Cum să depășiți provocările de proiectare pentru o infrastructură de încărcare rapidă și eficientă a vehiculelor electrice

Soluțiile de încărcare a vehiculelor electrice (EV) au nevoie de o gamă de tehnologii de conversie a energiei pentru a susține modele de curent alternativ (c.a.) pentru încărcătoare de acasă și de la birou și sisteme de încărcare rapidă cu curent continuu (c.c.) pentru încărcarea în timpul călătoriilor prelungite. Punctul comun dintre toate tipurile de încărcătoare de vehicule electrice este necesitatea unei varietăți de contactoare, relee, conectori și componente pasive pentru acceptarea tensiunilor și curenților mari prezenți, precum și pentru a oferi modelele compacte și randamentele ridicate necesare pentru a sprijini o infrastructură de încărcare a vehiculelor electrice mai rapidă, mai sigură, mai mică, mai eficientă și mai flexibilă.

Proiectarea unor încărcătoare eficiente și flexibile pentru vehiculele electrice necesită o varietate de dispozitive compacte, de înaltă tensiune. Aceste dispozitive trebuie să ofere rezistențe electrice scăzute cu o funcționare fiabilă și sigură. În unele cazuri, aceste dispozitive au nevoie și de o durată lungă de viață la comutație electrică atunci când sunt expuse la medii de funcționare dure. Unele dispozitive de siguranță, cum ar fi întrerupătoarele de închidere de urgență, trebuie să fie calificate IP67. Altele, cum ar fi filtrele de interferență electromagnetică (EMI), blocurile terminale și contactoarele, trebuie să aibă certificări internaționale de performanță specifice.

Acest articol oferă o prezentare generală a modelelor de încărcătoare de curent alternativ și continuu pentru vehicule electrice și a unor standarde regionale conexe. De asemenea, analizează necesitatea de a utiliza încărcătoare pentru vehicule electrice de mare putere și analizează viitorul încărcării extrem de rapide (XFC). Se încheie prin prezentarea succintă a utilizărilor pentru contactoare, relee, conectori, rezistoare de putere, întrerupătoare, filtre EMI și sisteme de interconectare a blocurilor de putere în sistemele de încărcare a vehiculelor electrice și include linkuri către exemple de produse de la TE Connectivity.

Standarde regionale

Există o varietate de standarde care definesc încărcarea vehiculelor electrice prin curent alternativ și curent continuu. Fiecare regiune are o abordare proprie. În America de Nord (NA), SAE J1772 descrie trei niveluri de încărcare a vehiculelor electrice, în timp ce în Europa se utilizează IEC 61851, care detaliază patru moduri de încărcare. Standardul din China este GB/T 20234, atât pentru încărcarea în curent alternativ, cât și pentru curent continuu, în timp ce în Japonia există standardul Japan Automobile Research Institute (JARI) pentru încărcarea c.a. și CHAdeMO pentru încărcarea c.c. De obicei, încărcarea c.a. se utilizează până la aproximativ 22 kW, în timp ce încărcarea c.c. oferă o putere mai mare. În plus, încărcarea c.a. necesită un încărcător de bord (OBC), în timp ce încărcătoarele c.c. se conectează direct la acumulator (Figura 1). O scurtă comparație a standardelor de încărcare din NA și Europa va oferi contextul pentru următoarea secțiune privind modelele de încărcătoare și cazurile de utilizare.

Figura 1: Încărcarea c.a. utilizează un OBC, în timp ce încărcarea c.c. alimentează direct bateria cu energie. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

NA are două niveluri de încărcare c.a. Nivelul 1 utilizează o priză de perete pentru a furniza până la 1,9 kW, în timp ce nivelul 2 utilizează o stație de încărcare de până la 19,2 kW. Încărcătoarele de nivelul 1 sunt utilizate în principal în locuințe, în timp ce încărcătoarele de nivelul 2 se găsesc în medii rezidențiale și comerciale. În Europa există trei moduri de încărcare cu curent alternativ. Modul 1 este ca și nivelul 1 din NA, în timp ce modul 3 este ca și nivelul 2 din NA. În Europa există și un tip intermediar, modul 2, care utilizează o priză de perete ca și modul 1, dar adaugă circuite de protecție la cablul de conectare, ceea ce îi permite să furnizeze putere de două ori mai mare.

Rapiditatea nu este suficientă

Încărcătoarele rapide de curent alternativ, cum ar fi cele de nivelul 2 în NA și cele de modul 3 în Europa, sunt mai rapide decât cele alternative, care necesită până la 10-12 ore pentru a încărca complet un vehicul electric. Acestea fiind spuse, un acumulator epuizat poate fi reîncărcat în câteva ore cu un sistem c.a. rapid, ceea ce este util în cazurile în care o mașină va fi parcată la birou, acasă sau în altă locație pentru o perioadă lungă de timp. Cu toate acestea, nu este încă suficient de rapid pentru a reduce semnificativ anxietatea legată de autonomie în rândul șoferilor de vehicule electrice.

Acesta este motivul pentru care au fost dezvoltate încărcătoarele de mare putere de tip c.a. pentru modul 3 și încărcătoarele c.c. de nivelul 4. Rata de încărcare pentru încărcarea rapidă c.c. depinde de curentul disponibil de la încărcător și de tensiunea acumulatorului. Încărcătoarele rapide c.c. au fost dezvoltate inițial pentru acumulatoare de 400 V. Pentru a atinge o încărcare de 80% cu un încărcător de 400 V, 200 A, este nevoie de aproximativ 50 de minute. Creșterea curentului la 350 A este o provocare, dar astfel se poate obține o încărcare de 80% a unui acumulator de 400 V în aproximativ 29 de minute. Deși creșterea curentului reduce timpul de încărcare necesar, este nevoie de mai mult pentru ca încărcarea vehiculelor electrice să devină o alternativă mai rapidă la alte metode de alimentare. Obiectivul este un timp de încărcare de 10 minute - aproximativ același timp necesar pentru a umple rezervorul de benzină al unui vehicul cu motor cu ardere internă (ICE).

Următoarea fază a încărcării rapide în curent continuu va fi încărcarea extrem de rapidă (XFC). Pentru a ajunge la XFC, tensiunile acumulatoarelor cresc de la 400 V la 800 V, cu acumulatoare de 1 kV întrezărindu-se la orizont. Tehnologia de încărcare XFC este în curs de dezvoltare pentru furnizarea a 1 kV la 350 până la 500 A, reducând timpul de încărcare la 10 minute sau mai puțin. Odată cu progresele în domeniul XFC, anxietatea legată de autonomie va deveni un subiect din trecut.

Pe lângă dezvoltarea tehnologiei XFC, proiectanții sunt presați să obțină designuri compacte și randamente ridicate pentru a susține încărcarea mai sigură, mai mică, mai eficientă și mai flexibilă a vehiculelor electrice. Acest lucru necesită componente și designuri avansate.

Figura 2: Sunt necesare componente avansate pentru a dezvolta soluții de încărcare mai compacte și cu putere mai mare pentru vehiculele electrice. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

Accesarea spațiilor înguste

Proiectele de încărcătoare XFC sunt dezvoltate folosind semiconductori de putere din carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN), care oferă soluții de conversie a puterii compacte și cu grad ridicat de eficiență. Cu toate acestea, conversia de putere este doar o parte a proiectării încărcătoarelor pentru vehicule electrice.

Încărcătoarele de vehicule electrice au nevoie de o placă compactă și robustă și de conectori de semnal pentru control și monitorizare. Acestea au nevoie de relee și contactoare care ocupă puțin spațiu și care pot gestiona tensiunile mai mari asociate regimurilor de încărcare mai rapide. Rezistoarele de putere din încărcătoarele de vehicule electrice au nevoie de o rezistență ridicată a izolației, de o temperatură de suprafață scăzută, de un coeficient de temperatură al rezistenței (TCR) excelent, de capacitatea de a disipa o putere mare într-un spațiu limitat, dar și de o construcție ignifugă.

Sursele de alimentare auxiliare și alte circuite depind de filtre compacte de interferență electromagnetică (EMI) pentru eliminarea interferențelor cu logica de control și circuitele de monitorizare. Pentru a asigura rezistența în medii dure este nevoie de întrerupătoare de oprire de urgență cu clasificare IP65 și cu o forță de acționare suficientă pentru a preveni comutarea neintenționată.

Încărcătoare c.a. de nivelul 2/modul 3

Următoarea listă detaliază unele componente cheie necesare la proiectarea încărcătoarelor c.a. de nivelul 2 și de modul 3. Numerele listate corespund numerelor încercuite în Figura 3 de mai jos.

1. Releele de putere, cum ar fi cele din seria T92 de la TE, sunt utilizate ca întrerupătoare principale în stațiile de încărcare c.a. Aceste relee bipolare cu o singură direcție (DPST) au o capacitate nominală de până la 50 A și sunt concepute pentru utilizare la temperaturi extreme. Modelul T92HP7D1X-12 este optimizat pentru performanțe termice superioare și este evaluat pentru 50 A și 600 Vc.a. la o temperatură de până la 85 °C.
2. Conectorii de placă și de semnal, cum ar fi cei din seria Dynamic Mini de la TE, sunt necesari pentru a susține conectivitatea internă a PCB-ului pentru alimentare și semnal. Acești conectori includ un mecanism de blocare pozitivă audibilă pentru a facilita instalarea și întreținerea pe teren. Sunt proiectați pentru a funcționa la temperaturi cuprinse între -40 și 125 °C, pentru a susține cerințele instalațiilor de încărcare c.a. De exemplu, modelul 1-2834461-2 are 12 poziții pe o linie mediană de 1,8 mm (0,071 inch).
3. Rezistoarele de putere sunt importante pentru monitorizarea, gestionarea și obținerea unei funcționări sigure. Acestea trebuie să aibă o rezistență ridicată a izolației, valori TCR scăzute, cum ar fi 300 ppm/°C, o creștere scăzută a temperaturii de suprafață și o construcție ignifugă. Seria SQ de la TE, cum ar fi modelul SQPW51R0J de 1 Ω ±5% 5 W, este potrivită pentru utilizarea în încărcătoare c.a.
4. Un întrerupător de oprire de urgență este important pentru siguranța încărcătorului c.a. TE oferă întrerupătorul de oprire de urgență cu buton din seria PBE16 în versiuni cu iluminare și fără iluminare. Aceste comutatoare îndeplinesc cerințele IEC 60947-5-1 și IEC 60947-5-5-5. De exemplu, modelul PBES16L1CR are clasificare IP 65 cu o forță de acționare de 20 Newtoni (N) pentru a evita acționarea neintenționată.
5. Sunt necesare filtre EMI pentru sursele de alimentare auxiliare din stațiile de încărcare pentru a preveni interferențele cu funcționarea circuitelor digitale utilizate pentru monitorizarea și controlul energiei. De asemenea, sunt necesare surse de alimentare auxiliare pentru a alimenta semiconductoarele de putere din secțiunea de conversie a puterii. Modelul 6609065-3 de la TE este un filtru EMI monofazat cu o capacitate nominală de 6 A la 250 Vc.a. și 50 sau 60 Hz.
6. În cele din urmă, sunt necesare soluții electrice pentru identificarea cablurilor și a panourilor, pentru a accelera asamblarea și întreținerea pe teren. Aceste etichete trebuie să fie ușor de instalat și foarte durabile. De exemplu, PL-027008-2.5-9 de la TE este o etichetă adezivă din poliester concepută pentru utilizarea în dulapuri electrice, cum ar fi stațiile de încărcare a vehiculelor electrice.

Figura 3: Componentele cheie necesare pentru încărcătoarele c.a. de nivelul 2 și modul 3. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

C.c. rapid și XFC

La un nivel înalt, tipurile de componente necesare pentru încărcătoarele c.a. de nivelul 2 și modul 3 par a fi similare cu cele utilizate la încărcătoarele rapide de curent continuu. Cu toate acestea, există câteva diferențe subtile și evidente între cele două.

În general, stațiile de încărcare c.a. utilizează relee pentru controlul puterii, în timp ce încărcătoarele c.c. au nevoie de contactoare. Deși atât releele, cât și contactoarele sunt întrerupătoare care utilizează o tensiune joasă, cum ar fi 12 Vc.c. pentru a comuta un circuit de tensiune mai mare, dispozitivele utilizează structuri de contact diferite, optimizate pentru diferite niveluri de tensiune și curent. De obicei, releele sunt clasificate pentru o tensiune de până la 600 V, în timp ce contactoarele sunt clasificate pentru 800 V și mai mult. În plus, releele sunt limitate de obicei la zeci de amperi, în timp ce există contactoare care pot comuta sute de amperi. De exemplu, contactorul EV200AAANA de la TE oferă 900 V și 500 A și este potrivit pentru încărcătoare c.c. rapide.

Conectorii de semnal și rezistoarele de putere utilizate în încărcătoarele c.c. nu sunt aceleași cu cele utilizate în modelele c.a. Încărcătoarele c.c. implică un control mai complex, cum ar fi comunicațiile cu acumulatorul vehiculului electric, care nu există în cazul modelelor c.a. Atât încărcătoarele c.a., cât și cele c.c. beneficiază de utilizarea conectorilor cu pas fin de la placă la placă, cu o linie centrală de 0,050" x 0,050" (1,00 mm x 1,00 mm), dar încărcătoarele c.c. pot necesita un număr mai mare de pini, cum ar fi 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP cu 30 de poziții.

În plus, nivelurile mai ridicate de putere din încărcătoarele c.c. pot beneficia de rezistoarele de putere cu carcasă de aluminiu, cum ar fi seria HS de la TE. Aceste rezistoare înfășurate în sârmă sunt foarte stabile și pot disipa o putere mare într-un spațiu restrâns, cu o temperatură de suprafață relativ scăzută. De exemplu, modelul HSA1010RJ este evaluat la 10 Ω ±5% și 10 W. Alte modele din această serie au valori nominale de până la 82 kΩ și până la 300 W.

Deși același tip de întrerupător de oprire de urgență poate fi adesea utilizat pentru încărcătoarele c.a. și c.c., în cazul filtrelor EMI, încărcătoarele c.c. pot avea nevoie de filtre mai mari sau de mai multe filtre, în funcție de proiect.

O altă diferență între încărcătoarele c.a. și c.c. este că încărcătoarele c.c. necesită blocuri terminale de alimentare, cum ar fi blocurile de alimentare compacte ENTRELEC de la TE pentru distribuția internă a energiei. Modelul CBS50-2P este evaluat pentru 150 A și 1 kV.

Figura 4: Încărcătoarele c.c. rapide au nevoie de un număr mai mare din aceleași componente ca și încărcătoarele c.a. de nivelul 2 și modul 3, dar există și unele diferențe subtile. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

Concluzie

Modelele avansate de încărcătoare pentru vehicule electrice vor fi esențiale pentru reducerea anxietății legate de autonomie și pentru a permite implementarea pe scară largă a vehiculelor electrice. Aceste încărcătoare avansate vor utiliza tensiuni și curenți mai mari pentru a reduce timpul de încărcare la aproximativ 10 minute, făcând ca timpul de încărcare a vehiculelor electrice să fie comparabil cu timpul de realimentare a vehiculelor cu motor cu ardere internă. După cum s-a arătat, proiectanții au nevoie de o gamă largă de componente compacte, eficiente și rezistente la condițiile ambiante pentru încărcătoare c.a. și c.c. rapide și pentru viitoarele generații de modele XFC.