Know How Ηλεκτρικό Σύστημα Part I

Για πιο κομμάτι θα μιλήσουμε

Η ενασχόλησή μας με το ηλεκτρικό σύστημα του οχήματος όλα αυτά τα χρόνια στη στήλη “Know How“ είχε να κάνει κατά βάση με το κομμάτι της ανάφλεξης, άντε και τη σχέση της με το καθαρά ηλεκτρονικό μέρος από και προς την ECU. Ήρθε η ώρα, όμως, να αφήσουμε τα ηλεκτρονικά σήματα που σκοπό έχουν τη μεταφορά πληροφορίας από και προς αισθητήρες και ενεργοποιητές, και να πιάσουμε για πρώτη φορά τη μασίφ ηλεκτρική ενέργεια αυτή καθ’ αυτήν, χωρίς την οποία -μεταξύ άλλων- τα high-tech ηλεκτρονικά θα ήταν απλώς νεκρά: πώς και από πού έρχεται, πώς αποθηκεύεται/διοχετεύεται ξανά και πώς τελικά καταναλώνεται? Παραδοσιακά υπάρχουν δύο προσεγγίσεις ως προς τον επιμέρους κατακερματισμό του ηλεκτρικού συστήματος: η μία χωρίζει το κύκλωμα σε «τμήμα παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας» (δυναμό-μπαταρία και τα υποσυστήματα ελέγχου τους) και σε «τμήμα κατανάλωσης της ενέργειας» που είναι όλο το υπόλοιπο, δηλαδή μίζα, ανάφλεξη, φώτα και όλα τα άλλα συστήματα που απαιτούν ηλεκτρικό φορτίο. Η άλλη προσέγγιση χωρίζει το ηλεκτρικό σύστημα ανάλογα με τα δύο βασικά διακριτά επίπεδα τάσης: τον «κλάδο υψηλής τάσης», που ουσιαστικά περιλαμβάνει μόνο το κύκλωμα της ανάφλεξης μετά τον πολλαπλασιαστή με τα 10.000-30.000V του, και το «κύκλωμα χαμηλής τάσης», όπου είναι όλο το υπόλοιπο 12βολτο (ή 24βολτο ή, μελλοντικά, 42βολτο) σύστημα που παράγει, αποθηκεύει και καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια.

 

Πώς παντρεύονται όλα αυτά?

Άσχετα με το πώς θα επιλέξει καθένας να διαχωρίσει το κύκλωμα, σε κάθε περίπτωση το ηλεκτρικό σύστημα θα έχει ως ακρογωνιαίους λίθους τον 12βολτο συσσωρευτή (μπαταρία!), ένα μετατροπέα ενέργειας -από μηχανική σε ηλεκτρική ενέργεια (δυναμό-γεννήτρια, θα ασχοληθούμε στο μέλλον με τη σωστή ονομασία)- και τα στοιχεία που καταναλώνουν την ενέργεια (καταναλωτές ηλεκτρικής ή ηλεκτρονικής φύσης). Ας δούμε αυτήν τη φορά το συνολικό «δρόμο» και μελλοντικά θα ασχοληθούμε αναλυτικά με τα επιμέρους τμήματα. Όσον αφορά τον ίδιο τον κινητήρα, βασικότατο φορτίο είναι το μοτέρ της μίζας, η οποία τραβάει μαζικά την ενέργεια από την μπαταρία κατά την εκκίνηση, ενώ στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας μόνιμης κατάστασης, οι ανάγκες της ανάφλεξης και των λοιπών στοιχείων καλύπτονται από το διαρκώς προσαρμοζόμενο κύκλωμα εξισορρόπησης της παροχής, συνδυάζοντας το δυναμό ή/και την μπαταρία αναλόγως. Πιο συγκεκριμένα, καθώς ο κινητήρας λειτουργεί, το δυναμό παρέχει την ηλεκτρική ισχύ, η οποία αναλόγως με το επίπεδο φόρτισης-βολτάζ του κυκλώματος τη δεδομένη στιγμή (το οποίο εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής του δυναμό και τη συνολική κατανάλωση των ηλεκτρικών στοιχείων), υπό «ιδανικές» συνθήκες είναι αρκετή τόσο για τις τρέχουσες ανάγκες φορτίου όσο και για τη φόρτιση της μπαταρίας παράλληλα. Στο σενάριο που το συνολικό φορτίο που αντλούν τα υποσυστήματα του αυτοκινήτου είναι μεγαλύτερο από τη δεδομένη παροχή του δυναμό, το βολτάζ πέφτει σε λίγο χαμηλότερα επίπεδα (από τα 13,5-14,5V του δυναμό στα 12-13V της μπαταρίας), με την μπαταρία να αποφορτίζεται, φυσικά, αναλόγως. Υπάρχει ένα πολύ στενό εύρος στη σχέση «μεγέθους» μεταξύ μπαταρίας-δυναμό-μίζας-φορτίου υπόλοιπων στοιχείων έτσι ώστε να έρθει το σύστημα σε ισορροπία φόρτισης: και όταν λέμε ισορροπία, σημαίνει πως ο κινητήρας θα πρέπει πάντα να μπορεί να μπει σε λειτουργία από τη μίζα και επίσης ταυτόχρονα να είναι δυνατή η λειτουργία συγκεκριμένων φορτίων (ηχοσύστημα, φώτα, θερμαντικά κτλ.) για ανεκτό χρονικό διάστημα με τον κινητήρα σβηστό. Φυσικά, για τον ιδανικό συνδυασμό-συμβιβασμό στην αρχιτεκτονική του κυκλώματος, απαιτείται η χρυσή τομή και έτσι μπαίνουν διάφορα κριτήρια, όπως το χαμηλό βάρος, ο όγκος και φυσικά η κατανάλωση καυσίμου (δηλαδή εκπομπές) από την απομάστευση ενέργειας από το δυναμό. Ας δούμε με τη σειρά αναλυτικά τους παράγοντες που υπάρχουν στο παιχνίδι, οι οποίοι καθορίζουν όλα τα προαναφερθέντα κριτήρια.

 

Ελάχιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος: Η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία κατά την οποία μπορεί να εκκινήσει ο κινητήρας εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, μεταξύ των οποίων, όσον αφορά την μπαταρία, είναι η χωρητικότητα, η φόρτιση, η ένταση «κρύας εκκίνησης» και η εσωτερική της αντίσταση, ενώ όσον αφορά τη μίζα ρόλο παίζουν ο βαθμός απόδοσής της, το μέγεθος και φυσικά η αρχιτεκτονική της. Αν ο κινητήρας πρέπει να κάνει «πολύ κρύα» εκκίνηση, π.χ. στους -25 βαθμούς, απαιτείται μίνιμουμ ποσοστό πρότερης φόρτισής της, ενώ σε «απλά κρύα» εκκίνηση το ποσοστό φόρτισης ελαττώνεται. Εδώ, επομένως, παίζει ρόλο και η ονομαστική χωρητικότητα της μπαταρίας σε φορτίο, π.χ. για κοινή θερμοκρασία, μια των 44Ah απαιτεί μεγαλύτερο ποσοστό φόρτισης από μια 55Αh. Με άλλα λόγια μας ενδιαφέρει το απόλυτο αποθηκευμένο φορτίο (κάθε μπαταρία έχει τη δική της χαρακτηριστική καμπύλη ελάχιστης θερμοκρασίας εκκίνησης – φόρτισης).

 

Ένταση εξόδου του δυναμό: Η ένταση εξόδου ενός δεδομένου δυναμό είναι συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα στον οποίο το κολλήσαμε. Αν πούμε ότι το ρελαντί είναι στις n στροφές, τότε το δυναμό σε αυτό το χαμηλό εύρος μπορεί να παρέχει μονάχα ένα ποσοστό από την ονομαστική του ένταση (η οποία συγκεκριμένα ορίζεται στις 6.000rpm). Μιλάμε φυσικά για νορμάλ τυπική εφαρμογή, όπου η σχέση μετάδοσης ως προς την περιστροφή του στροφάλου είναι από 1:2 μέχρι 1:3 (δηλαδή το δυναμό γυρνάει με διπλάσια έως τριπλάσια ταχύτητα από τον κινητήρα). Η σχέση, ωστόσο, του ρυθμού περιστροφής του δυναμό και της έντασης εξόδου του δεν είναι γραμμική: αυξάνεται μεν, αλλά με μειούμενο ρυθμό, δηλαδή διπλάσια ταχύτητα δεν δίνει διπλάσιο ρεύμα αλλά λιγότερο, ενώ από κάποιο σημείο και μετά οποιαδήποτε αύξηση στην ταχύτητα περιστροφής δεν δίνει παραπάνω ένταση στους ακροδέκτες. Αν τώρα στο παράδειγμά μας οι συνολικές ανάγκες ρεύματος από τα «ανοιχτά» φορτία στο αυτοκίνητο είναι Iv (ας πούμε ότι έχουν σταθερή τιμή) και το ρεύμα από το δυναμό είναι έντασης Ig (μεταβλητό ανάλογα με τις στροφές, όπως είπαμε), έχουμε δύο πιθανές καταστάσεις: αν Iv>Ig, τότε το δυναμό πολύ απλά δεν φτάνει και έχουμε ταυτόχρονη αποφόρτιση της μπαταρίας, με την τάση στο κύκλωμα να πέφτει στο επίπεδο που έχει η μπαταρία εκείνη τη στιγμή. Αν Iv

Μιλώντας για καταναλώσεις ρεύματος από τα διάφορα ηλεκτρικά υποσυστήματα του αυτοκινήτου, είναι ευκαιρία εδώ να δώσουμε κάποια παραδείγματα για το τι πάνω-κάτω «καίει» το καθένα, ώστε να έχουμε μια τάξη μεγέθους της ανάλογης «ζημιάς» του καθενός από το συνολικό ρευματάκι μας:

 

Φορτίο-υποσύστημα	Κατανάλωση ισχύος
Ηλεκτρική αντλία καυσίμου	250 W
(OEM!) ραδιόφωνο	20 W
Φλας	5-42 W
Μεσαία σκάλα φώτων	90-110 W
Πίσω φώτα +  φώτα πινακίδας	25-30 W
Πίνακας οργάνων	20-22 W
Αντίσταση πίσω παρμπρίζ	60-200 W
Ανεμιστήρας καλοριφέρ	50-120 W
Βεντιλατέρ ψυγείου	30-120 W
Υαλοκαθαριστήρες	10-50 W
Φώτα «στοπ»	11-42 W
Εμπρός φώτα ομίχλης	20-110 W
Πίσω φως ομίχλης	2-21 W
Σύνολο	600-1145 W

 

Τώρα ξέρετε πού πάει ένα με ενάμισι άλογο από το μοτέρ σας (όσοι είστε της σχολής «ICE κλεμμένο από συναυλία Maiden» παίζετε σε άλλη κατηγορία, θέλετε ένα μοτέρ από 50άρι σκούτερ μόνο για το δυναμό σας).

Συνθήκες οδήγησης: Το πόσο γρήγορα τελικά θα γυρνάει (και άρα θα παρέχει ενέργεια) το δεδομένο δυναμό εξαρτάται από το πώς οδηγείται το όχημα, δηλαδή από το δεξί μας ποδάρι. Οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν διαγράμματα με τη μέση κατανομή της συχνότητας που ο κινητήρας βρίσκεται σε κάθε περιοχή του εύρους στροφών, έτσι ώστε να ξέρουν τι να περιμένουν από το δυναμό. Φυσικά, κάθε τύπος αυτοκινήτου, ανάλογα με την προβλεπόμενη χρήση έχει και άλλο προφίλ ως προς το πού θα δουλεύει το δυναμό και πόσο συχνά: ένα αυτοκίνητο πόλης ή ένα λεωφορείο αναμένεται να έχει πολύ χρόνο στο ρελαντί, ενώ σε ένα ταξιδιάρικο GT γέρνει περισσότερο η ζυγαριά προς υψηλότερες μέσες στροφές λειτουργίας. Η ισορροπία φόρτισης της μπαταρίας επηρεάζεται, φυσικά, εκτός από τη μέση «ταχύτητα» του οχήματος και από τη χρήση που κάνουμε από πλευράς φορτίων όταν ο κινητήρας είναι σβηστός. Ακόμα και υποσυστήματα τα οποία καταναλώνουν κάποια μικρή ισχύ ακόμα και με το κλειδί εκτός χωρίς να μπορούμε να τα απενεργοποιήσουμε (βλ. εσωτερικά ρολόγια κτλ.). Τυπικό παράδειγμα είναι τα τουριστικά πούλμαν, που με τη μηχανή σβηστή πάλι έχουν ένα κάρο δυνητικούς καταναλωτές στο κεφάλι τις μπαταρίας τους.

Ηλεκτρικά φορτία: Τα πολλά και διάφορα υποσυστήματα-ηλεκτρικά φορτία πέραν της διαφοράς στην απόλυτη τιμή της «απομύζησης» ηλεκτρικής ενέργειας, διαφέρουν αισθητά αναμεταξύ τους και στο πότε και για πόσο έρχονται στο παιχνίδι. Και εδώ, δηλαδή, μιλάμε για «προφίλ» ηλεκτρικής κατανάλωσης. Υπάρχουν κατ’ αρχάς τα οριζόμενα ως «συνεχή φορτία», όπως η ανάφλεξη και τα μπεκ ψεκασμού, υπάρχουν τα «μακράς διάρκειας φορτία», όπως τα φώτα και η αντίσταση του παρμπρίζ, και τέλος υπάρχουν και τα «μικρής διάρκειας φορτία», όπως τα φλας και τα στοπ. Από εκεί και πέρα ορίζονται και τα «εποχιακά», όπως είναι το A/C κατά τους θερινούς μήνες και τα θερμαινόμενα καθίσματα το χειμώνα. Στην τελευταία κατηγορία θεωρείται ότι μπαίνει και το βεντιλατέρ, αφού εξαρτάται από την εξωτερική θερμοκρασία. Κατά τη διάρκεια μιας «βόλτας», τώρα, αποδεικνύεται από τις μελέτες των κατασκευαστών πως η κατανάλωση βρίσκεται στο μέγιστο τα πρώτα 2-3 λεπτά μετά την εκκίνηση και έπειτα πέφτει σχετικά απότομα και σταθεροποιείται χαμηλότερα: αυτό έχει να κάνει αφενός με τις λειτουργίες του κινητήρα (όπως της κρύας εκκίνησης) που θέλουν να ζεστάνουν καταλύτες κτλ. με δευτερεύουσες ροές και αφετέρου με τα καθαρά «περιβαλλοντικά», όπως η θέρμανση παρμπρίζ-καθρεπτών-καθισμάτων. Κατά μέσο όρο ένα τυπικό αυτοκίνητο καταναλώνει 3kW (4 αλόγατα!) στο πρώτο λεπτό από την εκκίνηση και μετά τα δέκα πρώτα λεπτά έχει πέσει κάτω από το 1kW.

Τάση φόρτισης: Το βολτάζ φόρτισης της μπαταρίας πρέπει να είναι υψηλότερο σε χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος και χαμηλότερο σε ζέστες, έτσι ώστε να λάβουν χώρα ιδανικά οι χημικές αντιδράσεις στο εσωτερικό της μπαταρίας (θα δούμε αναλυτικότερα τι συμβαίνει εκεί τον επόμενο μήνα). Εδώ πρέπει να αναφέρουμε την «καμπύλη βολτάζ εξαέρωσης» της μπαταρίας, η οποία καταδεικνύει το μέγιστο επιτρεπτό βολτάζ φόρτισης κατά το οποίο τα χημικά στοιχεία της δεν «εξαερώνονται». Γενικώς και πέραν των μπαταριών, τα ηλεκτρικά φορτία απαιτούν βολτάζ το οποίο είναι όσο σταθερότερο γίνεται, να μην υπερβαίνουν συγκεκριμένα όρια και μην πηγαίνει ο νους σας σώνει και καλά σε υπερευαίσθητα ηλεκτρονικά εξαρτήματα ή πανάκριβα σετ γειώσεων μόνο: ακόμα και οι απλές λάμπες πυρακτώσεως απαιτούν πολύ στενό εύρος παρεχόμενου βολτάζ για να παραμείνουν μέσα στο προβλεπόμενο προσδόκιμο ζωής τους. Οι ρυθμιστικές διατάξεις πάνω στο δυναμό (στα παλαιότερα μοντέλα τουλάχιστον, πλέον το ρόλο έχει η ίδια η ECU) αυτή ακριβώς τη δουλειά κάνουν, δηλαδή σε περίπτωση που το ρεύμα από το δυναμό υπερβαίνει το άθροισμα της ισχύος από τα φορτία συν αυτό της φόρτισης της μπαταρίας, τότε περιορίζουν την έντασή του (σενάριο Iv + Ιb < Ig).

Δυναμικά χαρακτηριστικά συστήματος: Αν βάλουμε σε ένα καζάνι μαζί τις αλληλεπιδράσεις και τους συσχετισμούς μεταξύ μπαταρίας-δυναμό-φορτίων-θερμοκρασίας-rpm κινητήρα-σχέση μετάδοσης δυναμό, ορίζουμε το λεγόμενο «προφίλ δυναμικής απόκρισης» του συστήματος. Λέγεται «δυναμικής» διότι αλλάζει συνεχώς με κάθε μεταβολή οποιασδήποτε παραμέτρου ή συνθήκης λειτουργίας. Συνδέοντας, μάλιστα, ειδικό μετρητικό εξοπλισμό στους πόλους της μπαταρίας, παίρνουμε τις σχετικές «κλειστές» γραφικές παραστάσεις που για κάθε διαφορετική σχέση μεγέθους μπαταρίας-δυναμό δίνουν σε άξονες τάσης-έντασης τα διαφορετικά «νησιά απόδοσης», αντίστοιχα ακριβώς με τα γνωστά νησιά των χαρτών απόδοσης για κάθε διαφορετικό συμπιεστή turbo!

Υπολογισμός/προσομοίωση/σχεδιασμός ηλεκτρικού συστήματος: Οποιοσδήποτε υπολογισμός περί της ισορροπίας φόρτισης πρέπει να λαμβάνει υπόψη όλες τις παραπάνω μεταβλητές. Φυσικά και εδώ υπάρχουν τα σχετικά λογισμικά υπολογιστών από τους κατασκευαστές, τα οποία υπολογίζουν την τελική κατάσταση φόρτισης στο τέλος του τυπικού κύκλου οδήγησης (ή «τυπική βόλτα», όπως προαναφέραμε). Ο τυπικός κύκλος περιλαμβάνει π.χ. συγκεκριμένη παραμονή σε μποτιλιάρισμα, αφιλόξενες χειμερινές συνθήκες για τους λόγους που εξηγήσαμε, «καλοκαιρινή καταπόνηση» (το A/C είναι τρομακτική ρουφήχτρα ρεύματος). Το πρόγραμμα των κατασκευαστών έχει ως απόλυτο σκοπό να διασφαλίσει πως μετά από αυτό τον κύκλο, η φόρτιση θα είναι σε κάθε περίπτωση αρκετή ώστε η μίζα να μπορεί να επανεκκινήσει τον κινητήρα στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ένα βήμα παραπέρα σε αυτήν την υπολογιστική προσέγγιση είναι τα ακόμα πιο βαρβάτα ανάλογα simulators, στα οποία οι κατασκευαστές όχι μόνο αξιολογούν τα επιμέρους ηλεκτρικά υποσυστήματα, αλλά και το ίδιο το σύστημα ελέγχου και διαχείρισης των ρευμάτων του αυτοκινήτου. Ελέγχουν τον ελεγκτή, δηλαδή. Δυναμικά και σε απειροελάχιστο χρόνο κρίνουν όλα τα πιθανά διαφορετικά «μείγματα» αρχιτεκτονικής και απόκρισης του κυκλώματος και προκρίνουν το αποδοτικότερο. Ωστόσο, πέραν των χαρακτηριστικών του καθενός υποσυστήματος ξεχωριστά, όπως το βολτάζ του συστήματος ή το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας, σημαντικότατο ρόλο παίζει και η συνδεσμολογία της καλωδίωσης μεταξύ των τριών παικτών, μπαταρία-δυναμό-φορτία. Μπορείς να έχεις τα ίδια εξαρτήματα, αλλά συνδέοντάς τα διαφορετικά να πάρεις εντελώς άλλα αποτελέσματα. Το συνολικό ρεύμα Ιg = Ib + Iv ρέει από το κεντρικό καλώδιο φόρτισης αν όλα τα φορτία είναι συνδεδεμένα με την μπαταρία. Η τάση φόρτισης τότε είναι μικρότερη λόγω της υψηλής πτώσης τάσης. Αν όμως όλα τα φορτία συνδεθούν από τη μεριά του δυναμό, η πτώση τάσης είναι μικρότερη και η τάση φόρτισης μεγαλύτερη. Αυτό δεν το πολυγουστάρουν τα ευαίσθητα φορτία (όπως τα διάφορα ηλεκτρονικά) καθώς είναι ευάλωτα σε αυξομειώσεις ή ταβανιάσματα τάσης. Τα υπόλοιπα πιο «χοντρόπετσα» ηλεκτρικά στοιχεία, ωστόσο, που αντέχουν υπερτάσεις, προτιμάται να συνδέονται ακριβώς από την πλευρά του δυναμό, αφήνοντας τα ευαίσθητα υποσυστήματα να παίξουν μπάλα ελεύθερα, τροφοδοτούμενα από την πλευρά της μπαταρίας. Οι πτώσεις τάσεις γενικώς μπορούν να μειωθούν με κατάλληλα χαρακτηριστικά διατομών στην καλωδίωση και με καλές συνδέσεις με επαφές χαμηλής αντίστασης, με τη διάρκεια ζωής εδώ να είναι άμεσα εξαρτώμενη.

 

42βολτα συστήματα: ετοιμαστείτε!

Δώδεκα βολτ (ή έστω τα 14+ του σωστού δυναμό, βρε αδερφέ) είναι αρκετά? Οι κατασκευαστές, όπως ίσως έχετε ακούσει, απαντούν «όχι για πάντα», οπότε εδώ και χρόνια (από τα τέλη της δεκαετίας του ’90, με τη Mercedes πρωτεργάτη) συζητείται έντονα η μετάβαση στα -μεγαλύτερων ενεργειακών δυνατοτήτων- ηλεκτρικά συστήματα των 42V (όριο «ασφαλείας» από ηλεκτροπληξία θεωρούνται τα 50V, οπότε ΟΚ). Ας δούμε το θέμα που -ίσως ναι, ίσως όχι, ακόμα παίζεται- τα επόμενα χρόνια θα βρούμε μπροστά μας.

Όπως αναλύσαμε πιο πάνω, σε ένα ηλεκτρικό σύστημα αυτοκινήτου η αλληλεπίδραση μεταξύ φορτίων και δυναμό είναι πολύπλοκη. Ενεργειακά αυτό που δεν πρέπει ποτέ να ξεχνάμε είναι ότι το καύσιμό μας δεν γίνεται μόνο κινητική ενέργεια στο στρόφαλο, αλλά μέρος αυτού καταλήγει και ως ηλεκτρική ενέργεια. Σκοπός όλων πλέον στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι να βελτιστοποιήσουν ενεργειακά όλη αυτήν τη διαδικασία «διαμοιρασμού» της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε αποδοτικό μίγμα κινητικής και ηλεκτρικής ενέργειας κατά την κατανάλωσή τους από το όχημα. Η αντικατάσταση των σχετικά ενεργοβόρων συστημάτων διεύθυνσης με υδραυλική υποβοήθηση από αντίστοιχα ηλεκτρικά είναι μόνο ένα παράδειγμα επ’ αυτού. Σε γενικές γραμμές το πρόβλημα είναι ότι με όλα αυτά τα νέα συστήματα ασφαλείας, μείωσης της κατανάλωσης και προσθήκης πολυτέλειας και ανέσεων για τους επιβάτες -τα οποία γίνονται όλο και πιο στάνταρ ακόμα και σε μικρότερες κατηγορίες μοντέλων-, αυξάνεται σταθερά και δραματικά το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο που πρέπει να σηκώσει το σύστημα. Αυτό που ποσοτικά συμβαίνει είναι ότι οι κατασκευαστές προβλέπουν πως σύντομα τα max 2kW που μέχρι τώρα καταναλώνονταν συνολικά, δεν θα αργήσουν να γίνουν 10kW (13,6Ps!!!), δηλαδή να πενταπλασιαστούν! Αν το νούμερο σάς φαίνεται παλαβό, σκεφτείτε πόση ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνει π.χ. μια S-Class με όλα τα καλούδια πολυτελείας στο on… Φορτία αυτού του μεγέθους πολύ απλά δεν μπορούν να «σηκωθούν» πλέον άνετα με τα υπάρχοντα 14βολτα συστήματα, καθώς σημαίνουν όλο και αυξανόμενες τιμές εντάσεων (βλ. νόμοι του Ωμ). Μικρότερες τιμές έντασης σημαίνουν επιπλέον και αισθητά ελαφρύτερες πλεξούδες. Επίσημοι φορείς, λοιπόν, όπως η γερμανική VDA, και σε συνεργασία με τους προμηθευτές ηλεκτρικών, όπως η Bosch, πανεπιστήμια και διεθνείς οργανισμούς «κανονίζουν» τη μελλοντική μετάβαση στα 42V για όλα τα επερχόμενα ηλεκτρικά συστήματα. Ας δούμε πιο αναλυτικά τι έρχεται.

Το πρώτο βήμα προς τα 42V είναι τα συστήματα με διπλό βολτάζ και το σύστημα ηλεκτρικής ενεργειακής διαχείρισης (EEM), τα οποία περιλαμβάνουν δυο υποκλάδους, έναν των 14V και έναν των 42V. Το πλεονέκτημα εδώ, φυσικά, είναι ότι μπορούν να συνεχίσουν να χρησιμοποιούνται εξαρτήματα που ήδη υπάρχουν στα τωρινά 14βολτα συστήματα. Σε αυτό το σύστημα, το δυναμό παρέχει ρεύμα κατευθείαν στα «βαρβάτα» υποσυστήματα των 42V, ενώ τα υπόλοιπα 14βολτα στοιχεία-φορτία συνδέονται στον κλάδο των 14V μέσω DC (σταθερού ρεύματος) μετατροπέα τάσης. Κάθε κλάδος έχει τη δική του διαφορετική (12V και 36V) μπαταρία, με το συνολικό βάρος των δύο μπαταριών (βλ. λιθίου κτλ. που θα δούμε εν καιρώ) να μην ξεπερνάει αυτό μιας συμβατικής που χρησιμοποιούμε σήμερα. Το ΕΕΜ συντονίζει την αλληλεπίδραση δυναμό-μετατροπέα τάσης-δυο μπαταριών με τα ηλεκτρικά φορτία κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Ακόμα κι όταν το αυτοκίνητο είναι παρκαρισμένο, το ΕΕΜ παρακολουθεί τις μπαταρίες και διαλέγει ποια σταθερά ή μεταβλητά φορτία πρέπει να απενεργοποιηθούν, αν το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας φτάσει σε «επικίνδυνο» όριο (καλύτερα να σας κλείσει τη θέρμανση το μελλοντικό σας αυτοκίνητο από μόνο του παρά να σας πει βγες να σπρώξεις, ε?). Με άλλα λόγια το ΕΕΜ είναι ο απόλυτος άρχων της ενεργειακής ισορροπίας στο σύστημα: συγκρίνει συνεχώς τις απαιτήσεις ισχύος των ηλεκτρικών στοιχείων με την ανά πάσα στιγμή διαθέσιμη ισχύ στο ηλεκτρικό σύστημα και εφαρμόζει το εκάστοτε ιδανικό ισοζύγιο μεταξύ παραγωγής και παροχής ισχύος. Επίσης, τα ΕΕΜ αποτρέπουν τις αυξομειώσεις ισχύος και τις απότομες αυξήσεις που λαμβάνουν χώρα όταν τύχει να ανοίξουμε πολλά ηλεκτρικά φορτία ταυτόχρονα, παρέχοντας την ισχύ σε συγκεκριμένες «χρονικές δόσεις». Σε κάθε περίπτωση, αυτή η «υβριδική» 14V/42V διάταξη θεωρείται από πολλούς στην αυτοκινητοβιομηχανία ως προσωρινή και μόνο λύση. Ο απώτερος σκοπός δεν είναι άλλος από το «καθαρόαιμο» 42βολτο σύστημα όπου οτιδήποτε 12βολτο απλά δεν «χωράει».

Και όταν μιλάμε για κανονικά 42βολτα συστήματα, στην κουβέντα μπαίνει κάτι που θα δούμε κατά κόρον μελλοντικά (και που ήδη βλέπουμε σε ανάλογες υλοποιήσεις στα υβριδικά αυτοκίνητα, βλ. σχετική σειρά Know How): το πάντρεμα του δυναμό με το μοτέρ της μίζας σε ένα ενιαίο συγκρότημα δυναμό-μίζας που εναλλακτικά είτε δέχεται ρεύμα και περιστρέφεται είτε το αντίστροφο (αμφίδρομη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε κινητική ή, αν θέλετε, ταυτόχρονη παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας). Αυτές οι διατάξεις ονομάζονται «ICSA» (Integrated Crankshaft – Starter Alternator) και αυξάνουν αισθητά την αποδοτικότητα του ηλεκτρικού συστήματος. Όπως ισχύει και στις εφαρμογές των υβριδικών, το ICSA (τυπικά σύγχρονος ηλεκτροκινητήρας μόνιμου πεδίου) τοποθετείται ανάμεσα στον κινητήρα εσωτερικής καύσης και το κιβώτιο, ομοαξονικά του πρωτεύοντα, όπως ο συμπλέκτης. Όταν το όχημα είναι σε λειτουργία, το ICSA παράγει ηλεκτρική ενέργεια, έχει δηλαδή το ρόλο του δυναμό-γεννήτριας, ενώ αυτό γίνεται με τέτοιο συνολικό συντελεστή απόδοσης που η κατανάλωση καυσίμου μόνο από αυτήν τη διάταξη μειώνεται κατά 0,5% χωρίς start-stop σύστημα και από 4 έως 6% με start-stop. Θα δούμε πιο αναλυτικά τα start-stop συστήματα όταν επικεντρωθούμε στη μίζα, αλλά για την ώρα κρατήστε πως η «ακαριαία και ανεπαίσθητη» επανεκκίνηση του κινητήρα μόλις πατήσουμε το συμπλέκτη στο φανάρι σε αυτοκίνητα με start-stop, εξαρτάται από το πόσο καλά κάνει η ICSA τη δουλειά της. Όταν το όχημα επιβραδύνει και η μηχανή είναι σβηστή (όπως π.χ. το regenerative braking / ανάκτηση κινητικής ενέργειας είναι κατά την πέδηση κομμάτι του κύκλου λειτουργίας των υβριδικών), η ICSA τρανσφορμάρεται από μίζα στη λειτουργία γεννήτριάς της, φορτίζοντας την μπαταρία. Η ενέργεια που αποθηκεύεται μπορεί είτε να κινήσει το όχημα μέσω του ηλεκροκινητήρα του π.χ. στα υβριδικά, είτε να χρησιμοποιηθεί κατά βούληση για άλλα ηλεκτρικά φορτία του οχήματος.

Περίπου το 5% της χημικής ενέργειας του καυσίμου που καίμε πηγαίνει στην κίνηση του δυναμό και επιπλέον στη μετακίνηση καθαρά ως κινητική ενέργεια μεταφορικής κίνησης της μάζας του δυναμό, της μίζας και της μπαταρίας. Δεδομένου τώρα πως μια αύξηση του βάρους του αυτοκινήτου κατά 10 κιλά επιφέρει αύξηση της κατανάλωσης κατά 0,1l/100km και πως επίσης μια κατανάλωση της τάξεως των 100W επίσης επιφέρει αύξηση της κατανάλωσης κατά 0,1l/100km, καταλαβαίνουμε πως δυναμό με πολύ καλό βαθμό απόδοσης συνολικά βελτιώνουν την κατανάλωση ακόμα και αν είναι λίγο βαρύτερα.

Θα συμβεί τελικά η μετάβαση στα 42V που τη χαρακτηρίσαμε στην αρχή ως «ίσως»? Οι απόψεις διίστανται. Καθώς ενώ αρχικά το θέμα το είχαν πάρει πολύ ζεστά στην αυτοκινηβιομηχανία, στην πορεία φαίνεται κάπως να «πάγωσε» μέχρι νεωτέρας: οι νέοι ηλεκτροκινητήρες υψηλής απόδοσης, οι νέες τεχνικές στις καλωδιώσεις και στον ψηφιακό έλεγχο, καθώς και η όλο και μεγαλύτερη μετακίνηση προς τα υβριδικά αυτοκίνητα (βλ. παρουσία κινητήρων-μιζών υψηλής τάσης, ούτως ή άλλως), κοντράρουν τη μετάβαση στα 42V, η οποία αφενός θα είχε τεράστιο κόστος στην εξέλιξη εκ νέου όλων των εξαρτημάτων του ηλεκτρικού συστήματος, αφετέρου δεν θεωρείται ως μοναδική διέξοδος, αφού π.χ. τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκαν ηλεκτρικά τιμόνια που δεν αντιμετωπίζουν κανένα θέμα στα 12V. Οψόμεθα...

Κι άλλα ηλεκτροσόκ

Είδαμε σήμερα συνολικά το θέμα «ηλεκτρικό σύστημα» από μια γενικότερη σκοπιά, αλλά τους επόμενους μήνες έχουμε πολύ ηλεκτρόνιο ακόμα μπροστά μας: θα βουτήξουμε βαθιά στα οξέα της μπαταρίας, θα δούμε πώς είναι αυτές οι «νέες μπαταρίες-πούπουλο», θα δούμε τι συμβαίνει μέσα σε ένα δυναμό και πώς αντίστροφα αυτό λαμβάνει χώρα στη μίζα. Νομίζατε ότι μόνο ο πολιτικός κόσμος σε αυτή τη χώρα έχει το αποκλειστικό δικαίωμα στο ηλεκτροσόκ?!