Problemy i wyzwania szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych

Istnieje wiele krajów, które ustanowiły programy finansowe dla e-motoryzacji, poprzez odpowiednie zachęty do sprzedaży albo pośrednio poprzez wydatki na infrastrukturę na stacjach ładowania. Producenci samochodów inwestują miliardy w rozwój pojazdów elektrycznych i hybrydowych i aby ten wysiłek miał sens, muszą iść za tym inwestycje w sieć ładowania pojazdów elektrycznych.

Stan na dzisiaj

Aby było możliwe ładowanie auta w domu, większość pojazdów zawiera ładowarkę współpracującą z domową jednofazową siecią prądu przemiennego. Jej wydajność umożliwia naładowanie akumulatora przez noc. W wersji rozbudowanej ładowarki pozwalają na komunikację z pojazdem i mają wbudowane zabezpieczenia przepięciowe i przetężeniowe.

Akumulator wymaga oczywiście ładowania prądem stałym, przy czym konwersja z AC na DC następuje w elektronice obsługującej ładowanie wbudowanej w pojazd. Z uwagi na konieczność zapewnienie jej chłodzenia, dużej wydajności i małego ciężaru, moc ładowania, a tym samym prędkość uzupełniania ładunku nie jest nigdy duża. Oczywistym krokiem naprzód jest opracowanie uniwersalnych zewnętrznych ładowarek DC.

Szybkie ładowanie prądem stałym

Typowa szybka ładowarka o mocy 22 kW zapewnia podczas 120-minutowego ładowania około 200 km zasięgu pojazdu, co jest wystarczające do tego, aby podładować akumulator w domu lub w pracy. Jednak, aby skrócić czas ładowania do np. 16 minut, konieczne jest skorzystanie ze stacji ładowania prądu stałego o mocy 150 kW. Natomiast przy mocy wyjściowej ładowarki 350 kW czas ładowania dla podanego zasięgu można skrócić do około 7 min, co tworzy podobne warunki jak podczas tankowania samochodu spalinowego.

Istniejąca w Europie organizacja branżowa CharIN e.V. koncentruje się na rozwoju i promocji zunifikowanego systemu ładowania pojazdów (Combined Charging System, CCS). Opracowana specyfikacja definiuje wtyczkę, protokół, a nawet format transmisji danych przesyłanych między pojazdem a ładowarką. W Japonii i Chinach istnieją podobne jednostki, takie jak CHAdeMO i GB/T. Natomiast Tesla ma własny, zastrzeżony system ładowania.

Specyfikacje opracowane przez CharIN definiują obsługę ładowania zarówno prądem AC, jak i DC poprzez odpowiednią wtyczkę i gniazdo. Dla nich maksymalny stały prąd wyjściowy ustalono 500 A przy 700 VDC, z możliwością późniejszego zwiększenia napięcia w kolejnych wersjach do 920 VDC. Sprawność minimalną określono na 95%, a w przyszłości 98%. Należy zauważyć, że 1% sprawności ładowarki o mocy 150 kW odpowiada 1,5 kW strat na ciepło. Dlatego redukcja strat podczas konwersji do absolutnego minimum jest najważniejszym priorytetem.

Szybkie ładowarki DC

Konstrukcja ładowarki prądu stałego o dużej mocy zazwyczaj opiera się na jednym z dwóch podstawowych podejść. W pierwszym 3-fazowe napięcie sieci AC przekształcane jest na napięcie DC o zmiennej (regulowanej) wartości, które dalej zasila konwerter DC/DC (nieregulowany). Dokładna wartość napięcia DC jest określana po ustaleniu komunikacji z ładowanym pojazdem. Alternatywne podejście opiera się na konwersji prądu przemiennego sieci na stabilizowane napięcie stałe o wartości dostosowanej do potrzeb akumulatora (rys. 1).

 

Rys. 1. Schematy blokowe dla dwóch potencjalnych koncepcji układowych budowy ładowarek prądu stałego o dużej mocy

Ponieważ żadna koncepcja nie ma wyraźnej przewagi technicznej ani też wady, o wybranym podejściu decydują inne szczegóły. Wiadomo też, że rozwiązania o tak dużej mocy nie wykorzystują jednego konwertera, ale równolegle pracującą grupę jednostek ładujących, z których każdy moduł zapewnia moc od 15 do 60 kW. W ich projektowaniu kluczowe jest zapewnienie sprawnego chłodzenia, wysokiej gęstości mocy oraz zmniejszenie całkowitej wielkości systemu.

Walka o dużą sprawność ładowania zaczyna się na samym początku, już na etapie konwersji AC/DC. Wymaganą korekcję współczynnika mocy realizuje układ w topologii prostownika Vienna, który pozwala użyć krzemowych tranzystorów 600 V zapewniających dobry balans między kosztami a wydajnością. Wraz z poprawiającą się dostępnością wysokonapięciowych SiC, będzie możliwe budowanie konwerterów AC/DC o mocy ponad 50 kW dla jednego modułu.

Przy obu podejściach można osiągnąć regulowane napięcie wyjściowe DC, zapewnić sinusoidalny prąd wejściowy, a więc współczynnik mocy powyżej 0,95 i sprawność przetwarzania 97% lub lepszą. Niemniej w zastosowaniach, w których możliwa jest izolacja galwaniczna od sieci za pomocą transformatora energetycznego średniego napięcia, topologie prostowników tyrystorowych stają się popularne ze względu na ich prostotę i niezawodność oraz wyższą wydajność.

Na etapie konwersji DC/DC preferowane są topologie rezonansowe zasilaczy ze względu na ich dużą sprawność i możliwość zapewnienia izolacji galwanicznej. Przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS) zmniejsza straty przełączania i przyczynia się do ogólnej wyższej sprawności systemu ładowania. Popularne są też topologie pełnomostkowe z przesuwnikiem fazy i tranzystorami SiC lub wielofazowe konwertery obniżające napięcie (buck). Mają one tę zaletę, że pracują w układzie z wieloma fazami konwersji, co zmniejsza tętnienia i rozmiar wymaganego filtra wyjściowego. Oczywiście dzieje się to kosztem większej liczby komponentów i złożoności.

W zakresie mocy wyjściowej od 15 do 30 kW konwertery są realizowane przy użyciu elementów dyskretnych (rys. 2). Wejściowy PFC przy użyciu tranzystorów IGBT z rodziny Trenchstop 5 wraz z diodami Schottky'ego CoolSiC to dobra kombinacja gwarantująca oszczędności. Jeszcze większą poprawę wydajności uzyskuje się poprzez zastąpienie tranzystorów IGBT tranzystorami MOSFET CoolMOS P7 SJ. W przypadku konwertera DC/DC przetwornica rezonansowa wykorzystująca tranzystory MOSFET CoolMOS CFD7 osiąga przyzwoitą wydajność, ale gdy priorytetem jest sprawność, warto sięgnąć po CoolSiC.

 

Rys. 2. Typowa topologia ładowarki zbudowanej z elementów dyskretnych

W przypadku ładowarek budynkowych, o mocy od 15 do 22 kW, bardzo popularne jest zastosowanie konwertera chłodzonego cichym wentylatorem (poniżej 60 dBA) współpracującym z odpowiednim kanałem i filtrem przeciwpyłkowym. Jednak w instalacjach zewnętrznych kurz i duża wilgotność stwarzają duże problemy z wydajnym chłodzeniem i niezawodnością. Ponadto w związku z koniecznością zastosowania kabla łączącego ładowarkę z pojazdem chłodzonego cieczą przy instalacjach ładowania o mocy ponad 120 kW, popularyzują się rozwiązania ładowarek z całą elektroniką chłodzoną cieczą (tj. mieszaniną wody i glikolu). Opracowano również specjalne chłodziwa dielektryczne, które z powodzeniem zastosowano w układach ładowania o dużej mocy. One pozwalają zalać cały układ elektroniczny podobnie jak transformatory zalewa się olejem.

Ważną częścią ładowarek dużej mocy jest wejściowy prostownik zapewniający dużą wartość współczynnika mocy, a więc gwarantujący sinusoidalny kształt pobieranego prądu i małe zniekształcenia harmoniczne (THDi ≤ 5%). W tym obszarze stosuje się różne układy z konwersją 2- lub 3-stopniową oraz elementy krzemowe lub z węglika krzemu, w zależności od kosztu, wydajności i gęstość mocy.

W przypadku konwerterów dwukierunkowych wykorzystywanych w układach hybrydowych jedną z najpowszechniej stosowanych topologii jest układ dwupoziomowy 2L-VSC (2-Level Voltage Source Converter). Składa się on z sześciu przełączników (IGBT lub MOSFET) z węglika krzemu, generujących napięcie wyjściowe wyższe niż wejściowe. Sterowanie opiera się na modulacji szerokości impulsu (SPWM) lub modulacji wektorowej SVM zapewniającej przebiegi sinusoidalne. Można go zrealizować za pomocą modułu z MOSFET-ami 1200 V CoolSiC FS45MR12W1M1_B11 dla mocy od 6,6 kW do 11 kW. W przypadku jednostek większej mocy, tj. ponad 22 kW, Infineon oferuje szeroką gamę modułów półmostkowych z tranzystorami o rezystancji przewodzenia 2 mΩ (FF2MR12KM1), 6 mΩ (FF6MR12W2M1P_B11) i 45 mΩ (FF45MR12W1M1_B11).

Trójfazowy prostownik Vienna staje się dobrym wyborem, gdy dwukierunkowość konwersji energii nie jest wymagana, ale nacisk kładziony jest na łagodne warunki pracy półprzewodników i niewielki poziom EMI. Może on być zaimplementowany przy użyciu modułów SiC, takich jak F3L15MR12W2M1_B69. Każdy z nich zawiera dwie 1600-woltowe wolne diody prostownicze, dwie 1200-woltowe szybkie diody do realizacji 3-poziomowgo prostowania charakterystycznego w tym rozwiązaniu i dwa 1200-woltowe MOSFET-y SiC 15 mΩ. Jest to idealny komponent do stworzenia kompaktowej, wysokoprądowej, niskostratnej konstrukcji bloku PFC.

Sterowanie, komunikacja i bezpieczeństwo

Półprzewodniki mocy są na ogół sterowane z użyciem izolowanych galwanicznie układów scalonych sterowników bramki, np. z rodziny EiceDRIVER. Doskonale współpracują one z tranzystorami IGBT Trenchstop 5, MOSFET- -ami CoolMOS P7 SJ lub CoolSiC. Za sterowanie stopniem mocy zazwyczaj odpowiada mikrokontroler. Przykładowa jednostka XMC4000 ma wbudowane przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), timery oraz wyjścia PWM ułatwiające realizację pętli sterowania. Dostępność interfejsu CAN pozwala na realizację komunikacji między poszczególnymi jednostkami zasilającymi, w tym podział mocy i obsługę różnego typu akumulatorów. Dostępność komunikacji jest też niezbędna do rozliczania finansowego usług ładowania i aktualizacji oprogramowania. Aby były to procesy bezpieczne oraz aby można było monitorować działania serwisowe i modernizacje sprzętu, system ładowania powinien mieć wbudowany moduł zabezpieczeń (HSM, Hardware Security Module), który jest dostępny w rodzinie mikrokontrolerów AURIX, które są dobrze znane z zastosowań związanych z bezpieczeństwem w branży motoryzacyjnej.

Uwierzytelnienie poszczególnych bloków i jednostek wchodzących w skład systemu można zapewnić za pomocą bezpiecznych chipów takich jak OPTIGA Trust B lub z użyciem jeszcze bardziej zaawansowanej platformy OPTIGA TPM (trusted platform module).

Dwukierunkowe konwertery zwiększają stabilność sieci energetycznej

Wraz z rosnącą liczbą pojazdów elektrycznych i instalacji PV zwiększa się popyt na rozwiązania konwerterów pozwalające na ograniczenie szczytowego zapotrzebowania na energię poprzez przekierowanie nadwyżek do akumulatorów i oddawanie zgromadzonej energii w czasie największego zapotrzebowania.

Takie możliwości dają wyłącznie dwukierunkowe stopnie mocy, a więc które pozwalają ładować akumulator z sieci lub dostarczać do niej energię z ogniw bez przełączania obwodów. Nowe półprzewodniki SiC i GaN doskonale nadają się do takich aplikacji. Mają małe straty zarówno przy przewodzeniu, jak i komutacji, co ma kluczowe znaczenie dla wydajnej i szybkiej wymiany energii.

Spośród szerokiego portfolio produktów Infineona wiele nadaje się do takich układów, w tym przełączniki mocy, sterowniki bramek, mikrokontrolery oraz czujniki, a także komponenty ochronne. Stale rosnąca liczba projektów referencyjnych ułatwia projektowanie. Przykładem może być dwukierunkowy konwerter DC/DC REF-DAB11KIZSICSYS. Jest on w stanie dostarczyć do 11 kW mocy przy napięciu wyjściowym od 550 V do 800 V. W niedalekiej przyszłości pojawią się zestawy referencyjne dla ładowarek ściennych DC o mocy 22 kW oraz modułów konwerterów o mocy 50 kW do tworzenia ładowarek dużej mocy.

 

Rys. 3. Przykładowe rozwiązania dla ładowarki wykonanej z modułów

Podsumowanie

Stworzenie infrastruktury szybkiego ładowania prądem stałym o dużej mocy jest niezbędne do tego, aby pojazdy z napędem elektrycznym zostały zaakceptowane przez więcej niż entuzjastów i którzy codziennie podróżują na ograniczonych dystansach. Wiele pracy branża ma już za sobą, np. opracowanie przyłączy i specyfikacji ładowarek. Teraz nadchodzi czas popularyzacji wydajnej konwersji mocy.

Pradip Chatterjee,Application Engineer EV Charging

Infineon
www.infineon.com