Ajoneuvojen hiilidioksidipäästöjä voidaan rajoittaa tehokkaasti hyödyntämällä moottorin sammutus-käynnistysautomatiikkaa. Se tuo kuitenkin uusia haasteita auton elektroniikkajärjestelmän suunnitteluun. Buck-boost-tyyppinen tehonhallintapiiri tarjoaa toimivan ratkaisun.
| Artikkelin kirjoittajista Leona Okamura toimi Cypress Semiconductorin analogisten tuotteiden markkinointi-insinöörinä ja vastaa uusien tuotteiden spesifikaatioiden määrittelystä. Hänellä on MSc-tason elektroniikkainsinöörin tutkinto Wasedan yliopistosta. Yukinori Maekawa puolestaan toimii Cypressin analogisten tuotteiden sovellusinsinöörinä ja vastaa asiakkaiden teknisestä tuesta. Hänellä on vuosien kokemus tehonsyöttöjärjestelmien ja hybridi-IC-piirien suunnittelusta. |
Hiilidioksidipäästöjen vähentäminen on pakollista autoteollisuudelle. Hallitukset asettavat uusille autoille yhtä tiukempia päästötavoitteita sekä sakkomaksuja säädettyjen CO2-päästörajojen ylityksistä, sillä hiilidioksidin katsotaan olevan kaikkein merkittävin kasvihuonekaasu*). Automaattisesti sammuvan ja uudelleen käynnistyvän polttomoottorin uskotaan olevan tehokkain menetelmä CO2-päästöjen vähentämiseksi.
Automaattisen sammutus-käynnistysjärjestelmän käyttöönotto tuo kuitenkin monia ongelmia ajoneuvon elektroniikkalaitteiden valmistajille. Laturi on käytännössä konepellin alle sijoitettu tehokas generaattori, joka syöttää käyttötehon auton elektroniikkalaitteille ja lataa lyijyakkua. Koska laturia pyöritetään polttomoottorilla, sammutus-käynnistystoiminta rajoittaa auton sähkötehon käyttöä ja aiheuttaa jännitteen notkahtamisen väliaikaisesti.
Tehonkäytön rajoituksia tarvitaan silloin, kun auton moottori sammutetaan automaattisesti esimerkiksi liikennevaloissa ja laturi pysähtyy. Tästä syystä ajoneuvon elektroniikkalaitteiden tehonkulutusta on vahvasti rajoitettava, sillä ne saavat tuolloin käyttötehonsa ainoastaan lyijyakusta.
Väliaikainen jännitteen pudotus ilmenee siinä vaiheessa, kun moottori käynnistyy uudelleen ja laturi alkaa toimia jälleen. Koska laturi sieppaa käynnistettäessä runsaasti virtaa lyijyakusta, elektroniikkalaitteet kärsivät tilapäisestä jännitteen notkahduksesta. Jännite alenee tyypillisesti noin kuuteen volttiin, kun moottori käynnistyy uudelleen esimerkiksi liikennevaloissa. Suurin jännitteen pudotus ilmenee kylmäkäynnistyksen yhteydessä. Jännite voi notkahtaa jopa kolmeen volttiin, kun moottorin öljy on kankeaa kylmän sään vuoksi.
Kuva 1. Ajoneuvon älykkäästä latauksesta huolehtivan alijärjestelmän tyypillinen toteutus.
Näiden ongelmien voittamiseksi elektroniikkalaitteiden suunnittelijat tavallisesti luovat ratkaisuja, jotka taas itse aiheuttavat muita ongelmia. Esimerkiksi OEM-valmistajat voivat rajoittaa elektroniikan toimintoja sammuttamalla joitakin elektroniikkalaitteita aina silloin, kun laturi ei ole toiminnassa. Tämä tarkoittaa kuitenkin joidenkin toimintojen menettämistä, mikä voi olla epämiellyttävää kuljettajan kannalta.
Kun moottorinohjausyksikkö havaitsee, ettei akkua ole ladattu riittävästi, se ei sammuta auton moottoria laturin pitämiseksi toiminnassa, ja tämän tuloksena hiilidioksidipäästöt kasvavat. OEM-valmistaja saattaa myös asentaa suuria ja kalliita komponentteja jännitenotkahduksen sietämiseksi. Syöttöjännitteen säilymisen varmistamiseksi uudelleenkäynnistyksen aikana voidaan käyttää esimerkiksi alipäästösuodinta, mutta se on yleensä kookas ja kallis komponentti.
Vaihtoehtona näille perinteisille lähestymistavoille on käyttää buck-boost-tyyppistä tehonhallintapiiriä. Sellainen on esimerkiksi Cypressin valmistama IC-piiri S6BP202A. Buck-boost-tyyppisellä toiminnalla syöttöjännitteet voidaan muodostaa myösalentuneesta akkujännitteestä. Tällöin tehonhallintapiiri pystyy ilman alipäästösuodinta tuottamaan normaalin 5 voltin syöttöjännitteen myös silloin, kun akkujännite on pudonnut niinkin alas kuin 2,5 volttiin (kuva 2).
Tämän ansiosta moottori ja laturi voidaan pysäyttää useammin, ja näin CO2-päästöjä saadaan vähennettyä. Koska tehonhallintapiiri itse kuluttaa vain hyvin vähän virtaa (20 μA) omaan tarpeeseensa (kuva 3), se sallii enemmän elektroniikkalaitteiden tekemiä toimintoja rajoitetun tehonkäytön aikana.
Kuva 2. Buck-boost-periaatteella toimiva tehonhallintapiiri pystyy säilyttämään 5 voltin syöttöjännitteen, vaikka akkujännite on alentunut jopa 2,5 voltin tasolle.
Kuvat 3. Buck-boost-kytkentäperiaatteella toimiva tehonhallintapiiri kuluttaa itse virtaa vain 20 mikroampeeria.
Aiemmin buck-boost-kytkentäperiaatteella toimivia tehonsyöttöjärjestelmiä ei ole käytetty autoteollisuudessa. Kulutuselektroniikassa tapahtunut buck-boost-tekniikan voimakas kehitys on kuitenkin avannut ovet nyt myös autoteollisuudelle. Saumattomasti toimivat kytkentätekniikat estävät jännitteiden heilahtelut vaihtamalla toimintatavan aina tarvittaessa alaspäin muuntavasta buck-tilasta ylöspäin muuntavaan boost-tilaan ja päinvastoin.
Vaatimukset muuntimien korkeasta hyötysuhteesta ovat puolestaan johtaneet niiden erittäin alhaiseen lepovirtaan. Tarkasti jännitettä valvovat tehonhallintapiirit parantavat järjestelmän luotettavuutta. Toiminta 2 megahertsin kytkentätaajuudella taas varmistaa, etteivät alijärjestelmät häiritse esimerkiksi AM-radion toimintaa. Lisäksi jo tehtaalla esiasetetut jännitteet vähentävät ajoneuvon sähköjärjestelmään kertyvien epäpuhtauksien ja kondenssiveden aiheuttamien jännitevaihtelujen riskiä.
Tarkastellaan lopuksi vielä auton tyypillistä keskitason laitekokoonpanoa (kuva 4), joka sisältää useita instrumentteja (nopeusmittari, kierroslukumittari), 7-segmenttinäyttöisen LCD-paneelin (trippimittari), summerin, muutamia varoitusilmaisimia ja tietoliikenneliitännän (CAN). Instrumenttiryhmä käyttää S6BP202A-piiriä tehonhallintapiirinä ja S6J3120-piiriä mikro-ohjaimena.
Vaikka akun jännite saattaa vaihdella +2,5 ja +42 voltin välillä, ja vaikka auto voi eri tilanteissa joutua arktisesta kylmyydestä (-40°C) aina polttavaan kuumuuteen (+125°C) asti, S6BP202A-piiri tuottaa jatkuvasti stabiilia +5 voltin syöttöjännitettä S6J3120-piirille kaikissa mahdollisissa oloissa.
Kuva 4. Ajoneuvon tyypillinen keskitason laitekokoonpano.
*) Kasvihuonekaasuiksi kutsutaan ryhmää ilmakehän kaasuja, joiden pitoisuuden kohoaminen nostaa ilmakehän lämpötilaa. Ryhmään kuuluvat hiilidioksidin (CO2) lisäksi vesihöyry (H2O), metaani (CH4), typpioksiduuli (N2O), otsoni (O3) sekä joukko kloorifluorihiilivetyjä eli freoneja (CFC).
Moni fyysisen kunnon ja terveyden seurantaan tarkoitettu laite sisältää erilaisia elintoimintojen mittauksia, mutta niiden tarkkuus ja luotettavuus eivät täytä terveydenhoidon ammattilaisten vaatimuksia. Pitkälle integroidun AFE-piirin avulla voidaan kuitenkin rakentaa jopa iholle kiinnitettävän tarralapun muotoon mittausjärjestelmä, joka hoitaa kaikki tärkeät elintoimintojen mittaukset kliinisellä tasolla.
