Villamos autókban, nyilvánvalóan egy elektromos áramforrás része a hajtásrendszernek, a benne tárolt energiát használják a motorok a jármű mozgatásához. Általában ez egy egyenáramot szolgáltató, a megszokott 12V-nál nagyobb feszültségű akkumulátort jelent. Nem csak a hajtásrendszert, hanem sok más apróbb segédüzemi berendezést is el kell látni villamos energiával (világítás, szivattyúk, ventilátorok, elektronikák, stb.). Általában egy kisfeszültségű hálózat is kiépítésre kerül, aminek része egy kisfeszültségű akkumulátor.

Kérdezhetnénk, minek ez a felhajtás, miért nem lehet egy rendszerről üzemeltetni a berendezéseinket? A hajtásrendszer általában nagyságrendekkel több teljesítményt igényel, mint a segédüzemi berendezések. Egy 100 lóerős járművet manapság nem tekintünk nagy teljesítményűnek, ugyanakkor egy 100 lóerős (kb. 75kW-os) villanymotort 12V-ról járatásához kb. 6250A-re lenne szükség (75000W/12V). Ez nagyon nagy áramerősség, érzékeltetésül a fali dugaljakból általában 16A-t lehet vételezni. Nehéz lenne ekkora áram szolgáltatására képes akkumulátort tervezni, illetve a vezetékek is nagyon nagy átmérőjűek és tömegűek lennének. Ezért a hajtásrendszerek általában nagyobb feszültségről üzemelnek, ezáltal a maximális áramerősség kezelhető nagyságú lesz.

Ez remek, de akkor miért nem lehet a segédüzemet is nagyobb feszültségről járatni? A nagyobb feszültség szigetelési problémákat okoz, illetve életvédelmi szempontokat is figyelembe kell venni, vagyis macerás és drága lenne a rendszer.

Nem marad más megoldás: két különálló villamos hálózatot kell kiépíteni. A kisfeszültségű (low voltage, vagy LV) rendszer általában megegyezik a belsőégésű motoros gépjárművek rendszerével, 12V-os és tartalmaz egy 12V-os akkumulátort. A nagyfeszültségű rendszer (high voltage, vagy HV) általában a nagyfeszültségű akkumulátorból, a motorvezérlőből és a motorból áll.

Mi az a DCDC konverter?

Belsőégésű motoros járműveket általában egy generátorral is ellátják, ami egyrészt tölti a 12V-os akkumulátort, másrészt ellátja energiával a segédüzemi berendezéseket. Ha a rendszerben rövid időre nagy áramerősségre van szükség (például elektromos szervó hirtelen nagy kormánymozdulatra reagálva), akkor egy részét az akkumulátor szolgáltatja. Mivel ilyen áramcsúcsok nem folyamatosan lépnek fel, ezért a generátort elég csak a megfelelő biztonsági tényezővel az átlagos terhelésre méretezni.

Villamos járműben nagyon kellemetlen megoldás lenne, ha a villanymotorra egy generátort szerelnénk, ugyanis a motor csak akkor forog, ha a jármű mozog. Többek között emiatt általában egy DCDC konverter gondoskodik a 12V-os rendszer ellátásáról. A “DC” a direct current, vagyis egyenáram rövidítése, tehát a DCDC konverter az egy “egyenáram-egyenáram átalakító”. Tulajdonképpen a HV akkumulátorról látja el energiával az LV rendszert, hasonlóan egy generátorhoz.

Mit tud egy jó DCDC átalakító?

Mivel az LV rendszer tartalmaz egy akkumulátort, ezért talán a legfontosabb szempont, hogy ne tegye tönkre az akkut, vagyis optimális értéken kell tartsa a kimeneti feszültségét. Nagyon sokat lehet vitatkozni, hogy mekkora pontosan ez a feszültség, a gépjárművekben a generátor feszültségszabályzója általában 13.5V-14.5V közé lövi be a rendszerfeszültséget. A túl nagy feszültség nem jó, mert vízbontás indul meg az akkuban, a kis feszültség szulfátosodást okoz, ami tönkreteszi az akkut. A jó DCDC konverter tehát nem 12V-os, hanem 13.5V-14.5V közötti állandó kimeneti feszültséggel rendelkezik, ideális esetben a kimeneti feszültsége állítható a számunkra megfelelő értékre.

A DCDC konverternek specifikus módon kell reagálni az áramcsúcsokra (villamos szervó rövid idejű magas árama, villanymotorok bekapcsolási tranziense, stb.). Az nagyon kellemetlen, ha egy áramcsúcs miatt a DCDC konverter kimeneti túláramot érzékelve lekapcsol és csak a jármű újraindításkor kapcsol vissza. Egy ilyen átalakító villamos járműben gyakorlatilag használhatatlan. A jó DCDC konverter áramkorláttal rendelkezik a kimenetén, vagyis ha a kimeneti áram túllépi a megengedett értéket, akkor elkezdi csökkenteni a feszültségét, így részben áthárítja az áram szolgáltatását az akkura. Ha a nagy áramerősség igény megszűnik, akkor pedig a feszültséget visszaszabályozza és tölti az akkumulátort.

Az igazán jó DCDC konverter túlmelegedés ellen is védett. Általában ezt úgy valósítják meg, hogy mérik a főbb teljesítményelektronikai alkatrészek hőmérsékletét és ha azok közül valamelyik elér egy maximális értéket, akkor a DCDC konverter kikapcsol. Ezután a berendezés hűlni kezd, ha a hőmérséklete egy bizonyos szint alá csökken, akkor újra visszakapcsol. Itt is fontos, hogy ne kelljen újraindítani az eszközt, ugyanis senki sem szeretne utazás közben csak ezért félreállni és újraindítani a rendszert. Ritkább esetben a túlmelegedés elleni védelem az áramkorlát értékének csökkentésével valósul meg, vagyis már melegedés közben elkezdi visszavenni a kimeneti áramot, ami csökkenti a melegedés mértékét. Így a túlmelegedés megelőzhető és sosem kapcsol ki a DCDC, csak kisebb áramot fog tudni szolgáltatni.

Olcsó húsnak híg a leve?

A Mazdában egy 100A-es névleges áramú generátort találunk, ha biztosra akarunk menni, akkor egy 100A-es DCDC-re lesz szükség. Persze lehet tudományoskodni, számolgatni.

A 100A-es generátor, MADE IN JAPAN

Azzal, hogy a motort, hűtőrendszert, üzemanyagrendszert kikaptuk a kocsiból csökkentettük az LV rendszer fogyasztóinak számát. A nagy fogyasztók egy része megmarad (fényszórók, elektromos szervó, ablakemelők, ülésfűtés, vákuumszivattyú, stb.) és a pluszban beszerelt elektronikák is fogyasztani fognak.

Biztosra akartunk menni, úgyhogy rákötöttük a 12V-os akkut a félig kibelezett autóra és mértük az akku áramát. Próbáltunk minden lehetséges fogyasztót bekapcsolni. A kormány mozgatása nélkül 45A-t mértünk, a kormányt gyorsan jobbra-balra tekergetve pedig 60A-nál nem mértünk nagyobbat. Mivel egy lakatfogós multimétert használtunk a méréshez, ezért lehetséges, hogy volt ennél nagyobb csúcsáram is (mivel ezek a multiméterek egyfajta átlagolt értéket jeleznek ki). Végül úgy döntöttünk, hogy nem kockáztatunk, 100A-es DCDC-t fogunk keresni.

A google a barátunk volt, rengeteg DCDC konvertert lehet találni. Nekünk olyan kellett, ami 95V (34*2,8V) és 124V (34*3,65V) közötti bemeneti feszültségről tud működni, a kimenetén pedig a korábban ismertetett tulajdonságai vannak (13.5-14.5V közötti feszültség, áramkorlát, túlmelegedés elleni védelem). Legyen víz és porálló is természetesen, hiszen a motortérbe fogjuk beszerelni. A legtöbb DCDC az áramkorlát kritériumon bukik el, ugyanis az ipari konverterek általában lekapcsolnak túláram esetén. Végül arra jöttünk rá, hogy csak olyan helyen érdemes keresgélni, ahol kimondottan villamos járművekhez való alkatrészeket árulnak. Azt is tudomásul vettük, hogy valószínűleg egyben 100A-es, vagyis 1-1.5kW-os DCDC-t nem fogunk találni, hanem kettőt vagy több kisebbet kell párhuzamosan kötnünk. A neves teljesítményelektornikai gyártók honlapján erre a feszültségszintre pont nem volt semmilyen termék, de a legtöbb helyen megnyugtattak, hogy egyedi kérésre bármilyet tudnak gyártani. Természetesen az ár borsos és csak több száz, esetleg több ezer darabszám esetén éri meg nekik, tehát ez az opció is kiesik. Köszönjük szépen, ennyi erővel mi magunk is fejleszthetünk magunknak.Több potenciális DCDC is a szemünk elé került, de általában nem válaszoltak az emailjeinkre, pedig mi nagyon szorgosan küldtük őket.

Így jutottunk el végül egy amerikai villamos járműves céghez, a ThunderStruck Motors LLC-hez. Náluk aztán mindenféle villanyos átalakítós alkatrészt meg lehet találni, persze ők feltehetőleg csak forgalmaznak, kereskednek. Érdekesség, hogy a honlapjuk alapján nevesebb cégek termékeit és ismeretlen távol-keleti példányokat is forgalmaznak. A DCDC konvertereik közül találtunk egy szimpatikusat. Névlegesen 96-144V közötti bemeneti feszültségen működik, 50A kimeneti áramra képes. A leírás alapján pontosan ólomakkuk töltésére találták ki, ennek megfelelően a névleges kimeneti feszültsége 13.8V.

Mivel nem volt túl bőszavú a leírás, ezért kérdésekkel bombáztuk őket, amire válaszoltak és megnyugtattak minket, hogy ez nekünk pont jó lesz. Eldöntöttük, veszünk két TSM 144V DCDC konvertert! Utaltunk, ők átadták a futárnak, vámoltunk és 10 nap múlva már meg is érkeztek a berendezések. Na és ekkor kezdődött a nyűg.

A két konverter

Mit csinál a jó mérnök? Nem hisz az adatlapnak, csak a mérsének. Úgyhogy 120V-os asztali labortáp bekapcsol, bekapcsolási feszültségszintet mérünk. Sajnálattal tapasztaltuk, hogy a konverter csak 109V-nál hajlandó bekapcsolni, és ha utána a bemeneti feszültség 105V alá csökken, akkor kikapcsol. Ez nagyon nem jó, mert 3.2V-os cellafeszültség alatt nem fog tudni biztonságosan üzemelni, nagyobb gázadásra a cellák feszültsége üzemszerűen beeshet ezen érték alá. Jó, gondolja az ember, gyári hibás az eszköz, nézzük meg a másik konvertert. Az is pontosan ugyanígy működik. Ez már gyanús.

Írtunk a forgalmazónak egy szép levelet, pontosan leírást adva arról, hogy mit, hogyan és miért mértünk. Kértük hogy adjanak magyarázatot az eltérésre, és lehetőleg valami megoldást a problémára. Meglepően gyorsan válaszoltak (egy napon belül, ez gyorsnak mondható a -9 órás időeltolódást figyelembe véve). Megígérték, hogy felveszik a gyártóval a kapcsolatot. Két nap csend után megpingeltük őket, amire válaszul megnyugtattak, hogy ők is tesztelnek épp pár darabot, amint lesz infójuk szólnak. Három nap múlva jött is a válasz: sajnálják, de a gyártó időközben megváltoztatta a specifikációt. Ezután teljesen korrektül jártak el, visszavásárolták volna az eszközöket, de mi még nem akartuk feladni. Sem a csomagot, sem a küzdelmet. Viszont ne szaladjunk ennyire előre! Azóta javították a specifikációt a honlapjukon, legalább más nem fog ezzel szívni.

Itt álltunk használhatatlan DCDC konverterrekkel és elpazarolt drága idővel.

Megoldás

Ha úgyse tudjuk így használni a konvertereket, akkor szedjük szét, nézzük meg nem lehet-e pár alkatrész cseréjével konfigurálni valahogy. Elvégre villamosmérnökök vagyunk, nem mellesleg teljesítményelektronikához is konyítunk. Általában az egyszerűbb elektronikákban egy ellenállásosztóval állítják be bekapcsolási feszültségküszöböt, tehát elvileg az ellenállásértékek módosításával konfigurálható ez a paraméter. Persze ez nem garantálja, hogy a konverter többi része jól és jó hatásfokkal fog működni alacsony bemeneti feszültség mellett.

Kicsavaroztuk hát a burkolat pár csavarját és egy viszonylag egyszerű elektronika fogadott minket.

Csavarozás után

A fedél alatt ezt találjuk

A piros(+) és fekete(-) vezeték a kimenet, a sárga(+) és szürke(-) pedig a bemenet. A zöld vezeték a bekapcsolásért felelős, ha összekötjük a sárgával akkor bekapcsol a DCDC, egyébként nem. A szemfüles olvasó észrevehet a kimeneti vezetékek alatt egy tüskesort mellette érdekes számokkal. Mi ennek akkor még nem tulajdonítottunk nagy jelentőséget, ezért teljesen szétszereltük a konvertert, hogy legyen esélyünk visszafejteni a működését. Kiszereltük tehát, mert lehet, hogy a nyomtatott áramkör alján is vannak alkatrészek.

Felülről

Alulról

Elszomorodva tapasztaltuk, hogy alul nincsenek alkatrészek, feleslegesen szedtük szét. Persze így legalább látszik, hogy az alsó rétegen hogyan futnak a vezetékek az áramkörben. A visszafejtéshez ez is hasznos.

Jobban szemügyre véve az elektronikát látszik, hogy csak a tüskesorok környékén vannak apróbb alkatrészek, ezek végzik a szabályzási és mérési feladatokat, a többi részen csak kondenzátorok, tranzisztorok, diódák, induktivitások, transzformátorok, snubberek vannak, szóval a bemeneti feszültséget a tüskesorok környékén lehet konfigolni.

A vezérlés

Még jobban megnézve az áramkört nem találunk benne semmiféle beágyazott elektronika eszközt. Ez azt jelenti, hogy nem programozott eszköz vezérli a tranzisztorokat, hanem egy hardveres IC, mégpedig az a 2844B feliratú 8 lábú alkatrész. A viszonylag nagy fekete, fehér számokkal ellátott alkatrészek lesznek a bemeneti feszültségosztó ellenállásai, tehát ezekkel kéne babrálni, hogy módosuljon a bekapcsolási feszültségküszöb. Ekkor vettük észre, hogy a tüskesorok mellett érdekes számokat találunk (108-63, 90-54, 81-45, 72-36), a 108-as számnál pedig pont van egy jumper. Ismerős ez a szám valahonnan? Igaz, mi bekapcsolási határnak 109V-ot mértünk, de 1V bőven belefér. Következik tehát a gondolat: ha áttesszük a jumpert a 90-es feliratú tüskesor pozícióba, akkor minden bajunk megoldódik? Kipróbáltuk és működött, 90V-nál kapcsolt be. Tovább kísérletezve egy másik jumper áthelyezésével ki lehetett iktatni a zöld bekapcsoló vezeték funkcióját, ami nekünk csak problémát okozott volna. Innentől fogva ha a bemeneti feszültség 90V felett van, akkor a DCDC konverter automatikusan bekapcsol. Ez így csalódást keltően túl egyszerű volt!

Mérjünk még!

A sikeren felbuzdulva nekiállunk más tulajdonságok mérésének is. Először kíváncsiak voltunk, hogy minimális és maximális HV rendszerfeszültségen, különböző terhelőáram mellett milyen hatásfokkal rendelkezik. Ehhez szükség volt egy kellően terhelhető, állítható kimeneti feszültségű egyenáramú forrásra, hál’ istennek pont volt kétcsatornás 120V-os, 50A-es, 500W-os tápegységünk. A konverter kimenetére a Hajdú bojler fűtőszálakból készült műterhelésünket használtuk, azonban azon ilyen kis feszültségen csak 30A körüli áramot tudtunk áthajtani, ezért ennél nagyobb áramoknál még rákötöttük az elektronikus terhelésünket is (állítható nagyságú terhelésként tud funkcionálni). A kettő együtt már képes volt az 50-60A körüli terhelőáramra.

Hatásfok mérési elrendezés

A mérések alapján látszik, hogy a hatásfok egész széles terhelőáram tartományon 90% felett van. Az is látszik, hogy a konverter nagyobb feszültségen szignifikánsan jobb hatásfokkal rendelkezik, kevésbé melegszik. Kis terhelésnél a hatásfok elég pocsék, de ez minden kapcsolóüzemű tápegységre igaz, tehát nem meglepő. A grafikonokon szépen látszik az áramkorlát bekapcsolásának pillanata, kb. 50-55A környékén a konverter elkezdi beejteni a feszültségét. Levonhatjuk a következtetést: a gyártói specifikáció ezen része legalább igaz.

Kíváncsiak voltunk, hogy a melegedést hogy bírják a konverterek. Ezúttal a terhelést állandó értéken tartottuk, kezdetben 50A körüli áramot állítottunk be. A bemenetre 120V-ot kapcsoltunk és mértük a tranzisztorok valamint a transzformátor hőmérsékletét 1-1 digitális hőmérővel.

Terhelésteszt

Látszik, hogy kb. 10 perc után a konverter elkezdi leszabályozni a kimeneti feszültségét, ezáltal a kimeneti áram is csökkent (mivel gyakorlatilag ellenállások voltak a kimenetre kötve), így a melegedés is lassult. A mérés befejezésekor a feszültség már csak 9.8V volt, a kimeneten 43.4A áramerősséget mértünk. A transzformátor 80°C körül járt, a tranzisztorok 60°C-ra melegedtek. Hozzá kell tenni, hogy a doboz fedele a mérés miatt nem kerül lecsavarozásra, vagyis a mért értékek alulbecsülik a zárt dobozban kialakuló hőmérsékletviszonyokat. Ugyanakkor az autóban egy masszív fém tartókonzolra lesz a DCDC konverter csavarozva, amely jelentősen növeli a hőleadás mértékét, illetve a jármű haladása közben jelentős levegőáramlásra lehet számítani. Mindenesetre meg voltunk elégedve a működéssel, a konverter megvédi magát a túlterheléstől és nem kikapcsolással, hanem leszabályoz.

Konklúzió

Nem volt stresszmentes a DCDC kiválasztása, beszerzése, javítása, de végülis minden jóra fordult. A fontos szempontokat teljesíti, vélhetőleg az autóban is jól fog teljesíteni. A jármű tesztelése során majd minden kiderül.