подвески и другого энергоемкого оборудования в легковых и коммерческих автомобилях. Ожидается, что список таких устройств будет только расти и со временем 48 Вольтовая электросистема полностью вытеснит 12 Вольтовую

Преимущества напряжения 48 Вольт

Электросистема, использующая высокое напряжение, обладает многочисленными преимуществами.  Главное из которых – способность передавать большую мощность по тонким, легким и недорогим проводам. Но есть и обратная сторона. При напряжении более 60 Вольт значительно ужесточаются требования к безопасности, из-за которых высоковольтная система становится сложнее и дороже.

К 48-вольтовой электросистеме эти требования не относятся, реализовать ее существенно проще, но при этом она сохраняет достоинства высоковольтной системы. При равной мощности ток, в 48-вольтовой системе в четыре раза меньше, чем в 12-вольтовой

Рассмотрим пример. Устройство мощностью 950 Вт подключено к 12-вольтовой цепи и находится на расстоянии 4 метра от источника питания. При напряжении 12 Вольт ток в цепи равен 79 Ампер.  Для того, чтобы при таком токе потери напряжения не превышали 3%, необходимо использовать провод сечением 35 мм (потери 2,76 %). Вес этого провода, с учетом отрицательного участка цепи, составит примерно 2,5 кг.

Если же устройство той же мощности работает в 48-вольтовой электросистеме, то потребляемый им ток составляет всего 19,8 Ампер. Поэтому вместо провода сечением 35 мм можно использовать провод сечением 6 мм, который при той же длине весит всего 0,4 кг.  Таким образом разница в весе только в одной цепи составит 2,1 кг или 84 %

Перевод системы на повышенное напряжение не только экономит вес, но и позволяет значительно снизить резистивные потери, от которых напрямую зависит время работы автономной установки. Продолжая предыдущий пример, легко посчитать, что при переходе с 12 на 48 Вольт резистивные потери уменьшаются с 26,2 до 9,6 Вт, то есть сокращаются почти в 3 раза

Сервисная электросистема 48 Вольт

Несмотря на очевидные преимущества 48-вольтовой системы, в течение ближайших 10 — 15 лет напряжение 12 Вольт сохраниться в большинстве автомобилей. Многие существующие 12-вольтовые компоненты и подсистемы хорошо работают и полный отказ от них ради немедленной модернизации оказывается слишком дорогостоящим.

Производители осветительных приборов, насосов, холодильников, обогревателей и другого оборудования, используемого в сервисной электросистеме транспортного средства, также в ближайшие годы сохранят выпуск 12-вольтовых версий своих устройств. Поэтому сервисная, как и основная электросистема, будет состоять из двух частей — 12 и 48 Вольтовой. В 48-вольтовую войдут аккумуляторная батарея и мощные потребители, такие как инвертор, а в 12-вольтовой останутся устройства, у которых пока нет 48-вольтовых аналогов.

DC-DC зарядные устройства для зарядки 48-вольтового аккумулятора от 12-вольтового генератора

Реализовать комбинированную электросистему можно несколькими способами. В распределенной системе питания напряжение 48 Вольт от аккумуляторной батареи поступает на вход DC-DC конвертеров, преобразующих его в 12 Вольт. Конвертеры располагаются рядом с точками концентрации нагрузки, поэтому протяженность 12-вольтовых проводов, а значит их сечение и стоимость, равно как и потери, оказываются минимальными.

Для питания критически важных нагрузок два или несколько конвертеров могут работать параллельно. В этом случае система продолжит бесперебойно работать, даже тогда, когда один из них выйдет из строя.

Возможен и другой вариант построения электросистемы. Один из основных источников зарядки сервисных аккумуляторов на транспортном средстве – это генератор двигателя. Для зарядки 48-вольтовой батареи от 12-вольтового генератора необходимо DC-DC зарядное устройство, повышающее напряжение генератора до 48 Вольт. Оно может быть двухсторонним.

Это значит, что во время работы двигателя устройство передает вырабатываемое генератором напряжение 12-вольтовой нагрузке, а после того, как двигатель заглушен, становится понижающим 48-12 DC-DC конвертором и питает 12-вольтовое оборудование от 48-вольтовой аккумуляторной батареи.