Jak překonat konstrukční výzvy pro rychlou a efektivní infrastrukturu nabíjení elektromobilů

Řešení pro nabíjení elektromobilů vyžadují řadu technologií pro přeměnu energie, které podporují střídavý proud (AC) pro domácí a kancelářské nabíječky a systémy rychlonabíjení stejnosměrným proudem (DC) pro nabíjení na delších cestách. Společným znakem všech typů nabíječek pro elektromobily je potřeba různých stykačů, relé, konektorů a pasivních komponent, které jsou nezbytné pro podporu vysokých napětí a proudů a také pro kompaktní provedení a vysokou účinnost potřebnou k podpoře rychlejší, bezpečnější, méně rozměrné, efektivní a flexibilní infrastruktury pro nabíjení elektromobilů.

Navrhování účinných a flexibilních nabíječek pro elektromobily vyžaduje řadu kompaktních vysokonapěťových zařízení. Tato zařízení musí poskytovat nízké elektrické odpory se spolehlivým a bezpečným provozem. V některých případech tato zařízení také potřebují dlouhou životnost při spínání elektrického proudu, pokud jsou vystavena náročným provozním podmínkám. Některá bezpečnostní zařízení, jako jsou nouzové vypínače, musí mít krytí IP67. Jiné, jako jsou filtry elektromagnetického rušení (EMI), svorkovnice a stykače, musí mít specifické mezinárodní certifikace výkonnosti.

Tento článek obsahuje přehled konstrukcí nabíječek střídavým a stejnosměrným proudem pro elektromobily a některé související regionální normy. Zkoumá potřebu nabíječek pro elektromobily s vyšším výkonem a zabývá se budoucností extrémně rychlého nabíjení (XFC). V závěru stručně představuje použití stykačů, relé, konektorů, výkonových odporů, spínačů, EMI filtrů a systémů propojení výkonových bloků v systémech nabíjení elektromobilů a obsahuje odkazy na ukázkové produkty společnosti TE Connectivity.

Regionální normy

Existuje řada norem, které definují nabíjení elektromobilů střídavým a stejnosměrným proudem. Každý region má svůj vlastní přístup. V Severní Americe popisuje norma SAE J1772 tři úrovně nabíjení elektromobilů, zatímco v Evropě se používá norma IEC 61851, která podrobně popisuje čtyři režimy nabíjení. V Číně platí norma GB/T 20234 pro nabíjení střídavým i stejnosměrným proudem, zatímco v Japonsku existuje norma Japan Automobile Research Institute (JARI) pro nabíjení střídavým proudem a CHAdeMO pro nabíjení stejnosměrným proudem. Nabíjení střídavým proudem se obvykle používá do výkonu přibližně 22 kW, zatímco nabíjení stejnosměrným proudem poskytuje vyšší výkon. Navíc nabíjení střídavým proudem vyžaduje palubní nabíječku (OBC), zatímco stejnosměrné nabíječky se připojují přímo k akumulátoru (obrázek 1). Stručné srovnání standardů nabíjení v Severní Americe a Evropě poskytne kontext pro další část věnovanou návrhům nabíječek a příkladům použití.

Obrázek 1: AC nabíjení využívá OBC, zatímco DC nabíjení dodává energii přímo do baterie. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Severní Amerika má dvě úrovně nabíjení střídavým proudem. Úroveň 1 využívá nástěnnou zásuvku a dodává až 1,9 kW, zatímco úroveň 2 využívá nabíjecí stanici a dodává až 19,2 kW. Nabíječky úrovně 1 se využívají především v obytných domech, zatímco úroveň 2 se nachází v obytných a komerčních prostorech. Evropa má tři režimy nabíjení střídavým proudem. Režim 1 je jako úroveň 1 v Severní Americe, zatímco režim 3 je jako úroveň 2 v Severní Americe. Evropa má také přechodový typ, režim 2, který používá zástrčku jako režim 1, ale připojovací kabel je doplněný o ochranné obvody, což umožňuje dodávat dvojnásobný výkon.

Rychlost nestačí

Rychlonabíječky využívající střídavý proud, jako je úroveň 2 v Severní Americe a režim 3 v Evropě, jsou rychlejší než alternativy, kterým trvá plné nabití elektromobilu 10 až 12 hodin. Přesto může AC rychlonabíjení trvat několik hodin, než se vybitá baterie dobije, což je užitečné v případech, kdy bude vůz delší dobu zaparkován v práci, doma nebo na jiném místě. Stále však není dostatečně rychlé na to, aby výrazně snížilo obavy řidičů elektromobilů ohledně dojezdu.

Proto byly vyvinuty výkonné nabíječky na střídavý proud v režimu 3 a nabíječky na stejnosměrný proud úrovně 4. Rychlost nabíjení při rychlém nabíjení stejnosměrným proudem závisí na tom, kolik proudu je k dispozici z nabíječky, a na napětí akumulátoru. DC rychlonabíječky byly původně vyvinuty pro 400V akumulátory. Nabití s nabíječkou 400 V, 200 A na 80 % trvá přibližně 50 minut. Zvýšení proudu na 350 A je náročné, ale díky tomu lze dosáhnout 80% nabití 400V akumulátoru přibližně za 29 minut. Přestože zvýšení proudu zkracuje potřebnou dobu nabíjení, k tomu, aby se nabíjení elektromobilů stalo časově efektivní alternativou k jiným způsobům doplňování paliva, je toho potřeba víc. Cílem je doba nabíjení 10 minut, což je přibližně stejná doba, jaká je nutná k naplnění nádrže vozidla se spalovacím motorem.

Další fází rychlonabíjení stejnosměrným proudem bude extrémně rychlé nabíjení (XFC). Aby se dosáhlo XFC, zvyšuje se napětí akumulátorů ze 400 V na 800 V, přičemž na obzoru jsou akumulátory s napětím 1 kV. Vyvíjí se technologie nabíječek XFC, které budou poskytovat napětí 1 kV při proudu 350 až 500 A, čímž se doba nabíjení sníží na 10 minut nebo méně. S pokrokem v oblasti XFC budou obavy ohledně dojezdu neopodstatněné.

Vedle vývoje technologie XFC jsou konstruktéři tlačeni k tomu, aby nabíječky měly kompaktní konstrukci a vysokou účinnost a podporovaly tak bezpečnější, menší, účinnější a flexibilnější nabíjení elektromobilů. To vyžaduje pokročilé komponenty a vyspělá konstrukční provedení.

Obrázek 2: K vývoji kompaktnějších a výkonnějších řešení pro nabíjení elektromobilů jsou zapotřebí pokročilé komponenty. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Jak se dostat do stísněných prostor

Konstrukce nabíječek XFC jsou vyvíjeny s použitím výkonových polovodičů z karbidu křemíku (SiC) a nitridu galia (GaN), které poskytují vysoce účinná a kompaktní řešení přeměny energie. Přeměna energie je však pouze jedním z prvků konstrukce nabíječky pro elektromobily.

Nabíječky elektromobilů potřebují kompaktní a robustní konektory pro desky a signální konektory pro řízení a monitorování. Potřebují prostorově úsporná relé a stykače, které zvládnou vyšší napětí spojené s rychlejšími režimy nabíjení. Výkonové rezistory v nabíječkách elektromobilů potřebují vysoký izolační odpor, nízkou povrchovou teplotu, vynikající teplotní součinitel odporu (TCR), schopnost odvádět vysoký výkon v omezeném prostoru a nehořlavou konstrukci.

Pomocné napájecí zdroje a další obvody jsou závislé na kompaktních filtrech elektromagnetického rušení (EMI), které eliminují rušení řídicí logiky a monitorovacích obvodů. Aby odolaly náročným podmínkám, jsou nutné nouzové vypínače s krytím IP65 a dostatečnou ovládací silou, která zabrání nechtěnému sepnutí.

Nabíječky na střídavý proud úrovně 2 / režimu 3

V následujícím seznamu jsou uvedeny některé klíčové součásti potřebné při navrhování nabíječek na střídavý proud úrovně 2 a režimu 3. Uvedená čísla odpovídají zakroužkovaným číslům na obrázku 3 níže.

1. Výkonová relé, jako je řada T92 společnosti TE, se používají jako hlavní spínač v nabíjecích stanicích na střídavý proud. Tato relé se dvěma spínacími kontakty (DPST) jsou dimenzována na proud až 50 A a jsou určena pro použití v extrémních teplotách. Model T92HP7D1X-12 je optimalizován pro vynikající tepelný výkon a je dimenzován na 50 A a 600 V při teplotě do 85 °C.
2. Konektory pro desky a signální konektory, např. řada Dynamic Mini společnosti TE, jsou potřebné pro podporu vnitřního napájení desek plošných spojů a připojení signálů. Tyto konektory jsou vybaveny slyšitelným mechanismem nuceného zapínání, který usnadňuje instalaci a údržbu v terénu. Jsou dimenzovány pro provoz při teplotách od -40 do 125 °C, aby vyhověly požadavkům na instalace pro nabíjení střídavým proudem. Například model 1-2834461-2 má 12 pozic na 0,071palcové (1,8mm) ose.
3. Výkonové rezistory jsou důležité pro monitorování, řízení a zajištění bezpečného provozu. Musí mít vysoký izolační odpor, nízkou hodnotu TCR, například 300 ppm/°C, nízký nárůst povrchové teploty a nehořlavou konstrukci. Řada SQ od společnosti TE, například 5W model SQPW51R0J s odporem 1 Ω ±5 %, je vhodná pro použití v AC nabíječkách.
4. Pro bezpečnost AC nabíječek je důležitý nouzový vypínač. TE nabízí tlačítkový spínač nouzového zastavení řady PBE16 v osvětleném a neosvětleném provedení. Tyto spínače splňují požadavky norem IEC 60947-5-1 a IEC 60947-5-5. Například model PBES16L1CR má krytí IP 65 a ovládací sílu 20 N, aby se zabránilo nechtěnému spuštění.
5. Pro pomocné napájecí zdroje v nabíjecích stanicích jsou nutné EMI filtry, aby se zabránilo rušení provozu digitálních obvodů používaných pro monitorování a řízení napájení. Pro napájení výkonových polovodičů v sekci přeměny energie jsou také potřeba pomocné napájecí zdroje. Model 6609065-3 společnosti TE je jednofázový EMI filtr se jmenovitou hodnotou 6 A při 250 V a 50 nebo 60 Hz.
6. V neposlední řadě jsou zapotřebí elektrická řešení pro identifikaci kabeláže a panelů, aby se urychlila montáž a údržba v terénu. Tyto štítky se musí snadno instalovat a musí být vysoce odolné. Například PL-027008-2.5-9 od TE je polyesterový samolepicí štítek určený pro použití v elektrických rozváděčích, jako jsou nabíjecí stanice pro elektromobily.

Obrázek 3: Klíčové komponenty potřebné pro AC nabíječky úrovně 2 a režimu 3. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Rychlé nabíjení a XFC nabíjení stejnosměrným proudem

Zjednodušeně řečeno se zdá, že typy komponentů potřebné pro AC nabíječky úrovně 2 a režimu 3 jsou podobné těm, které se používají v DC rychlonabíječkách. Jsou však mezi nimi některé jemné a zjevné rozdíly.

AC nabíjecí stanice obvykle používají pro řízení výkonu relé, zatímco stejnosměrné nabíječky potřebují stykače. Přestože relé i stykače jsou spínače, které ke spínání obvodu s vyšším napětím využívají nízké napětí, například 12 V DC, tato zařízení používají různé struktury kontaktů optimalizované pro různé úrovně napětí a proudu. Relé jsou obvykle dimenzována na napětí do 600 V, kdežto stykače na napětí 800 V a vyšší. Kromě toho jsou relé obvykle omezena na desítky ampérů, zatímco stykače mohou spínat stovky ampérů. Například stykač EV200AAANA od společnosti TE je dimenzován na 900 V a 500 A a je vhodný pro DC rychlonabíječky.

Signální konektory a výkonové rezistory používané v DC nabíječkách nejsou stejné jako ty, které se používají v konstrukcích určených pro střídavý proud. Stejnosměrné nabíječky zahrnují složitější řízení, jako je komunikace s akumulátorem elektromobilu, které chybí v konstrukcích pro AC chybí. Pro AC i DC nabíječky je výhodné použití konektorů s jemnou roztečí mezi deskami s osou 0,050" x 0,050" (1,00 mm x 1,00 mm), ale DC nabíječky mohou vyžadovat vyšší počet pinů, např. 30polohový 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP.

Kromě toho lze u DC nabíječek při vyšších výkonech využít výkonové rezistory s hliníkovým pouzdrem; příkladem je řada HS od společnosti TE. Tyto drátové rezistory jsou velmi stabilní a mohou odvádět vysoký výkon v omezeném prostoru s relativně nízkou povrchovou teplotou. Například model HSA1010RJ je dimenzován na 10 Ω ±5 % a 10 W. Ostatní modely v řadě jsou dimenzovány až na 82 kΩ a až 300 W.

Ačkoli lze často použít stejný typ nouzového vypínače pro AC i DC nabíječky, v případě EMI filtrů mohou DC nabíječky podle své konstrukce potřebovat větší filtry nebo více filtrů.

Další rozdíl mezi AC a DC nabíječkami spočívá v tom, že nabíječky na stejnosměrný proud vyžadují pro vnitřní rozvod energie napájecí svorkovnice, například kompaktní napájecí bloky ENTRELEC společnosti TE. Model CBS50-2P je dimenzován na 150 A a 1 kV.

Obrázek 4: DC rychlonabíječky potřebují mnoho stejných součástí jako AC nabíječky úrovně 2 a režimu 3, ale jsou zde také drobné rozdíly. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Závěr

Vyspělé konstrukce nabíječek pro elektromobily budou mít zásadní význam pro snížení obav ohledně dojezdu a rozšíření elektromobilů. Tyto vyspělé nabíječky budou využívat vyšší napětí a proudy ke zkrácení doby nabíjení na přibližně 10 minut, takže doba nabíjení elektromobilů bude srovnatelná s dobou tankování vozidel se spalovacím motorem. Jak se ukázalo, konstruktéři potřebují širokou škálu kompaktních, účinných a ekologicky odolných komponent pro AC a DC rychlonabíječky a budoucí generace konstrukcí XFC.