Was ist effizienter: Ein viel größerer Spannungswandler als nötig oder einer, der näher an der tatsächlichen Last liegt?

Ich entwerfe ein kundenspezifisches Audiosystem für mein elektrisch motorisiertes Pedicab. Der Motor meiner Kabine wird mit einer 48-V-33-Ah-Batterie betrieben, und ich habe geplant, einen 48-V-auf-12-V-Abwärtswandler zu verwenden, um gleichzeitig auch meine Beleuchtung und mein Audiosystem zu betreiben. Ich bin neu in all dem und habe viel gelernt, aber ich bin nervös, dass ich entweder:

  1. etwas überladen (wie meine Batterie) oder,
  2. viel durch die Ineffizienz meines Systems verlieren.

Meine Batterien sind für einen kontinuierlichen Verbrauch von 50 A ausgelegt. Mir wurde gesagt, ich solle 30 A für meinen Motor beiseite legen, sodass mir 20 A für Licht und Audio übrig bleiben.

In der Kabine ist ein 48-V-auf-12-V-Abwärtswandler mit einer Nennleistung von 20 A installiert. Ich machte mir Sorgen um den Spitzenverbrauch meines Verstärker-/Lautsprechersystems und kaufte stattdessen einen 60-A-Wandler. Jemand in einem Audio-Forum wies darauf hin, dass dies mich zwar vor Spitzen schützen würde, aber viel weniger effizient wäre, da diese Abwärtswandler effizienter sind, je näher Sie dem tatsächlichen Strom, der durch sie fließt, mit ihrer Kapazität übereinstimmen .

Ist das wahr? Wird mein 48-V-zu-12-V-Konverter mit einer Nennleistung von 60 A weniger effizient sein, als wenn ich bei dem installierten 20-A-Konverter bleibe? Mein Verstärker leistet 45 Watt RMS pro Kanal und ich hatte gehofft, meine Lautsprecher überbrücken zu können, also 90 Watt RMS pro Kanal für insgesamt 180 Watt. 180 Watt bei 12 V sind 15 Ampere. Die Leute auf der Audioseite sagten auch, dass ich dem niemals nahe kommen werde und höchstwahrscheinlich immer nur 2-3 Ampere gleichzeitig ziehen werde. Das macht Sinn, weil der Verstärker eine 15-A-Sicherung hat, also würde ich gerne glauben, dass es niemals in die Nähe kommen würde.

Da ich ein mobiles System betreibe, ist es mir wichtig, dass es effizient ist. Ich habe mich bei der Beratung verlesen und diesen 60 A Step-Down-Wandler gekauft, aber jetzt festgestellt, dass er vielleicht ineffizienter sein wird als der eingebaute. Mir geht es gut, wenn ich bei der installierten 20 A bleibe, WENN sie nicht an ihre oberen Grenzen stößt. Ich werde wahrscheinlich auch etwas mehr als 5 A für Lichter verwenden, also habe ich wirklich nur 15 A, mit denen ich für Audio arbeiten kann.

Wie gesagt, vielleicht mache ich mir zu viele Sorgen und mein Audiosystem wird kaum jemals etwas zeichnen. Ich verwende einen Klasse-D-Verstärker und zwei 6x9-3-Wege-Lautsprecher mit einer Nennleistung von 150 Watt RMS und einer Empfindlichkeit von 93 dB.

Danke für jede Hilfe! Das muss ich nächste Woche klären.

20 A für Licht und Audio ergeben 20 x 48 = 1000 W. Autos verwenden normalerweise 2 x 55 W Scheinwerfer, 4 x 6 W Seiten-/Rücklichter und gelegentlich Brems- und Blinklichter, sodass 200 W für diejenigen ausreichen, bevor Sie überhaupt an LED denken sollte das auf etwa 50 W oder so reduzieren. Probieren Sie Ihr Audio auf dem schwächeren Netzteil aus und lassen Sie sich von Ihren Ohren sagen, ob es ein Problem gibt.
Ich kann mir vorstellen, dass es keine Möglichkeit gibt, die Sie verwenden werden 150 W . Für typische Musik benötigen Sie einen Verstärker, der für etwa das 5- oder 6-fache dessen ausgelegt ist, was Sie tatsächlich an das Lautsprechersystem liefern. Sie haben also wahrscheinlich die richtige Größe. Beachten Sie jedoch, dass die volle Bewertung nicht verbraucht wird. Vielleicht die Hälfte oder ein Drittel davon im tatsächlichen Gebrauch. Wenn so viel. Sie können all dies nicht genau vorhersagen, also machen Sie sich keine Sorgen um die Effizienz. Sie benötigen wahrscheinlich nur ein paar Ampere bei 48 V, im schlimmsten Fall, mit einem DC-DC-Umschalter.
Danke für deine Einblicke. Ein paar Ampere bei 48 V entsprechen 8 A bei 12 V, was etwas hoch wird. Der LED-Lichtstreifen ist 16 Fuß lang, hat 300 LEDs und verwendet 5a. Ein weiterer Verstärker für die Lichterkette und was auch immer meine Front- und Rücklichter sind (was Sie sagen, sind ungefähr 50 W oder so, also bei 12 V sind das 4 weitere Ampere und ich bin bei 18a (8 + 5 + 1 + 4). nahe dem Cutoff-Punkt.Die andere Frage ist also, was ist, wenn mein System mehr als die 20a verlangt, die der Abwärtswandler verarbeiten kann?Wird das Licht etwas gedämpft oder der Ton verblassen oder würde etwas ausfallen / durchbrennen am Konverter?

Antworten (3)

Generelle Aussagen über den relativen Wirkungsgrad der beiden Wandler bei unterschiedlichen Leistungen sind nicht möglich. Es hängt sehr stark von ihrer tatsächlichen Gestaltung ab.

Sie müssten beide Wandler tatsächlich mit Dummy-Lasten testen und sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsleistung messen.

Es wäre schön, alles zu testen und genau herauszufinden, was am besten zu verwenden ist. Leider bekomme ich mein neu hergestelltes Fahrradtaxi erst wenige Tage, bevor ich zu einem sehr großen Festival aufbrechen muss, geliefert. Also muss ich entscheiden, ob ich dem Hersteller den 60a-Konverter bringe oder ob ich damit einverstanden bin, dass er den 20a einbaut, der normalerweise mit den Fahrrädern geliefert wird.

Obwohl dies sehr vom Design abhängig wäre und es viele Optimierungen gibt, die vorgenommen werden können, um auf Lastschwankungen zu reagieren, sehen Sie ein klares Muster, wenn Sie sich die Effizienzkurve der meisten Wandler ansehen:

Wandler erreichen einen Spitzenwirkungsgrad bei einem hohen Prozentsatz der Nennlast (~ 70 % - 90 %), dies ist eine sehr wahrscheinliche Designentscheidung, da dies der wahrscheinlichste Betriebspunkt ist, den Systemdesigner wählen würden.

Ebenso würde ihre Effizienz, wenn sie nicht angesprochen wird, bei niedrigen Lasten ziemlich dramatisch sinken (es braucht mehr Energie, um große Komponenten für große Lasten zu handhaben, all dies wird verschwendet, wenn Ihre Last nahe Null ist). Das ist teilweise der Grund, warum viele Konverter eine Art "Schluckauf-Modus" enthalten, in dem der Konverter meistens bei geringer Last abschaltet. Diese Designentscheidung könnte in einigen Systemen Probleme (wie hörbare Geräusche) verursachen.

Vielen Dank, dass Sie mir geholfen haben, zu verstehen, wie diese besser funktionieren. Die folgenden Spezifikationen sind in der Produktbeschreibung des 60a-Konverters zu finden: * Eingangsnennspannung: DC 36 V 48 V 30-50 V * Ausgangsspannung: DC 12 V 60 A 720 W * Spannungsregelung: weniger als 1 % * Lastregelung: weniger als 2 % * Wirkungsgrad: 97 % (halbe Last); 95% (Volllast) Ich bin neugierig, warum dort steht, dass der Wirkungsgrad bei Halblast 97% beträgt, bei Volllast aber nur 95%. Natürlich habe ich festgestellt, dass chinesische Teile oft alle möglichen Zahlen aufwerfen und denen nicht immer zu trauen ist. Ich weiß es nicht.

Um eine andere Tangente von den Antworten zu nehmen, die Sie haben, ein paar Dinge:

Beachten Sie, dass Spannungswandler von besserer Qualität normalerweise ein Effizienz-Last-Diagramm liefern, und das ist ein guter Grund, etwas mehr für ein qualitativ hochwertiges, ordnungsgemäß dokumentiertes Produkt zu zahlen. Wenn Sie bereits beide Spannungswandler in Ihrem Besitz haben, vergessen Sie nicht, dass Sie auf Wunsch einfach beide auf ihre Eingangsleistung an einer passenden Last testen können.

Eine andere zu beachtende Sache ist, dass Sie die Spannung gezielt heruntersetzen, was bedeutet, dass Ihr Wandler durchaus ein Abwärtswandler sein könnte und dass Abwärtswandler dazu neigen, PWM zu sein. Wenn Ihr Konverter keine Grafiken hat, können Sie möglicherweise den verwendeten Controller-Chip nachschlagen und herausfinden, um welche Art von Konverter es sich handelt.

Schaltspannungswandler leiden unter zwei Arten von Verlusten, Schaltverlusten und Leitungsverlusten. Welcher Verlust dominiert, hängt von der Art des Wandlers ab. Wenn Leitungsverluste dominieren, neigt der Wandler dazu, bei geringerer Ausgangsleistung effizient zu sein, und wo Schaltverluste dominieren, neigt der Wandler dazu, bei höheren Leistungspegeln effizient zu sein.

Es gibt zwei Haupttypen der Schaltsteuerung, Pulsweitenmodulation (PWM) und Pulsfrequenzmodulation (PFM).

Im PWM-Modus werden Pulse unterschiedlicher Länge mit konstanter Frequenz bereitgestellt. Der Verlust pro Schaltvorgang ist konstant, so dass bei sehr geringer Einschaltdauer der Schaltverlust pro Impuls erhöht wird und bei langen Impulsen der Schaltverlust im Vergleich dazu winzig klein wird. Das Ergebnis ist ein Umrichter, der den besten Wirkungsgrad nahe seiner Nennlast erreicht.

Im PFM-Modus werden Pulse konstanter Länge mit unterschiedlicher Frequenz bereitgestellt. Der Schalter wird so gewählt, dass er bei der gegebenen Impulslänge unbedeutende Verluste aufweist, sodass Leitungsverluste dominieren, was zu einem ziemlich flachen Wirkungsgraddiagramm (im Vergleich zu PWM) mit geringerem Wirkungsgrad führt, wenn die Ausgangsleistung zunimmt.

Nicht isolierte Abwärtswandler IIRC sind normalerweise PWM, und ich glaube, PFM wird in Anwendungen verwendet, bei denen das Feld in einem Induktorkern nicht überschritten werden darf, während PWM nur bis zu dem Punkt funktionieren würde, an dem es den Kern sättigt, würde PFM verwenden eine Impulslänge, die niemals zu einer Kernsättigung führt, wodurch ein optimal kleiner Kern ermöglicht wird.

Es war überraschend schwierig, ein Diagramm für einen PFM-Wandler bei niedrigen Spannungen zu finden (das letzte Mal, als ich es angeschaut habe, war es das erste, auf das ich geklickt habe), daher ist es möglich, dass PWM und damit höhere Wirkungsgrade nahe der Volllast viel häufiger sind, zumindest in Konverter mit niedriger Wattleistung.

Wirkungsgrad-Last-Diagramm für CUI P78A-1000-Wandler, 2 verschiedene Topologien werden gezeigt. Rechtes Diagramm so skaliert, dass es mit dem linken übereinstimmt.

Dies sind Diagramme von einem Durchgangsloch-Spannungsregler. Sie können sehen, dass das 3,3-V-Modell eine ganz andere Effizienzkurve hat. Wir können sehen, dass es eine Worst-Case-Effizienz von 84 % und eine Best-Case-Effizienz von etwa 92 % hat. Der Konverter auf der rechten Seite variiert viel stärker, erreicht jedoch einen höheren Wirkungsgrad bei engen Eingangsspannungen und hohem Ausgangsstrom.

Danke, dass du mir geholfen hast, das alles besser zu verstehen. Es scheint mir also, dass ich feststellen muss, ob dies ein PWM- oder ein PFM-Modell ist. Ich habe kein Handbuch erhalten, und soweit ich das beurteilen kann, gibt es keine dieser Informationen auf der Amazon-Seite: amazon.com/gp/product/B07D27KNFD/…
Wenn Sie kein Ingenieur sind, kann es enorm viel Zeit in Anspruch nehmen, dies ohne Datenblätter festzustellen. Wenn Sie sich Ihren Link ansehen, beanspruchen sie einen Wirkungsgrad von 97% und 95% bei halber und voller Last. Sehr respektabel, wenn das stimmt. Online-Produktspezifikationen von Off-Brand-Firmen können jedoch aussortiert oder übertrieben sein, also nehmen Sie alles mit einer Einheit Natriumchlorid.
Guter Punkt. Die Frage bleibt also ... gehe ich mit dem 60a-Konverter ... gehe ich bei Last auf Nummer sicher, habe aber möglicherweise Probleme mit niedriger Last und Effizienz, oder gehe ich mit dem 20a-Konverter, vorausgesetzt, wie viele mir gesagt haben, mein Audio Setup braucht nicht viele Verstärker?
Ich würde versuchen, das zu testen, was Sie haben, bevor Sie ein anderes bestellen. Eingangseigenschaften unter Last messen. Wenn die Effizienz nicht akzeptabel ist, dann sorgen Sie sich um eine andere. Wenn Sie billige undokumentierte Konverter kaufen, müssen Sie nur testen. Sie sind nicht alle scheiße oder so, sie sind nur ein Unbekannter. Wenn Sie sie von einer qualitativ hochwertigeren Quelle kaufen, zahlen Sie unter anderem für Vorhersagbarkeit, Zuverlässigkeit und Dokumentation.
Schätzen Sie die Hilfe aller dazu. Ging mit dem 60-Ampere-Konverter. Ich bemerke keine Probleme mit dem Entladen meiner Batterie. Kann schließlich herausfinden, wie man seine Effizienz testet. Danke noch einmal!
Es freut mich, dass ich Ihnen helfen konnte. Wenn Sie den Wirkungsgrad ermitteln möchten, messen Sie ( vorsichtig ) die Eingangsspannung ( E ICH N ) und Eingangsstrom ( ICH ICH N ) sowie Ausgangsspannung ( E Ö u T ) und Ausgangsstrom ( ICH Ö u T ) bei konstanter Prüflast. E F F ich C ich e N C j = ( ICH Ö u T ∗ E Ö u T ) / ( ICH ICH N ∗ E ICH N ) . Sie können die Last ändern und immer wieder testen, um Ihre eigene Effizienzkurve zu erstellen, wenn Sie variable Lasten haben.
Was ist effizienter: Ein viel größerer Spannungswandler als nötig oder einer, der näher an der tatsächlichen Last liegt?
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