Szybkie ładowanie pojazdów elektrycznych prądem stałym

Ładowarki DC do pojazdów elektrycznych służą do szybkiego ładowania akumulatorów EV poprzez dostarczanie prądu stałego. Przewidywany wzrost liczby takich ładowarek wynosi ~CAGR = 30% w ciągu najbliższych 5 lat.

Ładowanie prądem stałym omija ładowarkę pokładową (OBC) w pojeździe używaną do ładowania prądem zmiennym (maks. 22 kW) i dlatego może dostarczać do akumulatorów większą moc (zwykle od 50 kW do >400 kW), co skraca czas ładowania. Szybkie ładowarki prądu stałego (o mocy 50 kW - 150 kW) oraz ultraszybkie ładowarki prądu stałego (o mocy 100 kW - > 400 kW). Przy typowych pojemnościach akumulatorów pojazdów elektrycznych wynoszących od 50 do 120 kWh szybkie ładowarki prądu stałego mogą umożliwiać 15-minutowy czas ładowania, w zależności od pojazdu.

Ładowarki prądu stałego składają się ze stopnia AC/DC i kolejnego stopnia DC/DC, który przekształca prąd zmienny z sieci na prąd stały i dostarcza go do portu ładowania pojazdu w wymaganym dla akumulatorów napięciu i natężeniu.

© onsemi

Współczesne ładowarki do pojazdów elektrycznych dzielą się na trzy główne kategorie ze względu na poziom mocy:

Poziom 1 to napięcie 120 V, zazwyczaj dostarczane z domowego gniazdka, zapewniające w ciągu godziny ładowania zasięg na poziomie 5-7 km;

Poziom 2 to napięcie 220 V, dostępne w domu, miejscu pracy lub w miejscach publicznych, zapewniające podczas godziny ładowania zasięg na poziomie 19-130 km; w zależności od mocy wyjściowej. Ładowarki tego poziomu mogą dostarczyć do 6,6 kW mocy ładowania, co sprawia, że mogą naładować przeciętny pojazd elektryczny w ciągu około czterech do ośmiu godzin.

Poziom 3 to znacznie szybsze ładowarki DC zapewniające w ciągu minuty zasięg od 5 do 32 km. Są dostępne wyłącznie w miejscach komercyjnych z trójfazowym zasilaniem od lokalnego dostawcy energii. Mogą zwiększyć zasięg akumulatora pojazdu elektrycznego o ponad 160 km lub więcej w ciągu zaledwie 30 minut. 

Szybka ładowarka DC poziomu 3 zwiększa zasięg o 96 do 128 km w ciągu 20 minut ładowania, podczas gdy ładowarka poziomu 2 zwiększa zasięg o zaledwie 16 do 32 km w ciągu godziny ładowania, co sprawia, że szybkie ładowarki DC są bardzo pożądanym rozwiązaniem rozwiązującym wiele problemów konsumentów.

• Poziomy mocy dla prostowników prądu stałego wynoszą od 50 kW do 400 kW. W większości przypadków kilka bloków energetycznych jest ułożonych jeden na drugim i pracuje równolegle (od 15 do 60 kW i więcej). Wielkość akumulatorów w pojazdach dopuszczonych do ruchu wynosi obecnie od 50 do 120 kWh.
• Przednia część prostownika prądu stałego składa się z trójfazowego stopnia podwyższającego napięcie PFC (Power Factor Correction), stosowanego w różnych topologiach (2- lub 3-poziomowych) i jedno- lub dwukierunkowych. Napięcie z sieci 400 (UE) / 480 (USA) jest podnoszone do 700-1000 V (docelowo do wyższego poziomu).
• Kolejny stopień izolowany DC-DC przekształca napięcie z sieci na wymagane napięcie wyjściowe. Napięcie wyjściowe jest zgodne z napięciami akumulatorów pojazdów elektrycznych (zwykle 400 V lub 800 V) i musi pokrywać profile ładowania napięciowego. Dlatego zakres napięcia wyjściowego DC-DC może wahać się od 150 V do 1500 V. Konkretne implementacje mogą być zoptymalizowane dla poziomu 400 V lub 800 V.
• W stopniach mocy coraz częściej stosuje się zintegrowane moduły mocy (PIM) na bazie SiC. Możliwe są również IGBT lub rozwiązania hybrydowe, a także implementacje dyskretne. Oprócz głównych urządzeń zasilających, częścią systemu są także układy scalone sterownika bramki, układy scalone zasilacza (LDO, SMPS), transceivery komunikacyjne, op-ampy itp.
• Komunikacja i łączność to podstawa ładowarek do pojazdów elektrycznych, pełniąca różne funkcje: między modułami na stopniu zasilania (CAN, PLC, RS485, dostępne dla producentów OEM), między pojazdem a ładowarką w sekwencji ładowania (CAN lub PLC, definiowane przez protokół), łączność zewnętrzna w celu dokonywania płatności, zarządzania usługami, konserwacji, aktualizacji oprogramowania, ..... BLE, WiFi4, LTE, ...).
• Na całym świecie istnieje kilka norm i protokołów określających wymagania dotyczące ładowania prądem stałym, takich jak normy IEC-61851 / SAE1772, GB/T oraz protokoły CHAdeMO, Combined Charging System (CCS) lub Tesla Supercharger.

Poziomy mocy ładowarek prądu stałego są aktywnie podnoszone w celu skrócenia czasu ładowania. Podobnie, poziomy napięcia (zarówno w szynie DC, jak i na wyjściu) są podnoszone w celu poprawy wydajności i dostosowania do wyższych napięć akumulatorów pojazdów elektrycznych. Technologie SiC (wyższe VBD) wzmacniają i wspierają te trendy. Zintegrowane moduły mocy (PIM) są szybko przyjmowane ze względu na korzyści wynikające z niewielkich rozmiarów, doskonałego zarządzania ciepłem, niezawodności i łatwości produkcji. Wyższe częstotliwości przełączania z WBG również pozwalają na tworzenie bardziej kompaktowych i lekkich systemów.

Stopnie PFC i DCDC są wdrażane na rynku w różnych topologiach. Stopnie PFC są zwykle dostępne w wersji wiedeńskiej z trzema przełącznikami (jednokierunkowej), NPC, A-NPC, T-NPC (dwukierunkowej z diodami) lub najczęściej z sześcioma przełącznikami (dwukierunkowej). Układ DCDC jest zwykle realizowany jako mostek pełny lub z przesunięciem fazowym LLC i jego odmianami, a także w architekturze podwójnego mostka aktywnego (DAB) zapewniającej dwukierunkowość. Opisane powyżej architektury obejmują układy dwupoziomowe i trójpoziomowe, gdzie wymagane są odpowiednio przełączniki i diody mocy 600 V - 650 V lub 900 - 1200 V. Moduły mocy oparte na SiC stają się coraz częściej preferowaną opcją w takich zastosowaniach. Alternatywą są rozwiązania IGBT lub hybrydowe.

Do szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych prądem stałym wprowadzana jest nowa, dostępna od ręki rodzina modułów PIM o napięciach przebicia SiC 1200 V i 900 V.

Komunikacja przewodowa i bezprzewodowa

Komunikacja synchronizacji ładowania pomiędzy ładowarką a pojazdem jest wymagana przez omawiane protokoły. CHAdeMO ustanawia CAN, natomiast CCS ustanawia PLC jako magistralę, a dokładniej HomePlug Green PHY z dedykowanymi do tego celu sterownikami. Pozostała komunikacja w obrębie stopnia mocy będzie zależała od decyzji producenta OEM (CAN, PLC, głównie RS485), jak również w przypadku łączności zewnętrznej BLE, Wifi4/6, LTE, RF. Z wyjątkiem HomePlug Green PHY, nasza oferta może obsługiwać większość innych opisanych technologii.

Integracja systemów magazynowania energii (ESS) i energii słonecznej

Stacje szybkiego i ultraszybkiego ładowania mogą w niektórych przypadkach obejmować integrację ESS oraz wytwarzanie energii słonecznej. Systemy magazynowania pobierałyby energię w godzinach doliny sieci lub z systemów słonecznych i uwalniałyby ją w ciągu dnia, aby zmaksymalizować efektywny czas pracy stacji ładowania. W takich przypadkach konwertery DC-DC mogą być podwieszone do szyny wysokonapięciowej w celu ładowania pojazdów elektrycznych.

Źródło: media.futureelectronics.com;