Wyzwania projektowe stacjonarnych i pokładowych układów ładowania

Przeciętny kierowca pojazdu elektrycznego spodziewa się, że będzie mógł podróżować coraz dalej bez doładowania, niezależnie od tego, czy będzie to obszar miejski, czy dłuższa podróż międzymiastowa po wiejskich drogach i autostradach. Ładowanie musi być łatwiejsze i szybsze, a znalezienie stacji ładującej nie powinno różnić się od znalezienia stacji benzynowej, która pozwoli szybko doładować pojazd z wystarczającą mocą, aby dotrzeć tam, gdzie trzeba. W międzyczasie pojazdy elektryczne stają się też coraz inteligentniejsze: dodawane są zaawansowane funkcje systemu wspomagania kierowcy oraz funkcje informacyjno-rozrywkowe, a wszystkie one zużywają energię. W efekcie, pojazdy elektryczne wymagają inteligentniejszych pokładowych możliwości ładowania, łatwo dostępnej infrastruktury do ładowania i niezawodnej elektroniki, która zużywa mniej energii i działa tak długo, jak samochód jest w drodze.

© Arrow

Kierowcy stawiają różne wymagania infrastrukturze ładowania

Infrastruktura szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych, ładowanie pokładowe oraz pamięci i urządzenia do przechowywania danych o niższej mocy, które wspierają rosnącą ilość inteligentnych funkcji pojazdu, to główne wyzwania, które mają obecnie wpływ na projektowanie pojazdów elektrycznych.

Rodzaj pojazdu wpływa również na dostępną infrastrukturę ładowania - wymagania dla pojazdów prywatnych i publicznych są różne. Pojazd transportu publicznego, taki jak autobus, pokonuje dziennie więcej kilometrów w porównaniu z pojazdem prywatnym. Mniejszy autobus będzie wymagał krótszych czasów ładowania niż duży. Również rodzaj przewożonego ładunku ma wpływ na cykl ładowania: duże pojazdy, transportujące ciężkie towary, będą wymagały więcej energii do dalszego poruszania się i będą miały inne wymagania dotyczące ładowania niż mniejszy pojazd osobowy. Niezależnie od tego, stacje ładowania wszystkich rodzajów pojazdów muszą być wszechobecne.

Infrastruktura szybkiego ładowania musi powstawać od podstaw, zarówno w obszarach miejskich, jak i mniej zaludnionych, w tym na poboczach głównych autostrad, spełniając jednocześnie wymagania wielu różnych interesariuszy. Oprócz oczekiwań kierowców, którzy chcą powszechnej dostępności punktów ładowania, firmy budują własne floty pojazdów elektrycznych, a nieruchomości komercyjne, takie jak centra handlowe, chcą oferować możliwości ładowania gościom czy mieszkańcom. Jednocześnie samorządy muszą rozważyć wpływ infrastruktury ładowania sieci energetyczne znajdujące się na ich terenie, które zazwyczaj stanowią połączenie kilkudziesięcioletniego sprzętu i nowoczesnych elementów systemów, a także zastanowić się, jak zintegrować ładowarki z wielowiekowymi historycznymi dzielnicami w estetyczny sposób.

Każda infrastruktura ładowania musi być w stanie obsługiwać kilka różnych trybów, w tym tryb pojazd-sieć (vehicle-to-grid, V2G), co pozwala na inteligentne ładowanie i ustawianie dodatkowych funkcji, takich jak parametry ładowania poprawiające wydajność, a także umożliwia dwukierunkowy przepływ energii elektrycznej między pojazdem i siecią. Tymczasem tryby pojazd - dom (vehicle-to-home V2H) i pojazd - budynek (vehicle-to-building, V2B) mogą pomóc zrównoważyć energię dla takich interesariuszy, jak gminy i przedsiębiorstwa użyteczności publicznej.

Inteligentniejsze ładowanie zapewnia elastyczność

Biorąc pod uwagę, ile czasu i pieniędzy wymaga wybudowanie infrastruktury ładowania, należy również mieć na uwadze przyszłe wymagania i oczekiwania klientów. System musi być wytrzymały, kompaktowy, zintegrowany z siecią i wystarczająco elastyczny, aby połączyć się z dowolnym pojazdem i wytrzymać wszelkie warunki pogodowe, bez względu na gorąco, zimno, kurz czy wilgoć.

Takie technologie jak tranzystory MOSFET i diody z węglika krzemu (SiC) odgrywają kluczową rolę w spełnianiu wymagań projektantów, kierowców, przedsiębiorstw i samorządów. Rozwiązania oparte na SiC są lekkie i kompaktowe, szybsze, bardziej zrównoważone i bardziej odporne. Pozwalają konstruować mniejsze, szybsze stacje ładowania, z mniejszą liczbą komponentów, oferując jednocześnie lepszą wydajność energetyczną, mogą też być zintegrowane z wieloma różnymi środowiskami. Co najważniejsze, kierowcy mogą spodziewać się 30-minutowego lub krótszego czasu ładowania, dzięki czemu pojazdy elektryczne staną się bardziej porównywalne z ich odpowiednikami napędzanymi benzyną. W przyszłości, stacje ładowania umożliwią zintegrowanie funkcji handlu elektronicznego ze stacją ładującą, a także dwukierunkowy przesył energii, umożliwiający powstawanie inteligentnych sieci.

Pokładowe urządzenia ładowania pojazdów elektrycznych ewoluują, aby lepiej współdziałać z sieciami energetycznymi. Pojazdy są już obecnie coraz częściej wyposażane w lżejsze akumulatory o dużej mocy, co zwiększa ich zasięg, a także w ładowarki dwukierunkowe, które mogą pomóc sieci w równoważeniu obciążenia całościowej infrastruktury elektrycznej miasta. Jednocześnie umożliwia to efektywniejszą pracę akumulatora pojazdu, ponieważ ciągłe ładowanie i utrzymywanie go w stanie pełnego naładowania powoduje szybkie zużycie komponentów akumulatora.

Dwukierunkowa ładowarka pokładowa skutecznie przenosi energię tam i z powrotem przy minimalnych stratach. Podobnie jak infrastruktura szybkiego ładowania, również układy pokładowe korzystają z technologii SiC MOSFET, równoważąc wysoką gęstość z wysoką wydajnością i zapewniając szeroki zakres napięcia wyjściowego zarówno w trybie ładowania, jak i rozładowania. MOSFET’y SiC mają również korzystne parametry z punktu widzenia zarządzania temperaturą, niezależnie od tego, czy chodzi o infrastrukturę szybkiego ładowania, czy o ładowarkę pokładową.

Moc dostarczana do pojazdu elektrycznego jest nie tylko potrzebna do utrzymania akumulatora naładowanego wystarczająco długo, aby samochód dotarł do miejsca przeznaczenia i z powrotem. Akumulator zasila również dużą część elektroniki w pojeździe, niezależnie od stopnia jego autonomiczności.

Systemy w samochodzie też muszą być energooszczędne

Pojazdy stają się coraz bardziej inteligentne, co pozwala im lepiej współdziałać ze stacjami ładowania, jednak dodatkowe funkcje informacyjno-rozrywkowe i czujniki wspierające autonomię również pobierają energię.

Podobnie jak serwery w komputerowym centrum danych są budowane z myślą o zużyciu energii, tak samo muszą być projektowane pojazdy elektryczne - na wydajność energetyczną i zasięg będą miały wpływ wszystkie urządzenia elektroniczne rozmieszczone w pojazdach. Obejmuje to między innymi sieci 5G, które ze względu na ich niskie opóźnienia i wysokie bezpieczeństwo, są niezbędne do stworzenia niezawodnego, responsywnego pojazdu autonomicznego. Wykonywanie funkcji wnioskowania AI i innych zadań związanych z widzeniem maszynowym obejmuje przesył danych, a transfer danych oznacza zużycie energii.

Aby zapewnić niezbędną szybkość reakcji, niezbędną do komunikacji przez 5G i szybkiego wnioskowania, do pojazdów trafia coraz więcej jednostek pamięci. Pamięci NOR flash stanowią energooszczędną i zajmującą niewiele miejsca opcję dla wielu systemów pojazdu, natomiast pamięci DRAM, charakteryzujące się niższą  mocą, równocześnie przetestowane pod kątem spełnienia najbardziej rygorystycznych wymagań motoryzacyjnych, pozwalają na wprowadzenie większej ilości inteligentnych funkcji pojazdu bez nadmiernego obciążania akumulatora.

W warunkach większego wykorzystania sieci bezprzewodowych do obsługi funkcji autonomicznych i informacyjno-rozrywkowych, proces ładowania staje się coraz bardziej zróżnicowany i inteligentniejszy. Konstruktorzy muszą myśleć nie tylko o dzisiejszych potrzebach, lecz również o pojazdach jutra, równoważąc jednocześnie obawy wszystkich interesariuszy ekosystemu.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow