Architektura szybkich ładowarek DC

Gdyby ładowanie pojazdów elektrycznych wymagało wielogodzinnego czekania w długich kolejkach, nie byłoby na nie chętnych. Dzięki publicznym punktom ładowania o coraz większej mocy, co przekłada się na coraz krótsze czasy ładowania, pojazdy elektryczne znajdują nowych nabywców. Co więcej, infrastruktura wspierająca ładowanie szybko się rozwija - globalny rynek systemów szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych może osiągnąć wartość 10,82 mld USD do 2031 r., rosnąc w latach 2022-2031 w tempie CAGR na poziomie prawie 16,6%.

Istnieją dwa sposoby ładowania pojazdu elektrycznego - za pomocą pokładowej ładowarki AC poziomu 1 lub 2 (on-board charger, OBC), często przez noc w domu lub za pomocą szybkiej ładowarki DC (DC fast charger, DCFC). W pierwszym przypadku, OBC przetwarza prąd przemienny na prąd stały w samym pojeździe, natomiast przy szybkim ładowaniu prądem stałym konwersja odbywa się w stacji ładującej. DCFC mogą skrócić czas ładowania do 15 - 45 minut (doładowanie do 80% pojemności). Ma to wpływ na żywotność baterii, jednak takie ultraszybkie ładowanie jest ogólnie zalecane w przypadku pojazdów użytkowych z dużymi akumulatorami lub mniejszych pojazdów w długich trasach.

Funkcje szybkiej ładowarki

DCFC zapewnia moc na poziomie 3 (L3), tj. najwyższym poziomie mocy ładowarki według obecnych standardów ładowarek. Szybkie ładowanie prądem stałym omija OBC w celu bezpośredniego ładowania akumulatora i znacznie skraca czas ładowania pojazdu elektrycznego. Jednak OBC nadal pozostaje ‘mózgiem’ operacji ładowania, który monitoruje i komunikuje się z szybką ładowarką o stanie naładowania akumulatora oraz obsługuje wyzwalanie ewentualnych zabezpieczeń.

Szybkie ładowarki obsługują złącza, które są zgodne z jednym lub kilkoma standardami lub zastrzeżonymi specyfikacjami - CCS, CHAdeMO, GB/T i Tesla2 - i zapewniają napięcie wyjściowe w przedziale od 200 VDC do 900 VDC. DCFC przyjmują na wejściu prąd trójfazowy 400-600 VAC i jako takie nie są przeznaczone do użytku domowego, gdzie dostępny jednofazowy prąd przemienny o niższym napięciu nie może obsłużyć docelowych poziomów wyjściowych L3.

Dzisiejsze DCFC są dostępne w zasadniczo dwóch typach:

• Wolnostojące: Dzięki umieszczeniu całego układu ładowarki i funkcjonalności prowadzącego od sieci do pojazdu w jednym pudełku, ładowarki te wytwarzają 50-250 kW prądu stałego. Jednostki te są zasilane bezpośrednio z linii średniego napięcia (SN).
• Dwudzielne: Podzielone na dwie części jako jednostka użytkownika i jednostka zasilania + komunikacyjna, ładowarki dostarczają do pojazdu 175-350 kW. Jednostka użytkownika jest zasilana przez niskonapięciową (LV) szynę DC z jednostki zasilającej. Ładowarka dwudzielna umożliwia zastosowanie dużego transformatora na izolacji galwanicznej pomiędzy blokiem zasilającym a linią SN z podstacji. Korzyści wynikające z takiej konstrukcji to potencjalnie niższy poziom hałasu i więcej dostępnej przestrzeni w obszarze jednostki użytkownika.

Architektura

Konstrukcje DCFC są w znacznym stopniu zindywidualizowane i prawdopodobnie jest tyle rodzajów architektur, ile jest marek ładowarek (przykład przedstawiony jest na Rysunku 2). Jednak wspólna dla wszystkich architektura obejmuje trójfazowy PFC, konwerter DC-DC i kontroler cyfrowy, a więc podobnie do architektury OBC. Inne cechy typowe dla DCFC obejmują mechanizmy zabezpieczające, takie jak wykrywanie zwarć (pokazane na Rysunku 1), połączenia z siecią oraz różne funkcje użytkownika i funkcje mechaniczne.

Rysunek 1: Schemat blokowy samodzielnej stacji szybkiego ładowania prądem stałym. Źródło: Signet Systems Inc.

Ogólna konstrukcja ma charakter modułowy z równoległymi ‘blokami mocy’, stosowanymi w celu osiągnięcia pożądanych poziomów mocy. Każdy blok ma typowo 100-120 kW i zawiera PFC oraz izolowane DC-DC, na przykład w topologii obwodu LLC z przeplotem. Pozwala to na oszczędność energii, umożliwiając selektywne włączanie i wyłączanie bloków w celu uzyskania żądanej mocy wyjściowej w dowolnym momencie.

Typowe topologie stosowane w trójfazowym PFC to totem-pole i topologia zwana Vienna (Rysunek 2), przy czym ta ostatnia staje się coraz bardziej popularna, ponieważ umożliwia trójpoziomowe przełączanie, oferujące trzy różne zalety. Po pierwsze, tylko połowa całkowitego napięcia wyjściowego jest doprowadzana do przełączników używanych w obwodzie, co skutkuje niższymi stratami przełączania. Po drugie, napięcie międzyszczytowe przyłożone do cewki indukcyjnej stanowi połowę całkowitego napięcia wyjściowego, co prowadzi do mniejszych tętnień prądu, mniejszych cewek indukcyjnych i niższych kosztów. Po trzecie, niższe międzyszczytowe napięcia i prądy przełączania oznaczają niższe emitowane zakłócenia elektromagnetyczne. Ogólnie rzecz biorąc, oznacza to wyższą wydajność, niższe napięcie na komponentach i wyższą gęstość mocy.

Konwerter DC-DC jest jednokierunkowy, zwykle wykorzystując topologię rezonansową LLC z pełnym mostkiem (Rysunek 2), ponieważ DCFC nie są używane do zasilania zwrotnego sieci. Aby uzyskać wyższą moc wyjściową na moduł, obwód LLC jest przeplatany. Na przykład, pojedynczy moduł może dostarczyć 100 kW przy 200 A_RMS przy 400 V lub 125 A_RMS przy 800 V. W zestawie z modułami mocy, blok ładowarki może wtedy osiągnąć znacznie wyższą moc wyjściową - na przykład 350 kW z 875 A_RMS przy 400 V lub 438 A_RMS przy 800 V.

Rysunek 2: Typowy moduł zasilania składa się z trójfazowego PFC (pokazano topologię Vienna) i przeplatanej rezonansowej przetwornicy DC-DC.

Komunikacja i interoperacyjność

DCFC muszą informować systemy centralnego zarządzania (central management systems, CMS) o swoim statusie i naliczonych opłatach w celu rozliczania klientów, a także umożliwiać uwierzytelnianie klientów, dynamiczne zarządzać obciążeniem sieci energetycznej, zdalnie sterować stacjami ładowania, a także zdalnie aktualizować oprogramowanie układowe. Podczas gdy komunikacja między pojazdami elektrycznymi a stacjami ładującymi odbywa się za pośrednictwem protokołu IEC 61851, do komunikowania się z CMS DCFC używają protokołu Open Charge Point Protocol (OCPP).

Na koniec 2021 roku liczba pojazdów elektrycznych przypadających na jeden publiczny punkt ładowania wzrosła na świecie do poziomu 9,2, Wskaźnik ten prawdopodobnie nadal będzie rósł co sprawi, że dla operatorów sieci ładowania opłacalne będzie instalowanie większej liczby szybkich ładowarek. Istnieje już szeroka gama architektury DCFC, z wieloma modelami oferującymi wiele opcji złączy, komunikację niezależną od sieci z centralnym systemem zarządzania oraz moc wyjściową do 350 kW umożliwiającą doładowanie do 80% w ciągu kilku minut.

Artykuł oparto na informacjach udostępnianych na blogu firmy Wolfspeed

Zapraszamy na jednodniowe targi elektroniki we Wrocławiu! Zapisz się