Pokonywanie wyzwań projektowych w zakresie szybkiej i wydajnej infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych (EV)

Rozwiązania do ładowania pojazdów elektrycznych (EV) wymagają szeregu technologii konwersji mocy w celu realizacji projektów wykorzystujących prąd zmienny (~) do ładowarek domowych i biurowych, a także systemów szybkiego ładowania prądem stałym (=) do ładowania podczas długich podróży po drogach. Wspólną cechą wszystkich typów ładowarek do pojazdów elektrycznych (EV) jest potrzeba stosowania różnorodnych styczników, przekaźników, złączy i komponentów pasywnych niezbędnych do obsługi wysokich napięć i prądów, a także zapewnienie kompaktowych konstrukcji i wysokiej sprawności potrzebnych do zbudowania bezpieczniejszej, mniejszej, wydajniejszej i elastyczniejszej infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych (EV).

Projektowanie wydajnych i elastycznych ładowarek do pojazdów elektrycznych (EV) wymaga różnorodnych kompaktowych urządzeń wysokiego napięcia. Urządzenia te muszą charakteryzować się niską rezystancją elektryczną oraz niezawodnym i bezpiecznym działaniem. W niektórych przypadkach wspomniane urządzenia wymagają również długiego okresu działania liczonego w cyklach przełączania elektrycznego i narażone są na trudne warunki środowiskowe. Niektóre urządzenia zabezpieczające, takie jak awaryjne wyłączniki odcinające, wymagają kwalifikacji IP67. Inne, takie jak filtry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), kostki zaciskowe i styczniki, muszą posiadać określone międzynarodowe certyfikaty parametrów działania.

Niniejszy artykuł zawiera omówienie konstrukcji ładowarek prądu zmiennego i stałego do pojazdów elektrycznych oraz niektórych powiązanych norm regionalnych. W artykule przeprowadzono analizę zapotrzebowania na ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV) o większej mocy i przyjrzano się przyszłości ekstremalnie szybkiego ładowania (XFC). Artykuł kończy się krótkim omówieniem zastosowań styczników, przekaźników, złączy, rezystorów mocy, przełączników, filtrów zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz systemów połączeń z kostkami zasilającymi w systemach ładowania pojazdów elektrycznych (EV) i zawiera łącza do przykładowych produktów firmy TE Connectivity.

Normy regionalne

Istnieje wiele norm definiujących ładowanie pojazdów elektrycznych (EV) prądem zmiennym i stałym. Każdy region ma swoje własne podejście. W Ameryce Północnej używana jest norma SAE J1772 opisująca trzy poziomy ładowania pojazdów elektrycznych, natomiast w Europie jest stosowana norma IEC 61851, która wyszczególnia cztery tryby ładowania. W Chinach obowiązuje norma GB/T 20234 zarówno dla ładowania prądem zmiennym, jak i prądem stałym, podczas gdy w Japonii norma Japońskiego Instytutu Badań dla Motoryzacji (JARI, Japan Automobile Research Institute) dla ładowania prądem zmiennym i CHAdeMO dla ładowania prądem stałym. Ładowanie prądem zmiennym zwykle odbywa się z mocą dochodzącą do około 22kW, natomiast ładowanie prądem stałym pozwala uzyskać wyższe moce. Ponadto ładowanie prądem zmiennym wymaga ładowarki wbudowanej (OBC), podczas gdy ładowarki prądu stałego są podłączone bezpośrednio do pakietu baterii (ilustracja 1). Krótkie porównanie norm dotyczących ładowania w Ameryce Północnej i Europie zapewni kontekst dla następnej sekcji dotyczącej projektów ładowarek i ich zastosowań.

Ilustracja 1: ładowanie prądem zmiennym z wykorzystaniem ładowarki wbudowanej (OBC) różni się od ładowania prądem stałym, gdzie energię dostarcza się bezpośrednio do baterii. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

W Ameryce Północnej występują dwa poziomy ładowania prądem zmiennym. W poziomie 1. wykorzystuje się gniazda ścienne do ładowania z mocą do 1,9kW, natomiast w poziomie 2. stacje ładujące o mocy do 19,2kW. Ładowarki poziomu 1. są używane głównie w budynkach mieszkalnych, natomiast ładowarki poziomu 2. w budynkach mieszkalnych i komercyjnych. W Europie istnieją trzy tryby ładowania prądem zmiennym. Tryb 1. jest podobny do poziomu 1. w Ameryce Północnej, natomiast tryb 3. jest podobny do północnoamerykańskiego poziomu 2. W Europie istnieje również typ pośredni - tryb 2., który wykorzystuje taką samą wtyczkę ścienną jak tryb 1., ale z kablem połączeniowym wyposażonym w dodatkowe obwody ochronne, co umożliwia osiągnięcie dwa razy wyższej mocy.

Szybkość to za mało

Szybkie ładowarki prądu zmiennego, na przykład północnoamerykańskie ładowarki poziomu 2. i europejskie trybu 3., są szybsze niż inne typy ładowarek, które potrzebują do pełnego naładowania pojazdu elektrycznego nawet 10-12 godzin. Z kolei szybkie naładowanie pakietu baterii prądem zmiennym może zająć kilka godzin, co jest przydatne w przypadku, gdy samochód jest zaparkowany w biurze, domu lub innym miejscu przez dłuższy czas. Jednak nadal nie jest to wystarczająco szybko, aby znacznie zmniejszyć obawy dotyczące zasięgu u kierowców pojazdów elektrycznych.

Dlatego opracowano dużej mocy ładowarki prądu zmiennego trybu 3. i ładowarki prądu stałego poziomu 4. Szybkość ładowania dla szybkiego ładowania prądem stałym zależy od prądu dostępnego z ładowarki oraz od napięcia pakietu baterii. Szybkie ładowarki prądu stałego zostały początkowo opracowane dla pakietów baterii 400V. Osiągnięcie 80% naładowania za pomocą ładowarki 400V przy natężeniu 200A zajmuje około 50 minut. Zwiększenie prądu do 350A jest trudne, ale pozwala uzyskać 80% naładowania pakietu 400V w ciągu około 29 minut. Zwiększenie prądu skraca niezbędny czas ładowania, jednak aby ładowanie pojazdów elektrycznych stanowiło ekonomiczną alternatywę dla innych metod zasilania, potrzeba czegoś więcej. Celem jest uzyskanie czasu ładowania wynoszącego 10 minut - mniej więcej tyle samo, ile potrzeba do napełnienia zbiornika benzyną w pojeździe z silnikiem spalinowym (ICE).

Kolejną fazą szybkiego ładowania prądem stałym będzie ekstremalnie szybkie ładowanie (XFC). W celu realizacji ekstremalnie szybkiego ładowania (XFC), podwyższa się napięcia pakietów baterii z 400V do 800V, a na horyzoncie pojawiają się pakiety 1kV. Technologia ładowarek ekstremalnie szybkiego ładowania (XFC) jest opracowywana pod kątem dostarczania prądu o napięciu 1kV i natężeniu od 350 do 500A, co skraca czas ładowania do maksymalnie 10 minut. Wraz z rozwojem technologii ekstremalnie szybkiego ładowania (XFC) obawy dotyczące zasięgu staną się nieaktualne.

Oprócz opracowywania technologii ekstremalnie szybkiego ładowania (XFC), projektanci dążą do uzyskania kompaktowych konstrukcji i wysokiej sprawności, aby umożliwić bezpieczniejsze, bardziej wydajne oraz elastyczne ładowanie pojazdów elektrycznych (EV) urządzeniami o mniejszych rozmiarach. Wymaga to zaawansowanych komponentów i zaawansowanych konstrukcji.

Ilustracja 2: do opracowania bardziej kompaktowych rozwiązań wyższej mocy do ładowania pojazdów elektrycznych (EV) potrzebne są zaawansowane komponenty. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Dostęp do ciasnych przestrzeni

Opracowuje się projekty ładowarek ekstremalnie szybkiego ładowania (XFC) wykorzystujące węglikowo-krzemowe (SiC) i azotkowo-galowe (GaN) półprzewodniki mocy, które zapewniają wysokosprawne, kompaktowe rozwiązania do konwersji mocy. Jednak konwersja mocy jest tylko jednym z elementów konstrukcji ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV).

Ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV) wymagają kompaktowych i wytrzymałych złączy płytkowych i sygnałowych na potrzeby sterowania oraz monitorowania. Potrzebują one energooszczędnych przekaźników i styczników, które wytrzymują wyższe napięcia związane z procedurami szybszego ładowania. Rezystory mocy w ładowarkach do pojazdów elektrycznych (EV) wymagają wysokiej rezystancji izolacji, niskiej temperatury powierzchni, znakomitego współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR), zdolności do rozpraszania dużych mocy w ograniczonej przestrzeni oraz ognioodpornej konstrukcji.

Zasilacze pomocnicze i inne obwody wykorzystują kompaktowe filtry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), które eliminują zakłócenia w obwodach logiki sterowania i monitorowania. Do pracy w trudnych warunkach środowiskowych niezbędne są wyłączniki awaryjne o stopniu ochrony IP65 i sile aktuacji zapobiegającej niezamierzonemu przełączeniu.

Ładowarki prądu zmiennego poziomu 2. i trybu 3.

Poniższa lista wyszczególnia niektóre kluczowe komponenty wymagane podczas projektowania ładowarek prądu zmiennego poziomu 2. i trybu 3. Wymienione liczby odpowiadają liczbom zaznaczonym kółkiem na ilustracji 3 poniżej.

1. Przekaźniki mocy, np. seria T92 firmy TE, są używane jako wyłączniki główne w stacjach ładowania prądu zmiennego. Omawiane przekaźniki dwubiegunowe ze stykiem zwierno-rozwiernym (DPST) charakteryzują się prądem znamionowym do 50A i przeznaczone są do pracy w ekstremalnych temperaturach. Model T92HP7D1X-12 jest zoptymalizowany pod kątem doskonałych parametrów termicznych i charakteryzuje się prądem znamionowym 50A oraz napięciem znamionowym 600V~ przy temperaturze do 85°C.
2. Złącza płytkowe i sygnałowe, takie jak Dynamic Mini firmy TE są potrzebne do obsługi zasilania wewnętrznej płytki drukowanej i łączności sygnałowej. Złącza te są wyposażone w mechanizm zatrzaskowy ze słyszalnym potwierdzeniem, ułatwiający instalację i konserwację w terenie. Są one przystosowane do pracy w temperaturach od -40 do 125°C w celu spełnienia wymagań instalacji ładowania prądem zmiennym. Na przykład model 1-2834461-2 posiada 12 pozycji i linię środkową 0,071 cala (1,8mm).
3. Dla monitorowania, zarządzania i zapewnienia bezpiecznej pracy ważne są rezystory mocy. Muszą mieć wysoką rezystancję izolacji, niski współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) na poziomie 300ppm/°C, niski wzrost temperatury powierzchni oraz ognioodporną konstrukcję. Seria SQ firmy TE, np. model SQPW51R0J 1Ω ±5% 5W, może być stosowana w ładowarkach prądu zmiennego.
4. Dla bezpieczeństwa ładowarki prądu zmiennego ważny jest wyłącznik awaryjny. Firma TE oferuje przyciskowe wyłączniki zatrzymywania awaryjnego z serii PBE16 w wersjach podświetlanych i niepodświetlanych. Wyłączniki te spełniają wymagania norm IEC 60947-5-1 oraz IEC 60947-5-5. Na przykład model PBES16L1CR posiada stopień ochrony IP65, a jego siła aktuacji wynosi 20N, co pozwala uniknąć niezamierzonej aktuacji.
5. Zasilacze pomocnicze w stacjach ładowania wymagają filtrów zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), aby zapobiec zakłóceniom w działaniu układów cyfrowych używanych do monitorowania zasilania i sterowania. Zasilacze pomocnicze są również potrzebne do zasilania półprzewodników mocy w sekcji konwersji mocy. Model 6609065-3 firmy TE jest jednofazowym filtrem zakłóceń elektromagnetycznych o prądzie znamionowym 6A, napięciu znamionowym 250V~ i częstotliwości 50 lub 60Hz.
6. Wreszcie potrzebne są rozwiązania elektryczne do identyfikacji oprzewodowania i tablic, które przyspieszą montaż i konserwację w terenie. Etykiety, o których mowa, muszą być łatwe w instalacji i bardzo trwałe. Firma TE oferuje na przykład poliestrowe etykiety samoprzylepne PL-027008-2.5-9 przeznaczone do stosowania w szafkach elektrycznych, takich jak stacje ładowania pojazdów elektrycznych (EV).

Ilustracja 3: kluczowe komponenty potrzebne do ładowarek prądu zmiennego poziomu 2. i trybu 3. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Szybkie i ekstremalnie szybkie ładowanie (XFC) prądem stałym

Ogólnie rzecz biorąc, typy komponentów potrzebnych do ładowarek prądu zmiennego poziomu 2. i trybu 3. wydają się podobne do tych stosowanych w szybkich ładowarkach prądu stałego. Istnieją jednak między nimi pewne subtelne i oczywiste różnice.

Stacje ładowania prądem zmiennym do sterowania mocą wykorzystują zwykle przekaźniki, podczas gdy ładowarki prądu stałego wymagają styczników. Chociaż zarówno przekaźniki, jak i styczniki są przełącznikami, które wykorzystują niskie napięcie, np. 12V=, do przełączania obwodów o wyższym napięciu, urządzenia te posiadają różne konstrukcje styków zoptymalizowane pod kątem różnych poziomów napięcia i prądu. Przekaźniki są zwykle przystosowane do napięć znamionowych do 600V, a styczniki do napięć znamionowych 800V i wyższych. Ponadto przekaźniki są zwykle ograniczone do dziesiątek amperów, podczas gdy dostępne są styczniki, które mogą przełączać prądy o natężeniu setek amperów. Na przykład stycznik EV200AAANA firmy TE o napięciu znamionowym 900V i natężeniu znamionowym 500A jest odpowiedni do szybkich ładowarek prądu stałego.

Złącza sygnałowe i rezystory mocy stosowane w ładowarkach prądu stałego różnią się od tych stosowanych w konstrukcjach prądu zmiennego. Ładowarki prądu stałego wymagają bardziej złożonego sterowania, takiego jak komunikacja z pakietem baterii pojazdu elektrycznego, co nie występuje w konstrukcjach prądu zmiennego. Zarówno w ładowarkach prądu zmiennego, jak i stałego korzystne jest stosowanie złączy międzypłytkowych z drobnym rastrem z linią środkową 0,050” x 0,050” (1,00mm x 1,00mm), jednak ładowarki prądu stałego mogą wymagać większej liczby wtyków, np. 30 pozycji w złączu 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP.

Ponadto w przypadku wyższych poziomów mocy, w ładowarkach prądu stałego korzystne może być zastosowanie rezystorów mocy w aluminiowej obudowie, na przykład należących do serii HS firmy TE. Omawiane rezystory drutowe są bardzo stabilne i mogą rozpraszać duże moce w ograniczonej przestrzeni przy stosunkowo niskiej temperaturze powierzchni. Na przykład model HSA1010RJ ma następujące parametry znamionowe: 10Ω ±5% i 10W. Inne modele z tej serii charakteryzują się rezystancją znamionową do 82kΩ i mocą do 300W.

Chociaż ten sam typ wyłącznika awaryjnego może być często używany do ładowarek prądu zmiennego i stałego, jeśli chodzi o filtry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) ładowarki prądu stałego mogą wymagać większych ich rozmiarów lub większej ich liczby, w zależności od konstrukcji.

Kolejną różnicą między ładowarkami prądu zmiennego i stałego jest to, że ładowarki prądu stałego do wewnętrznego rozdziału zasilania wymagają zasilających kostek zaciskowych, jakich jak kompaktowe kostki zasilające ENTRELEC firmy TE. Model CBS50-2P charakteryzuje się prądem znamionowym 150A i napięciem znamionowym 1kV.

Ilustracja 4: szybkie ładowarki prądu stałego wymagają wielu takich samych komponentów, jak ładowarki prądu zmiennego poziomu 2. i trybu 3., jednak istnieją również pewne subtelne różnice. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Podsumowanie

Zaawansowane konstrukcje ładowarek do pojazdów elektrycznych (EV) będą miały kluczowe znaczenie dla zmniejszenia obaw związanych z zasięgiem i umożliwią wdrażanie pojazdów elektrycznych (EV) na dużą skalę. Te zaawansowane ładowarki będą wykorzystywać wyższe napięcia i prądy, aby skrócić czas ładowania do około 10 minut, dzięki czemu czas ładowania pojazdów elektrycznych (EV) będzie porównywalny z czasem tankowania pojazdów spalinowych. Projektanci potrzebują szerokiej gamy kompaktowych, wydajnych i przyjaznych dla środowiska komponentów do szybkich ładowarek prądu zmiennego i stałego oraz przyszłych generacji ładowarek ekstremalnie szybkiego ładowania (XFC).