Autojen sähköistymisen edetessä 12 voltin järjestelmät ovat tulleet käytettävyytensä rajoille, kun yhä useammat ajoneuvon mekaaniset toiminnot halutaan suorittaa sähköisesti. 48 voltin sähköjärjestelmän käyttöönotto tarjoaa käyttäjille enemmän suoritustehoa, mutta korkeampi toimintajännite vaatii myös uudenlaisia suojausratkaisuja.
|
Artikkelin kirjoittajista Ralf Hickl toimii Rutronikin Automotive-yksikön tuotemyyntipäällikkönä ja Uwe Rahn yksikön johtajana. |
Autoelektroniikkaan erikoistunut Bosch Semiconductors kehittää parhaillaan mikropiiriä, joka on erityisesti tarkoitettu ajoneuvojen 12 – 48 voltin sähköjärjestelmien suojaukseen. Suojauspiiristä kiinnostuneet ensikäyttäjät voivat jo tilata Rutronikilta näytekappaleita piiristä testaamista varten.
48 voltin sähköjärjestelmä tarkoittaa muutakin kuin neljä kertaa 12 volttia. Se avaa samalla tietä hybridiautoille, mikä on merkittävä edistysaskel kohti sähköautoilua ja itseohjautuvia ajoneuvoja.
Lyhimmät sallitut johtimien väliset ilmaraot ja eristevälit ovat avaintekijöitä 48 voltin sähköjärjestelmissä. Riskialtista kipinöintiä ja valokaaria alkaa syntyä, kun yli 20 voltin jännitetasolla tapahtuu oikosulkuja, kaapelikatkoksia tai kuormitetun linjan kytkentätapahtumia.
Valokaaret ovat erittäin kuumia ja muodostavat siten merkittävän tulipaloriskin. Tämän riskin tehokkaaseen hallintaan tarvitaan lujarakenteisia sekä lämpöominaisuuksiltaan vakaita erikoisreleitä ja liitinjärjestelmiä.
Toinen teknisesti monimutkaisempi mutta järkevä ratkaisu valokaarien estämiseksi on niiden varhainen havaitseminen mittaamalla sekä arvioimalla virta- ja jännitekaavioita älykkäiden anturien keräämien tietojen avulla.
Valokaarien tuottamat riskit
Yli 20 voltin jännitetasojen lisäksi ilmenee toinenkin tilanne, jolloin pysyviä valokaaria saattaa syntyä. Virrasta ja jännitteestä riippuen vaaditaan noin sadan watin kuormitusteho, jotta syntyvä valokaari jäisi palamaan.
48 voltin sähköjärjestelmät luokitellaan siksi valokaarien suhteen korkean riskin virtapiireiksi, sillä ne sisältävät useita käyttäjille tarjottavia toimintoja, joiden tehovaatimukset ovat korkeita: sähköiset turboahtimet, sähköisesti tehostetut ohjauslaitteet ja dynaamiset ajovakauden hallintajärjestelmät.
Valokaaririskin vuoksi sopivat suojausratkaisut ovat korvaamattomia. Periaatteessa valokaarien syntymiseen on kaksi eri mahdollisuutta.
Valokaaren syntymisen mahdolliset syyt (lähde: Bosch).
Yksinkertaisin tapaus on kuorman rinnalla esiintyvä valokaari, joka syntyy jännitteellisen johtimen oikosulusta maatasoon esimerkiksi viallisen johdineristeen vuoksi. Jos vikavirran kulkureitin resistanssi on suhteellisen alhainen, syntyvä oikosulkuvirta tai valokaarivirta on erittäin suuri ja se summautuu kuormavirtaan.
Suuri virta polttaa sulakkeen tai laukaisee muun suojauspiirin, katkaisee virrankulun ja sammuttaa valokaaren. Luonnollisesti sulakkeen on myös kyettävä sammuttamaan oman kotelonsa sisälle syntyvä valokaari.
Toinen valokaarityyppi, joka syntyy sarjamuodossa kuormituksen kanssa, on paljon vaikeampi havaita. Se syntyy, kun aktiivisena oleva virtapiiri katkaistaan. Esimerkkejä tästä tilanteesta ovat relekontaktien avautuminen ja sulkeutuminen sekä liittimien irrottaminen, kun niiden kautta kulkee virtaa. Valokaaria voi syntyä myös viallisten johtimien, löysien kontaktien tai huonon maadoitusliitännän vuoksi.
Kun valokaari on sarjassa kuorman kanssa, ylimääräinen jännitepudotus valokaaren kohdalla pienentää kuormavirtaa. Tämän vuoksi tavanomaiset sulakkeet tai muut suojauspiirit eivät kykene tunnistamaan sarjamuodossa esiintyviä valokaaria. Sulakkeen tai suojauspiirin katkaisurajaa ei silloin ylitetä.
Tavanomaisissa sähköjärjestelmissä suojakomponenttina toimii tyypillisesti sulake, joka estää sähkökaapelia syttymästä ylikuumenemisen, ylivirran tai oikosulun vuoksi. Tulevaisuudessa se tullaan loogisesti korvaamaan elektronisella ratkaisulla, joka varmistaa, että kaikentyyppiset valokaaret kyetään tunnistamaan ja sammuttamaan luotettavasti ja tehokkaasti.
Elektroninen sulake lisää vaihtoehtoja
Valokaarilta suojautumisen lisäksi puolijohdekytkimistä koostuvat elektroniset sulakkeet tarjoavat lisäetuja. Toisin kuin perinteiset sulakkeet, elektroniset sulakkeet voidaan nollata ja käyttää uudelleen. Laukeamisen jälkeen elektroninen sulake voidaan diagnosoida ja resetoida ajoneuvoväylän kautta ilman työkaluja.
Elektroniselle sulakkeelle voidaan melko vapaasti suunnitella sulakekanavan suojausominaisuudet. Esimerkiksi puhtaan ylivirtasuojauksen kapasiteetti voidaan määritellä erittäin suurille virroille, kun taas I²t-ominaisuutta voidaan käyttää katkaisurajana keskisuurille ja pienille virroille.
Suojaustoiminto voidaan siten sovittaa joustavasti kytkettävän johtimen virtakapasiteettiin ja kuorman dynaamiseen käyttäytymiseen. Sen sijaan käytettäessä perinteisiä sulakkeita on välttämätöntä varastoida runsaasti sulakeversioita eri kuormavirroille ja katkaisunopeuksille (viivästetty katkaisu).
Elektroninen sulake yhdistää suojaus- ja kytkentätoiminnot, mikä tarjoaa lisäedun. Perinteinen sulake voi ainoastaan katkaista virtapiirin, kun taas väyläohjattu elektroninen sulake voi sekä katkaista että kytkeä virtapiirin. Tämä voi poistaa tarpeen käyttää erillistä virrankatkaisupiiriä, jollainen pitää aina olla suojapiirinä, jos käytetään tavallista sulaketta.
Seuraava näkökohta liittyy turvallisuuteen. Väyläliitännällä varustettu elektroninen sulake voi myös katkaista kuormavirran tarkoituksellisella ja hallitulla tavalla. Elektroninen järjestelmänhallinta voi siten saada aktiivisen roolin järjestelmän sähköenergian jakelussa esimerkiksi keskittämällä tehosyötön turvallisuustasoltaan asianmukaisille piirinosille.
iFuse korvaa sulakkeen
Autoelektroniikkaan keskittyvä Bosch kehittää parhaillaan 12, 24 ja 48 voltin sovelluksille erittäin pitkälle integroitua ASIC-piiriä, joka tunnetaan nimellä iFuse. Mikro-ohjaimeen ja N-kanavaisiin MOSFET-tehotransistoreihin perustuvaa piiriä voidaan soveltaa nelikanavaisen puolijohdesulakkeen suunnitteluun. Toimiessaan iFuse integroi mikro-ohjaimelle asiakaspiiriin halutut eri toiminnot kuten teholähteen, vahtikoiratoiminnon ja syöttöjännitteen valvontapiirin.
Lisäksi mukana ovat N-kanavaisen mosfetin hilaohjaimet, joita käytetään kytkiminä. Tämä on nerokasta, sillä virtamittaukset voidaan näin tehdä ilman ulkoisia antureita kuten rinnakkaisia shunttivastuksia.
Perustoiminto ’ylivirtakatkaisu’ tapahtuu myös itsenäisesti ilman mikro-ohjaimen väliintuloa. Ohjaimen SPI-liitäntää käytetään moduulin konfigurointiin, lähtönastojen ohjaamiseen, vahtikoira-toimintoon sekä tila- ja diagnoosidatan takaisin lukemiseen.
Jännitteen muodostaminen
iFuse-piiri sisältää buck-tyyppisen hakkurimuuntimen, joka mahdollistaa suoran kytkennän ajoneuvon sähköjärjestelmään sekä sisäisen teholähteen alempien jännitteiden lineaariregulaattoreihin ja mikro-ohjaimen ulkoiseen teholähteeseen.
Kytkintransistorien hilajännitteet muodostetaan sisäisen boost-tyyppisen hakkurimuuntimen avulla. Kummassakin hakkuriregulaattorissa on oma sisäinen tehofetti, joten ulkopuolisia komponentteja ei juuri tarvita.
iFuse-piiri voidaan suojata jännitteen väärää napaisuutta vastaan ulkoisella mosfetilla. Piiri toimii 3,5 voltin syöttöjännitteen yläpuolella pysyvästi, jopa heti päälle kytkemisen jälkeen ja myös kylmäkäynnistyksen tapahtuessa.
Valokaarien tunnistus
Yhdessä väyläliitännällä varustetun älykkään kuorman kanssa iFuse mahdollistaa valokaarien tunnistuksen. Tämän toteuttamiseksi sekä iFusen kautta toimiva mikro-ohjain että älykäs kuorma määrittävät syöttöjännitteen ja -virran sekä vertaavat näitä arvoja mikro-ohjaimen kautta iFusen ohjausyksikössä.
Jos kuorman määrittämä virta on pienempi kuin iFusen mittaama virta, niin tämä ilmaisee kuorman rinnalla esiintyvän valokaaren. Jos taas kuorman määrittämä syöttöjännite on pienempi kuin iFusen mittaama jännite, niin syynä saattaa olla kuorman kanssa sarjassa esiintyvä valokaari.
Toinen menetelmä valokaaren määrittämiseen onnistuu käyttämällä syöttöjännitteen tai kuormavirran spektrianalyysiä. Tämä voidaan suorittaa mikro-ohjaimella, joka tarjoaa mahdollisuuden digitaaliseen signaalinkäsittelyyn (DSP) iFuse-piirin ohjausyksikössä.
Piiri tarjoaa tarvittavat mittaussignaalit, jotka yltävät suurille taajuuksille asti. Tämä on yleensä riittävä tapa yhdessä ylivirran valvonnan kanssa sellaisilla kuormilla, joihin ei ole rakennettu sisäistä ’älykkyyttä’ tai jotka eivät kykene kommunikoimaan.
Suojaustoiminnot
- Suojaus ylivirralta omatoimisesti ilman mikro-ohjaimen väliintuloa
- Täysi suojaustoiminto jopa 3,5 V syöttöjännitteeseen asti
- Ylivirran tunnistus ja virtapiirin katkaisu alle 10 mikrosekunnissa
- Jännitteen väärän napaisuuden tunnistus ja suojaus
- Ylivirran tunnistus ja virtapiirin katkaisu aktiivi- ja lepotilassa
- Sisäisten hilaohjainten ylikuumenemisen yksilöllinen tunnistus
- Tuki valokaarten tunnistukselle vaarantamatta suojaustoimintoja
Edut pähkinänkuoressa
- Yksi perusratkaisu kaikkien pienjännitejärjestelmien älykkäille sulakkeille
- Vähäinen tilantarve korkean integraatioasteen ansiosta
- Vankka autoteollisuuden vaatimukset täyttävä teholähde
- Virransäästötilat energiatehokkuuden takaamiseksi
- Helppokäyttöinen järjestelmän diagnosointi
- Nopea ja tarkka virranmittaus ilman ulkopuolisia komponentteja
- Mahdollisuus kaksisuuntaiseen katkaisuun kuten perinteisillä sulakkeilla
