Dobór komponentów do projektów e-mobilności

Transport drogowy odpowiada za prawie jedną piątą globalnych emisji CO₂, co sprawia, że ​​e-mobilność, która w powszechnym rozumieniu oznacza wykorzystywania pojazdów elektrycznych, od lat znajduje się w centrum uwagi. Obawy dotyczące zasięgu pojazdu elektrycznego są głównym wyzwanie inżynierów, którzy zwrócili swoją uwagę ku głównym elementom składowym infrastruktury ładowania EV: ładowarkom pokładowym (OBC), konwerterom DC/DC i szybkim ładowarkom DC.

Ładowanie - wraz z magazynowaniem energii i kosztami - stanowi jedno z głównych wyzwań elektromobilności. Pojazdy elektryczne pierwszej generacji były ładowane bardzo wolno, z mocą 3,7 kW, co wymagało co najmniej ośmiu godzin ładowania zestawu akumulatorów o pojemności 25 kWh. Jednak wraz z postępem technologicznym,  aby umożliwić szybkie ładowanie prądem przemiennym, moc została podniesiona do 6,6–22 kW.

Kolejna godna uwagi zmiana w infrastrukturze ładowania pojazdów elektrycznych dotyczy wzrostu napięcia akumulatora z poziomu 400V do 800V, stosowana już przez Porsche, Hyundai i innych producentów samochodów. W rezultacie napięcie ładowarki wzrasta z 500V do 1.000V, a ładowarki zaczynają używać elementów mocy o napięciu znamionowym 1.200V.

W nowych projektach pojazdów elektrycznych i hybrydowych powyższe zmiany będą miały znaczący wpływ na wybór komponentów, takich jak tranzystory IGBT, sterowniki bramek wysokiego napięcia, prostowniki z superjunkcją, wysokonapięciowe tranzystory MOSFET i wysokonapięciowe przetworniki DC/DC.

Artykuł stanowi wprowadzenie w obecne i przyszłe potrzeby infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych z punktu widzenia półprzewodników mocy, mikrokontrolerów i sterowników.

Ładowarka pokładowa

OBC (on-board charger) obsługuje proces ładowania, gdy pojazd elektryczny łączy się ze stacją ładującą za pomocą odpowiedniego kabla. System zapewnia kluczową funkcję ładowania zestawów akumulatorów wysokiego napięcia DC w pojazdach elektrycznych z infrastruktury energetycznej. Jest to urządzenie konwertujące, podobne do falowników trakcyjnych, ale działające niejako odwrotnie, przekształcając prąd przemienny z ładowarki na prąd stały, aby dopasować go do potrzeb akumulatora.

OBC przekształca napięcie zasilania AC z sieci na poziom napięcia DC wymagany przez pokładowe pakiety akumulatorów EV. (Źródło: © Wolfspeed)

Konstrukcja OBC składa się z dwóch głównych bloków: aktywnego front-endu (AFE) do konwersji AC/DC oraz konwertera DC/DC. AFE pobiera z sieci energię jednofazową lub trójfazową i przekazuje ją do napięć pośrednich DC, konwertowanych na napięcie wymagane do szybkiego ładowania akumulatorów EV.

Czas ładowania zależy w dużej mierze od mocy znamionowej OBC. Nic więc dziwnego, że systemy te stały się kluczowym ‘polem bitwy’ projektantów, decydującym o czasie ładowania, określonym w specyfikacjach producentów OEM. Na szczęście, nowa generacja półprzewodników mocy umożliwia znacznie szybsze ładowanie niż wcześniej.

Opracowywane są też OBC dwukierunkowe, które w razie potrzeby uzupełniają energię dostępną w sieci. Dwukierunkowy OBC, który skutecznie przenosi moc tam i z powrotem przy minimalnych stratach, może zrównoważyć wysoką gęstość energii z wysoką wydajnością i zapewnić szeroki zakres napięcia wyjściowego, zarówno w trybie ładowania, jak i rozładowania.

Dwukierunkowe ładowanie jest dokładnie tym, co sugeruje nazwa: prąd przepływa w obie strony. (Źródło: © Wallbox)

Od ładowania AC do szybkiego ładowania DC

Ze względu na niskie bariery techniczne, niski koszt i duże możliwości adaptacyjne, szczególnie w miejscach mieszkalnych, biurowych i komercyjnych, większość stacji ładowania korzysta obecnie z prądu przemiennego. Jednak wraz z dojrzewaniem technologii ładowania, wydajne punkty ładowania prądem stałym stają się coraz bardziej popularne na autostradach czy publicznych stacjach ładowania, gdzie kierowcy pojazdów elektrycznych nie mają zbyt wiele czasu na doładowanie.

Rozwiązania ładowania prądem stałym pojawiają się nawet w ładowarkach domowych, oferując użytkownikom nowe możliwości: umożliwiają zarówno szybkie ładowanie, jak i ładowanie dwukierunkowe. Ładowarki te omijają OBC zainstalowane w pojazdach elektrycznych i zapewniają szybkie ładowanie DC, bezpośrednio do akumulatora.

W przypadku szybkiego ładowania prądem stałym, pierwotnym standardem było 150 kW, podczas gdy obecnie mamy do czynienia z pojemnościami 350 kW i wyższymi. Ulepszenia te prawdopodobnie będą nadal zwiększać wydajność stacji szybkiego ładowania DC. W konsekwencji pojazdy elektryczne będą ładować się szybciej, a w kontekście zwiększenia liczby pojazdów elektrycznych na drodze, ładowarki przestaną być wąskim gardłem. Co więcej, ponieważ szybkie ładowarki DC umożliwiają wyższy poziom mocy, stacje ładowania mogą posiadać wiele punktów ładowania, dzięki czemu wiele pojazdów może być ładowanych jednocześnie.

W przypadku szybkich ładowarek prądu stałego głównym celem jest minimalizowanie czasu ładowania przy jednoczesnej optymalizacji wydajności systemu, co sprawia, że ​​zakres napięcia i wymagania dotyczące obciążenia są kluczowymi kwestiami projektowymi przy wyborze komponentów. Innymi słowy, gęstość mocy i wydajność systemu mają kluczowe znaczenie zarówno dla komponentów mocy, jak i modułów, używanych w szybkich ładowarkach prądu stałego.

Weźmy przypadek WolfPACK, modułu mocy Wolfspeed, opartego o około 1.200-woltowe tranzystory MOSFET z węglika krzemu (SiC). Dedykowany do aplikacji szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych, moduł ma na celu maksymalizację gęstości mocy i wydajności, a także zmniejszenie współczynnika kształtu produktu i zmniejszenie złożoności projektu.

Co więcej, ze względu na fakt, iż każdy przełącznik wymaga sterownika, a każdy sterownik musi być kontrolowany, mikrokontrolery odgrywają kluczową rolę w monitorowaniu temperatury i napięcia w projektach ładowania pojazdów elektrycznych. Te MCU współpracują ze sterownikami bramek i urządzeniami zasilającymi, aby zwiększyć wydajność ładowania.

Superszybkie ładowanie EV

Oczywiste jest, że stacje ładowania pojazdów elektrycznych są obecnie istotną częścią infrastruktury e-mobilności. Chociaż nowe trendy projektowania wyraźnie wskazują na technologię SiC, zamiast kosztownych 1200-woltowych urządzeń SiC projektanci ładowania pojazdów elektrycznych nadal mogą używać krzemowych tranzystorów MOSFET o napięciu 650 V do głównego etapu DC/DC. Przykładem mogą być wciąż popularne ze względu na przewagę kosztową IGBT, takie jak IKW75N65EH5XKSA1 firmy Infineon.

Jednak tranzystory MOSFET SiC 1.200V, takie jak FF8MR12W2M1B11BOMA1 od Infineon, są zoptymalizowane pod kątem projektów ładowania pojazdów elektrycznych. Można dobrać do nich diody Schottky'ego, również oparte na SiC, takie jak IDWD20G120C5XKSA1, czyniąc technologię węglika krzemu kluczowym rozwiązaniem dla projektowania infrastruktury ładowania EV.

Podobnie, SiC MOSFET i diody Schottky'ego firmy Wolfspeed – na przykład odpowiednio C2M0160120D i E3D20065D – zostały zaprojektowane i zoptymalizowane do zastosowań wysokonapięciowych, takich jak ładowanie pojazdów elektrycznych i przetwornice DC/DC. Te półprzewodniki mocy pozwalają na przejście z 400-woltowej sieci Supercharger Tesli do wdrożenia szybkiego ładowania 800 V DC w samochodach Porsche Taycan, Kia EV6 i Hummer EV firmy General Motors. Producent luksusowych pojazdów elektrycznych, Lucid, dzięki architekturze 900V przekroczył nawet ten poziom.

Podsumowanie

Wzrost napięcia akumulatora wyraźnie przechyla szalę na korzyść komponentów SiC. Pokazuje również, dlaczego infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych, a zwłaszcza technologia ładowarek DC, rozwija się tak szybko. Największa przeszkoda w e-mobilności - obawy kierowcy o zasięg pojazdu - jest nierozerwalnie związana z infrastrukturą ładowania pojazdów elektrycznych. Dlatego też innowacje projektowe w tej dziedzinie - superszybkie ładowanie pojazdów elektrycznych przekładające się na krótszy czas ładowania - nieuchronnie doprowadzą do większej sprzedaży i szerokiego upowszechnienia się pojazdów elektrycznych.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow