Konwerter DC/DC (przetwornica DC/DC) to jedno z najważniejszych urządzeń wykorzystywanych przez samochody elektryczne. Konwerter DC/DC ma na celu obniżenie wysokiego napięcia z baterii trakcyjnej do napięcia instalacji 12 V (rzadziej 14 V). Często nazywa się go odpowiednikiem alternatora w samochodzie spalinowym. I jest w tym sporo prawdy, bo konwerter DC/DC, tak samo jak alternator, zasila instalację 12 V i ładuje akumulator startowy (rozruchowy).

Czym jest konwerter DC/DC i jaka jest jego podstawowa rola?

W samochodzie elektrycznym są dwie instalacje – wysokiego napięcia HV i niskiego napięcia 12 V.

W baterii samochodu elektrycznego stosowane jest napięcie 400, 600 lub 800 V. Prąd o wysokim napięciu jest rozdzielany przez PDU (Power Distribution Unit) do odbiorników wysokiego napięcia, takich jak falownik (zasilający silnik), elektryczne ogrzewacze płynu chłodniczego do podgrzewania baterii, kompresor wysokiego napięcia, elektryczne ogrzewacze powietrza w kabinie PTC i konwerter DC/DC.

Konwerter DC/DC zmniejsza napięcia z 400, 600 lub 800 V na 12 V, niezbędne do zasilania standardowej instalacji elektrycznej. Takiej samej jak w samochodzie spalinowym. Instalacja ta służy do zasilania:

• Komputerów, sterowników i czujników;
• Wyświetlaczy, systemów multimedialnych, audio, głośników;
• Systemów bezpieczeństwa;
• Oświetlenia zewnętrznego i wewnętrznego;
• Elementów wyposażenia komfortowego: np. podgrzewanych foteli, elektrycznie sterowanych foteli, elektrycznie sterowanych lusterek;
• Silników wycieraczek,
• Silników (siłowników) centralnego zamka i elektrycznie podnoszonych szyb;
• Dodatkowych odbiorników energii poprzez gniazda USB/zapalniczki w kabinie.

A także do ładowania akumulatora rozruchowego (startowego), który w samochodzie elektrycznym może mieć dwie formy:

• Standardowego akumulatora kwasowo – ołowiowego, EFB lub AGM;
• Niskonapięciowego akumulatora litowo – jonowego o niewielkiej pojemności.

Tak samo, jak w samochodzie spalinowym, także i w aucie BEV stosowane są przekaźniki, aby do określonych odbiorników mógł płynąć prąd o odpowiednim natężeniu.

Jak działa konwerter DC/DC?

Konwerter DC/DC najpierw wykorzystuje szybkie przełączanie elektroniczne, aby przetworzyć energię, a następnie odpowiednio ją przekształca i wygładza,

W praktyce:

• Prąd z baterii trakcyjnej trafia do PDU Power Distribution Unit, a po załączeniu odpowiedniego stycznika HV do konwertera DC/DC;
• Prąd przepływa przez filtr wejściowy konwertera DC/DC;
• Prąd przepływa przez układ przełączający z tranzystorami mocy;
• Prąd płynie do transformatora wysokiej częstotliwości z układem indukcyjnym;
• Prąd z transformatora płynie do prostownika;
• Prąd z prostownika płynie do filtra wyjściowego;
• Prąd z filtra wyjściowego trafia do instalacji 12 V.

W niektórych samochodach elektrycznych może być też stosowane dodatkowe zasilanie o napięciu 48 V. Wówczas konwerter DC/DC przekształca napięcie do 12 V i do 48 V.

Dlaczego konwerter DC/DC? Prąd z baterii to prąd stały DC. Prąd kierowany do instalacji elektrycznej niskonapięciowej to także prąd stały DC.

Nad całym procesem obniżania napięcia czuwa elektronika kontrolka. Monitoruje ona napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe i reguluje pracę konwertera DC/DC.

Gdzie montuje się konwerter DC/DC w aucie elektrycznym?

Miejsce montażu zależne jest od producenta auta.  Konwerter może być zamontowany w pobliżu zintegrowanego układu napędowego, we wnętrzu zintegrowanego modułu elektroniki mocy, w pobliżu baterii, pod przednią maską itd.

W samochodzie Nissan LEAF ZE1 konwerter DC/DC wchodzi w skład modułu PDM, w którym poza konwerterem znajduje się też PDU oraz ładowarka pokładowa OBC.

Zintegrowane modułu takie jak PDM są korzystne dla producenta auta (łatwiejszy montaż), ale są tez niekorzystne dla kierowcy. Jeżeli konwerter DC/DC jest osobnym modułem, można go potencjalnie naprawić (jeśli są dostępne części zamienne) albo wymienić na nowy. Jeśli konwerter DC/DC jest częścią zintegrowanego układu, jak PDM, koszt wymiany może sięgnąć kilkudziesięciu tysięcy złotych.

Z jakich elementów składa się konwerter DC/DC?

Ten podzespół elektroniczno  – elektryczny składa się z następujących podzespołów:

• tranzystorów mocy MOSFET lub innych tranzystorów półprzewodnikowych;
• diod lub prostowników synchronicznych;
• transformatorów wysokiej częstotliwości;
• cewek;
• dławików;
• kondensatorów;
• filtrów EMI;
• układów pomiarowych;
• sterownika elektronicznego;
• oprogramowania;
• układy komunikacji z samochodem;
• zabezpieczenia przeciwprzepięciowego i nadprądowego;
• układu chłodzenia sprzężonego z układem chłodzenia samochodu.

Konwerter DC/DC grzeje się w trakcie pracy, dlatego jego chłodzenie jest bardzo ważne.

Dlaczego konwerter DC/DC się psuje?

Najczęstsze potencjalne przyczyny to:

• Przegrzewanie – najczęściej na skutek awarii układu chłodzenia albo zabrudzenia, powodującego niewłaściwe odprowadzanie ciepła;
• Przepięcia;
• Uszkodzenie tranzystorów mocy MOSFET;
• Uszkodzenie kondensatorów;
• Korozja spowodowana uszkodzeniem szczelności obudowy, powodująca zwarcia i problemy z izolacją.

Jakie są objawy awarii DC/DC?

Typowe objawy awarii to:

• komunikat o awarii układu elektrycznego na wyświetlaczu;
• błędy systemu EV/HEV;
• problemy z ładowaniem akumulatora 12 V;
• rozładowywanie akumulatora 12 V powodujące takie same problemy, jak w aucie spalinowym;
• problemy z uruchomieniem samochodu – elektronika nie ruszy bez sprawnego, naładowanego akumulatora 12 V;
• liczne błędy komunikacji CAN,
• problemy z elektroniką pokładową,
• wyłączanie części urządzeń – na przykład brak oświetlenia;
• przechodzenie samochodu w tryb awaryjny;
• ograniczenie mocy;
• problemy z rozpoczęciem ładowania.

Awaria DC/DC może powodować lawinę pozornie niezwiązanych ze sobą błędów. Mechanicy znają ją z aut spalinowych. To tak zwana choinka na desce, powodowana przez rozładowanie akumulatora 12 V / awarie alternatora. Jeśli napięcie instalacji 12 V zaczyna spadać, kolejne sterowniki mogą przestawać działać prawidłowo. W efekcie komputer diagnostyczny może zarejestrować błędy ABS, komunikacji CAN, systemów komfortu czy układu napędowego.

Co się naprawia w DC/DC?

Jeśli są dostępne części, można wymienić tranzystory mocy, diody, kondensatory, bezpieczniki, elementy zabezpieczające, uszkodzone przekaźniki, elementy sterujące, uszkodzone połączenia lutowane, ścieżki PCB, uszkodzone złącza, elementy układu chłodzenia. Problem polega na tym, że nie każdy moduł jest projektowany jako łatwo naprawialny. W niektórych przypadkach producent przewiduje wymianę całego zespołu. W takim przypadku wymiana może kosztować od kilkunastu tysięcy wzwyż.