Zusammenfassung: Angesichts des rasanten Ausbaus von Autobahnen und der steigenden Anzahl von Pkw in China stößt das traditionelle Mauterhebungssystem an seine Grenzen. Intelligente elektronische Mautsysteme (ETC) stellen daher eine effektive Lösung dar, wobei die On-Board-Unit (OBU) eine wichtige Komponente des ETC-Systems darstellt. Dieser Artikel beschreibt kurz die Funktionsweise der OBU und ihren Energieverbrauch während der Transaktion. Basierend auf den praktischen Anwendungsmerkmalen der OBU und den Vor- und Nachteilen des Energiebedarfs wird eine Dual-Stromversorgungslösung entwickelt, die aus einem ER14250-Akku (1400 mAh) + HPC1520 + Photovoltaikmodulen besteht. Diese Lösung zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und hohe Leistung aus. Markttests bestätigen, dass die Lösung die Anforderungen der OBU erfüllt und anderen Optionen überlegen ist.
Schlüsselwörter: ETC-System; Bordelektronik (OBU); ER14250 + HPC1520 + kapazitives Netzteil für Photovoltaik-Verbundbatterie; Duales Netzteil; Langzeitzuverlässigkeit
I. Überblick über ETC
Das elektronische Mautsystem ist das weltweit fortschrittlichste System zur Erfassung von Straßen- und Brückenmaut. Durch die spezielle Mikrowellen-Kurzstreckenkommunikation zwischen dem an der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angebrachten elektronischen Transponder (OBU) und der Mikrowellenantenne in der ETC-Spur der Mautstation, unter Einbeziehung von Computernetzwerktechnologie und Bankabwicklung im Hintergrund, ermöglicht es Fahrzeugen, die Mautstation ohne Anhalten zu passieren und die Gebühren zu entrichten. Die hochempfindlichen OBU-Systemmodule können in drei Betriebszustände unterteilt werden: Ruhezustand, Vorbereitungszustand und Aktivierungszustand. Der Wechsel des Kommunikationszustands spiegelt den Transaktionsstatus des OBU während der Durchfahrt durch das ETC-System wider. Der größte Stromverbrauch im gesamten Transaktionsprozess entsteht beim Auslesen der Karte im Aktivierungszustand; der kurzzeitige Stromverbrauch kann über 150 mA betragen.
II. Analyse des Stromverbrauchs und der Lebensdauer der OBU im praktischen Einsatzumfeld
Die Stromversorgung von On-Board-Units (OBUs) in elektronischen Transportsystemen (ETC) muss nicht nur den Anforderungen extremer Witterungsbedingungen wie Winter (-40 °C) in Nordostchina, Sommer (+85 °C) in Südwestchina und hoher Luftfeuchtigkeit (851 µg/m²) in den südöstlichen Küstenregionen gerecht werden, sondern auch eine lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit, Sicherheit und Umweltverträglichkeit gewährleisten. Darüber hinaus ist die Bereitstellung kurzzeitiger, hoher Stromimpulse erforderlich. Die meisten OBUs auf dem chinesischen Markt werden im Durchschnitt weniger als zehnmal oder sogar weniger als einmal pro Tag verwendet. Aus den im Labor gemessenen Stromverbrauchsdaten ergibt sich, dass eine Stromversorgung mit einer Kapazität von über 1000 mAh theoretisch 20.000 Transaktionen und eine Lebensdauer von über fünf Jahren ermöglicht.
III. Vergleich der OBU-Stromversorgungslösungen
3.1 Wiederaufladbare Batterien + Photovoltaikbatterien
Sie weisen Merkmale wie niedrige Materialkosten, hohen Entladestrom, hohe Selbstentladungsrate, engen anwendbaren Temperaturbereich, geringe Kapazitätserhaltung, komplexe Leistungsmanagementschaltungen, Solarbatterien + Spannungswandlerchip, hohe Umwandlungseffizienz, gute Spannungsstabilisierungsleistung, hohen Preis des Spannungswandlerchips und Störungen der elektrischen Leitungen der OBU auf.
3.2 ER14250+HPC1520+Photovoltaikbatterien (wie in der Abbildung dargestellt):
Sie zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, einen breiten Betriebstemperaturbereich, geringe Selbstentladungsrate und eine begrenzte Ausgangskapazität für hohe Stromimpulse aus. Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit der Stromversorgung von OBU-Systemen im intelligenten Transportwesen (ETC) zu verbessern, hat Shenzhen Langsheng New Energy Technology Co., Ltd. ein Komposit-Netzteil entwickelt. Dieses kombiniert Lithium-Thionylchlorid-Batterien vom Typ ER14250 (Kapazität 1400 mAh) mit hoher Energiedichte als Backup-Stromversorgung mit dem leistungsstarken Batteriekondensator HPC1520. Das System basiert auf einer seit fünf Jahren bewährten Lösung für die duale Stromversorgung mit Außentemperaturkollektor. Das Komposit-Netzteil bietet eine lange Lebensdauer, hohe Ausgangsleistung, Sicherheit, Zuverlässigkeit und einen breiten Betriebstemperaturbereich. Es eignet sich besonders für Umgebungen mit niedrigen und hohen Außentemperaturen. Zudem vereint es die hohe Impulsleistung des HPC-Batteriekondensators mit der hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer der ER-Lithium-Thionylchlorid-Batterie. Der HPC1520 wird üblicherweise über eine Photovoltaik-Batterie geladen. Wird ein hoher Stromimpuls benötigt, wird die Stromversorgung direkt vom HPC-Batteriekondensator bereitgestellt. Ist die Photovoltaikanlage nicht aktiv, lädt die Lithium-Thionylchlorid-Batterie den HPC mit einem geringen Strom, sodass ihre Kapazität bei geringem Strom vollständig freigesetzt und optimal genutzt werden kann. Dieses Funktionsprinzip entspricht den Anforderungen des intermittierenden Betriebs der On-Board-Unit (OBU).
IV. Bewertung der Langzeitzuverlässigkeit
4.1 Prüfung der Leistungszuverlässigkeit
Ob das Netzteil über die gesamte Lebensdauer der On-Board-Unit (OBU) eine stabile Ausgangsleistung bereitstellen kann, ist ein wichtiger Aspekt für die praktische Anwendung. Der HPC1520, der seit fünf Jahren in OBUs von ETC-Systemen auf dem Markt eingesetzt wird, wurde einem Entladeleistungstest mit einer neuen Batterie unterzogen: -10 °C, 800 mA, 10 ms/1 min. Die Leistungsänderungen des HPC1520 werden im Folgenden verglichen. Tests und Vergleiche zeigen, dass der HPC1520 seit fünf Jahren bei der niedrigen Temperatur von -10 °C arbeitet und die Lastspannung bei einer Impulsentladung von 800 mA um 0,1 V niedriger ist als die neue Lastspannung. Dennoch ist er in der Lage, im praktischen Einsatz hohe Impulsströme zu liefern.
4.2 Prüfung der Langzeitzuverlässigkeit
Das in der Windschutzscheibe des Fahrzeugs installierte On-Board-Unit (OBU) befindet sich über einen längeren Zeitraum in einer geschlossenen Außenumgebung. Um die Zuverlässigkeit der kombinierten Stromversorgung unter diesen Bedingungen besser beurteilen zu können, wurde der Akku in einem verglasten Wintergarten einem Sonnenexperiment unterzogen, um die realen Betriebsbedingungen zu simulieren und die Leistungsänderungen des Akkus unter diesen Lagerbedingungen zu erfassen. Die Langzeitbeobachtung im Sonnenexperiment ergab, dass sowohl die Leerlaufspannung als auch die Lastspannung der kombinierten Stromversorgung stabil blieben. Zudem traten keine Akkuausfälle auf, was die hohe Zuverlässigkeit gemäß den aktuellen Lagerdaten von 450 Tagen belegt. Die Arrhenius-Gleichung zeigt, dass die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante exponentiell mit der Temperatur zusammenhängt. Das bedeutet, dass sich die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion mit jedem Temperaturanstieg von 10 Grad Celsius um das Zwei- bis Vierfache erhöht. 200 Tage Lagerung bei 60 °C entsprechen somit 10 Jahren Lagerung bei Raumtemperatur. Die Langzeitbeobachtung des Lagerungsexperiments bei 60 °C ergab, dass sowohl die Leerlaufspannung als auch die Lastspannung des Verbundnetzteils stabil blieben. Auch nach 300 Tagen (entspricht 15 Jahren Lagerung bei Raumtemperatur) zeigte die Batterie keine Funktionsstörungen und lieferte weiterhin eine sehr stabile Stromabgabe.
V. Zusammenfassung des Antrags
Die duale Stromversorgungslösung aus ER14250-Batterien, HPC1520-Batterien und Photovoltaikzellen zeichnet sich durch vollständige Abdichtung, einen breiten Temperaturbereich, geringe Selbstentladung, lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit, geringes Gewicht und sicheres Design aus und wird erfolgreich in verschiedenen Produkten intelligenter Transportsysteme eingesetzt. Langjährige Markttests haben ihre Stabilität bestätigt, und sie wird im Leistungsvergleich mit anderen Lösungen bevorzugt.