Автомобили с напряжением силовой сети 42 В имеют также низковольтную сеть 14 В для подключения маломощных потребителей: световые приборы, электронные блоки управления, датчики и т.д. [1, 2].
Для питания низковольтного электрооборудования на автомобилях с высоковольтной силовой сетью используются понижающие преобразователи постоянного напряжения с буферными аккумуляторными батареями [3, с.84].
Источники питания низковольтных потребителей получают энергию из высоковольтной сети. При неработающем двигателе, если аккумуляторная батарея в силовой сети разряжена, возникает необходимость в передаче энергии от буферной батареи в высоковольтную сеть, поэтому преобразователи в источниках электропитания низковольтных потребителей, как правило, выполняются реверсивными [4, с.96; 5, с.309].
Иногда водитель не может запустить двигатель своего автомобиля из-за разряженной аккумуляторной батареи (например, фары были оставлены длительное время с включенными). В этом случае общей практикой является подключение выводов проблемной аккумуляторной батареи к исправной батарее другого автомобиля − «прикуривание».
Эта операция небезопасна. Неквалифицированный пользователь может допустить переполюсовку, что приводит к выходу из строя части электронного оборудования, дугообразованию с нанесением пользователю электротравм, может произойти взрыв водорода под капотом, который является побочным продуктом работы аккумуляторной батареи.
«Прикуривание» в сети 42 В становится еще более опасным. Есть так же риск неверного соединения между собой сетей 14 В и 42 В. В целях обеспечения электробезопасности выводы аккумуляторной батареи с напряжением 36 В и силовая электрическая сеть 42 В сделаны недоступными для «прикуривания».
На гибридных автомобилях, где напряжение в силовой сети достигает 150 ÷ 400 В, «прикуривание» запрещено.
Аккумуляторная батарея в сети 14 В может использоваться как для получения энергии от внешнего источника («прикуривание»), так и в качестве резервного источника энергии для батареи 36 В при ее разрядке (внутреннее «прикуривание»). На рисунке 1 показана структурная схема взаимодействия сетей 14 В и 42 В.
Рис.1.Структурная схема взаимодействия сетей 42 В и 14 В
ССГ – совмещенный стартер-генератор, 1 – трехфазный обратимый инвертор, 2 – аккумуляторная батарея 36 В, 3 – потребители в сети 42 В, 4 – реверсивный преобразователь постоянного напряжения, 5 – батарея 12 В, 6 – потребители в сети 14 В.
По результатам исследований специалистов фирмы Daimler Chrysler при температуре -10 ˚С достаточно всего лишь трех минут подкачки стартерной аккумуляторной батареи напряжением 36 В от батареи в сети 14 В, чтобы прокрутка двигателя была успешной. При этом из сети 14 В потребляется ток 50 А [6, с.142].
Для автомобильных реверсивных преобразователей напряжения 42/14 В обычно предлагается такая реализация силовой схемы (Рис.2) [6, с.142].
Рис.2. Схема реверсивного преобразователя напряжения
В режиме передачи энергии из сети с напряжением 42 В в сеть с напряжением 14 В работают транзистор VT1, диод VD2 и дроссель L. В такой конфигурации схема выполняет функции однотактного регулируемого преобразователя понижающего типа. Вход и выход преобразователя гальванически связаны.
Схема на рис. 2 позволяет получить на выходе 14 В напряжение меньше напряжения 42 В на входе. Стабилизаторы подобного типа содержат силовой регулирующий транзистор VT1, фильтр L и VD2, и схему управления, состоящую из импульсного элемента; схемы сравнения и усилителя.
В стабилизаторе реализован режим широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), тогда постоянная составляющая в выходном напряжении равна: [7, с.97]:
Uвых = Uвх γ, (1)
где величина γ показывает какую часть периода T силовые транзисторы находятся в проводящем состоянии (коэффициент заполнения).
Регулировочная характеристика (1) выполняется при безразрывном токе дросселя, для этого необходимо, чтобы L > Lкр.
Lкр = Uвых (1 – γ)/2fп·Iн min, (2)
где fп – частота преобразователя, Iн min − минимальный ток нагрузки.
Преобразователь повышающего типа дает возможность получать напряжение на выходе больше, чем на входе. В этом режиме работают транзистор VT2, диод VD1 и дроссель L (Рис.2).
В этом режиме в интервале, когда регулирующий транзистор VT2 открыт, ток дросселя L растет. На коммутирующий диод VD1 подается запирающее обратное напряжение, которое равно напряжению в высоковольтной сети. Напряжение на дросселе равно напряжению в низковольтной сети, т.е. 14 В, в дросселе накапливается электромагнитная энергия. При запирании транзистора VT2 в обмотке дросселя наводится ЭДС самоиндукции, которая суммируется с напряжением низковольтной сети. В интервале непроводящего состояния регулирующего транзистора под действием суммы напряжения в сети 14 В и ЭДС самоиндукции обмотки дросселя отпирается коммутирующий диод VD1 и энергия из дросселя начинает поступать в сеть 42 В. Напряжение на закрытом транзисторе VT2 равно выходному напряжению стабилизатора. Постоянная составляющая выходного напряжения в этом режиме работы схемы равна [7, с.112]:
Uвых = Uвх γ/(1 – γ) (3)
Отметим, что преобразователи повышающего типа имеют худшие массогабаритные показатели и КПД по сравнению с понижающей схемой [7, с.112; 8, с.40].
Библиографический список
- 42-volt electrical system // Wikipedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/42-volt_electrical_system (дата обращения 3.08.2014)
- Яковлев В.Ф. Использование в автомобильной электросети напряжения 42 В // Современная техника и технологии. – Ноябрь 2013. – № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2013/11/2578 (дата обращения: 7.08.2014).
- Яковлев В.Ф. Определение параметров преобразователя 42/14 В для электропитания ламп блок-фары. Тамбов, Альманах современной науки и образования, №11, 2009, с.92-94.
- Яковлев В.Ф. Евтушек А.Ю., Есин М.В. Гибридные системы электроснабжения автомобилей напряжениями 14 В и 42 В. Тамбов, Альманах современной науки и образования, №11, 2009, с.96-97.
- PistoiaG. Electric and hybrid vehicles.Amsterdam: Elsevier, 2010. 645 c.
- Frank R. Semiconductors and 42-V power supplies. Automotive Engineering international, 2000, с. 140-147.
- Гейтенко Е.Н. источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. – М., Солон-Пресс, 2008. – 379 с.
- Высоцкий В.Е., Коломийцев Ю.Н., Гуртов А.С., Филатов А.Н. Анализ структурной схемы электропитания автономного объекта как замкнутой системы автоматического регулирования. Москва, Механотроника, автоматизация, управление, №4, 2013, с. 39 – 43.