Systemkonstruktörer betraktar för det mesta kraftflöden i endast en riktning: från källan till krafthanteringsblock till last. Men i till exempel fordonstillämpningar krävs krafthanteringsblock som klarar av dubbelriktade kraftflöden. Stephen Oliver, Vice VD VI Chip produkter, Vicor, beskriver här krav och implementering.

Vid laddnings-/urladdningstestning av batterier för fordon och andra transporttillämpningar omvandlas energi från en 48 V distributionsbuss till 12 V för batteriladdning. Ett typiskt system bekräftar batteriets prestanda genom att ladda ur den utrustning som testas via motståndsbanker nedströms. Den lagrade energin frigörs som värme vid testet, vilket kräver ytterligare energi för kylning. Ett vändbart kraftsystem kan dock återföra energin tillbaka till 48 V matningen, vilket undviker behovet av nedströms motstånd.

Fig 1 visar hur en konstruktion kan implementera sådan omvandling via ett par antiparallella kraftomvandlare. Dessa kraftomvandlare ger både 1:4 (step-down) och även 4:1 (step-up) spänningstransformering och -reglering. Traditionella arkitekturer måste bibehålla hög verkningsgrad vid förhöjda kraftnivåer och går inte att skala upp för omvandling vid höga spänningsförhållanden.

Fig 1. Traditionella reservbatterisystem utnyttjar antiparallella par av kraftomvandlare som ger spänningstransformering och –reglering i ett steg

I en alternativ arkitektur separeras funktionerna för spänningstransformering och -reglering och spänningstransformeringsblocket körs dubbelriktat (Referens 1). Fig 2 visar hur en VTM-baserad strömmultiplicerande modul implementerar exempelvis en sinusvågomvandlare, som ger mycket effektiv dubbelriktad spänningstransformering. Ett antiparallellt par av PRM-regulatormoduler utnyttjar en nollspänningsswitchad (ZVS, zero-voltage switching) buck-/boost-topologi som tillser noggrann spänning över såväl bussen som batteriet under batteriets laddnings-/urladdningscykel.

Fig 2. En alternativ arkitektur separerar funktionerna för spänningstransformering och –reglering, förbättrar verkningsgraden och är skalbar över ett brett område av spänningsförhållanden

I en prototypimplementering av denna arkitektur ger 300 W för batteriladdningsvägen och 1 500 W för bussdriftsvägen. Mätningar utförda med prototypen visar på toppverkningsgrader för de två vägarna på 92,9% respektive 93,6%. Arkitekturen kan skalas upp för att stöda reservbatterier till de 380 VDC-bussar som utnyttjas i nya datacentraler. Tillsammans med hög verkningsgrad i drift gör skalbarheten också att vändbara kraftarkitekturer är attraktiva för en rad olika tillämpningar som utnyttjar lokal energilagring.

Missionskritisk kraft
Ett extremt exempel är den självgående 155 mm bandvagnen Howitzer M109 som uppgraderats med A6 Paladin PIM ( se fig 3). Vid uppgraderingen har hydrauliken för vinkel- och höjddrift ersatts av elmotorer. Den huvudsakliga energikällan är en dieselmotor på 600 hästkrafter, som kraftmatar drivbanden och en 70 kW 600 VDC startgenerator (Referens 2). 600 VDC bussen kraftmatar systemen för målriktning och vapenladdning.

Fig 3. I A6-uppgraderingen av M109 Howitzer har den ursprungliga hydrauliken ersatts av 600 V elmotorer som inkluderar en 11 kW dubbelriktad 600 V / 28 V kraftomvandlare. (Bild från USAs armé)

En 11 kW dubbelriktad 600 V / 28 V kraftomvandlare driver M109A6s sofistikerade kommunikations- och målberäkningssystem samt en inbyggd batteribank. Underhållet och antalet reservdelar minskar genom att de ursprungliga hydrauliska systemen ersatts av elmotorer. Det har också blivit möjligt att snabbt reparera fordonet i fält utan att ta det till en servicestation.

Den dubbelriktade kraftomvandlaren möjliggör för den lågspänningsbaserade batteribanken att backa upp högspänningsbussen, vilket utesluter behovet av högspänningsbaserad energilagring, vilket skulle kunna vara riskabelt vid underhållsarbete i fält. Om en M109A6a skulle behöva kickstartas i fält kan ett servicefordon med tillgång till 24 -28 V tjäna som startkälla med vanliga lågspänningskablar. Det behövs ingen reservkraftkälla på 600 V.

Kraft att lyfta jorden
Tillverkare av annan utrustning, exempelvis grävmaskiner, har omarbetat sina systemkonstruktioner för att göra dem mer energieffektiva, och med god anledning: Mindre än 14 procent av den totala energin i det dieselbränsle som en typisk maskin förbränner går till att utföra nyttigt arbete.

Tabell 1. Energibudget för hydraulisk grävmaskin (källa: Komatsu)

I likhet med inom fordonsindustrin utnyttjas nu olika hybridkraftarrangemang för tung utrustning. Konstruktionerna övergår från hydraulik till elmotorer drivna av en diesel-elektrisk generator med kapacitet på cirka 100 kW.

Med övergången till elmotorer kan dessa maskiner exempelvis bromsa grävarmen med hjälp av energi som återvunnits på liknande sätt som vid inbromsningen av ett hybridfordon. Återvunnen energi lagras i högspänningsbaserade ultrakondensatorstackar, som klarar snabb laddnings-/urladdningshastighet vid hög ström och ger lång cykellivslängd.

En tredje besparingstyp härrör ur drift av hjälpsystem, exempelvis luftkonditionering i flygplanskabiner, som också drivs med elkraft, vilket möjliggör för operatörer att stänga av dieselmotorn istället för att den går på tomgång. En dubbelriktad reservkraftomvandlare på 2,4 kW 800 V / 24 V möjliggör energihanteringsstrategier som överbryggar gapet mellan låg och hög spänning.

Komatsu har exempelvis rapporterat att företagets hybrid-grävmaskin HB215LC-1 förbättrat den andel bränsle som går till nyttigt arbete med mellan 13,3% och 17,7% jämfört med motsvarande traditionella hydrauliska maskiner. Därmed förbrukar HB215LC-1 totalt sett 25% mindre bränsle, vilket också leder till att koldioxidutsläppen minskar med samma procentsats.
Stephen Oliver, Vice VD VI Chip produkter, Vicor

Referenser:
Yu, Xiaoyan, Battery backup systems, applikationsnot, Vicor.
Have guns, will upgrade: The M109A6 Paladin PIM self-propelled Howitzer, Defense Industry Daily, 31 oktober 2013.

Filed under: Fordonselektronik