Для чего в электромобилях стоит 12-вольтовый аккумулятор?

В предыдущей статье мы разобрали, почему в электромобилях так быстро «дохнут» 12V АКБ. Чтобы в полной мере раскрыть тему, разберемся, для чего современному электромобилю вообще нужен отдельный 12-вольтовый аккумулятор, если в нем уже есть мощная тяговая батарея.

Зачем ставить в современные электромобили свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, которые были придуманы более 100 лет назад? Ответ прост – они, в отличие от LI-ion и LiFePO4 батарей, не боятся низких температур. При долгом простое основная силовая батарея греет сама себя и может разрядиться в «0». Для активации системы питания цепей электромобиля должна быть отдельная, незамерзающая батарея.

У современного электромобиля используется двухконтурная система. Основная, либо силовая аккумуляторная батарея, которая приводит в движение автомобиль и питает один либо несколько электромоторов, имеет напряжение от 400 до 800 вольт. А современные разработки грузовых электромобилей и того более, до 1500 вольт.

А почти все потребители энергии в автомобиле традиционно производятся автомобильной промышленностью напряжением 12 вольт. К ним относится:

• освещение;
• стеклоподъемники;
• регулирование сидений;
• стереосистема;
• и многие другие потребители, рассчитанные на напряжение в 12 вольт.

Это одна из причин использования аккумуляторной батареи с напряжением в 12 вольт. Но есть и другие функции.

Что бы в полной мере раскрыть тему, вначале коротко о том, что такое DC-DC преобразователь.

Прямой перевод Direct Current (DC) — постоянный ток. Это тип электрического тока, который течет в одном направлении. Его дают батареи, аккумуляторы, солнечные панели.

Direct Current to Direct Current — «постоянный ток в постоянный ток».

Казалось бы, парадокс, преобразует постоянный ток в постоянный ток. Да, если совсем просто, DC-DC выполняет ту же функцию, что и трансформатор для переменного тока.

Основная задача: взять постоянный ток с одним напряжением на входе и выдать постоянный ток с другим (обычно более низким) напряжением на выходе. Грубо говоря, взять 300V-800V от тяговой батареи и преобразовать в 12-14V для бортовой сети электромобиля.

Это не трансформатор. Классический трансформатор работает только с переменным током (AC). DC-DC — это сложное электронное устройство на основе полупроводников (транзисторов, диодов, катушек индуктивности и конденсаторов).

Это не инвертор. Инвертор DC-AC делает обратное: преобразует постоянный ток в переменный (например, для питания домашней техники от автомобильного аккумулятора).

Теперь подходим к самому интересному. У нас есть мощная тяговая батарея, есть замечательный DC-DC преобразователь, который понизит нам напряжение до необходимых 12-14V. Возникает вопрос: а зачем вообще нужен отдельный 12V аккумулятор в автомобиле?

Ответ кроется в фундаментальных различиях между источником напряжения и буферным накопителем энергии. Кроме этого, существуют еще и требования к безопасности и надежности.

Если коротко: 12V АКБ — это не источник энергии, а критически важный буфер и резерв для управления этой самой высоковольтной системой, которая у вас стоит, как правило, под днищем «электрички». Теперь разберем по пунктам, почему же простого DC-DC преобразователя, «трансформатора», недостаточно.

«Трансформатор» (DC-DC) не работает при отключенной высоковольтной батарее

Это основная причина. Для того, чтобы преобразователь начал работать и выдавал 12В, он должен быть подключен к источнику высокого напряжения.

Возникает проблема: как замкнуть высоковольтную цепь, чтобы подать напряжение на DC-DC? Для того, чтобы включить главные силовые реле (контакторы), соединяющие тяговую батарею с силовой электроникой, требуется... (барабанная дробь)… импульс питания 12В.

Получается замкнутый круг: нужны 12В, чтобы включить высоковольтную цепь, а чтобы получить 12В, нужна работающая высоковольтная цепь. DC-DC преобразователь не может самозапуститься без внешнего питания, и именно 12V АКБ дает этот стартовый импульс.

Вот 12V аккумулятор и решает эту проблему: он является независимым источником энергии для первоначального «пробуждения» бортового компьютера и замыкания высоковольтных контакторов. И только после этого включается DC-DC, который берет на себя питание сети и подзаряд АКБ.

Он питает контролер заряда и управляет высоковольтными контакторами, а также обеспечивает энергией насос охлаждения батареи и инвертор при запуске.

Простая аналогия: представьте, что для запуска мощной электростанции (тяговая батарея) нужно сначала включить небольшой дизель-генератор (12V АКБ), который и даст энергию на открытие главных заслонок и запуск котлов.

Обеспечение питания критически важных систем при аварии

Напряжение силового аккумулятора, как говорилось выше, от 400 до 800 вольт. Все высоковольтные кабеля в электромобиле имеют оранжевый цвет, 12-вольтные — другой цвет, как в обычных автомобилях с ДВС.

Такое напряжение опасно для жизни человека и при прикосновении к источнику человек получит серьезную травму либо может быть летальный исход. Задача 12-вольтной сети при возникновении аварии — обесточить, т.е. выключить напряжение силовой батареи, своеобразный буфер и выключатель.

Пример: при аварии система моментально размыкает высоковольтные контакторы, обесточивая силовую батарею, однако система 12 вольт остается активной, питая:

• аварийное освещение;
• систему оповещения для автоматического вызова помощи;
• датчики столкновения и подушки безопасности;
• системы пассивной безопасности (могут потребоваться для деблокировки дверей);
• аварийную связь (eCall);
• освещение салона;
• электроусилитель руля (чтобы можно было откатить поврежденный автомобиль).

Вот независимый 12V аккумулятор и обеспечивает работу этих систем при отключенной основной батарее.

Фильтрация пиковых нагрузок и стабилизация напряжения

Бортовая сеть 12В — это не статичная нагрузка. В ней происходят скачки потребления:

• включение мощных потребителей (обогревы стекол, сидений, компрессор кондиционера, фары);
• работа электроприводов (стеклоподъемники, люк);
• пиковые токи при включении реле и модулей.

DC-DC преобразователь имеет ограниченную скорость отклика и мощность. 12V АКБ выступает в роли буфера или конденсатора огромной емкости.

Он сглаживает пики, принимая на себя кратковременные нагрузки. Стабилизирует напряжение в сети, предотвращая «просадки», которые могли бы вызвать сбои в работе чувствительной электроники (компьютеров, датчиков). Это, кстати, тоже причины малого срока службы 12V АКБ в электромобилях.

Без АКБ DC-DC преобразователю пришлось бы быть постоянно рассчитанным на максимально возможный пиковый ток, что сделало бы его больше, дороже и менее эффективным.

Энергосбережение и работа в режиме «сна»

Электромобиль никогда не выключается полностью. В режиме «сна» (когда он стоит заблокированный) работают:

• система охраны и мониторинга;
• приемники сигналов с ключа или приложения;
• сетевые модули для обновлений ПО;
• бортовой компьютер, ожидающий команд.

Потребление хоть и мало (10-30 Вт), но постоянно. Если бы для этого круглосуточно работал мощный DC-DC преобразователь от тяговой батареи, потери энергии на его собственное функционирование были бы значительными, что привело бы к неоправданному разряду основной батареи на стоянке. Тогда бы вообще жизнь вашего электромобиля крутилась бы вокруг зарядной станции.

12V АКБ решает эту задачу: он питает «спящие» системы, а DC-DC включается лишь периодически примерно раз в час на 5 минут, чтобы быстро подзарядить его. Это в разы энергоэффективнее.

Какие 12-вольтовые аккумуляторы используются в электромобилях?

Давайте разберем, какие типы 12-вольтовых аккумуляторных батарей используются в современных электромобилях и последовательных гибридных автомобилях.

• Свинцово-кислотные (Pb-A) — дешевые, полностью перерабатываются, но тяжелые.
• Литий-ионные (LiFePO4) — легкие, долговечные, но дорогостоящие и боятся морозов, используются редко (Tesla Cybertruck, Lixiang).
• Суперконденсаторы — экспериментальное решение для быстрого заряда/разряда.

Заключение

12-вольтовый аккумулятор в электромобиле — это не пережиток прошлого и не атавизм, а жизненно важный системный компонент. Он выполняет функции независимого источника питания, буфера, стабилизатора и аварийного резерва, которые принципиально невозможны для одного лишь преобразователя напряжения.

Без 12-вольтной системы электромобили стали бы дороже, сложнее в обслуживании и менее безопасными. Это инженерный компромисс между надежностью, стоимостью и энергоэффективностью архитектуры электромобиля, который будет актуален еще, как минимум 10-15 лет, пока не произойдет массовый переход на новые стандарты напряжения.

На текущем этапе развития технологий — это оптимальный баланс между надёжностью, стоимостью и энергоэффективностью. В будущем возможны альтернативы, но пока 12V АКБ остаётся незаменимым элементом архитектуры электромобиля и фактически приносится в жертву вашему комфорту и безопасности.

Наслаждайтесь всеми преимуществами EVO автомобиля и не забывайте вовремя менять этот незаменимый компонент в вашем авто.

Технический отдел компании РИМБАТ.