Sådan overvindes designudfordringer for hurtig og effektiv opladningsinfrastruktur til elbiler

Opladningsløsninger til elektrisk køretøj (electric vehicle/EV) har brug for en række strømkonverteringsteknologier til at understøtte vekselstrømsdesign (AC) til opladere i hjemmet og på kontoret og hurtigopladningssystemer med jævnstrøm (DC) til opladning på længere bilture. Den røde tråd mellem alle typer elbilopladere er behovet for en række kontaktorer, relæer, konnektorer og passive komponenter, der er nødvendige for at understøtte de tilstedeværende høje spændinger og strømme, samt levere det kompakte design og den høje effektivitet, der er nødvendig for at understøtte en hurtigere, sikrere, mindre, effektiv og fleksibel opladningsinfrastruktur for elbiler (EV).

Design af effektive og fleksible elbilopladere kræver en række kompakte højspændingsenheder. Disse enheder skal levere lave elektriske modstande med pålidelig og sikker drift. I nogle tilfælde har disse enheder også brug for lange elektriske levetider for kontakter, når de udsættes for barske driftsmiljøer. Nogle sikkerhedsanordninger, som f.eks. nødafbrydere, skal være IP67-klassificerede. Andre, som EMI-filtre (elektromagnetisk interferens), terminalblokke og kontaktorer, skal have specifikke internationale præstationscertificeringer.

Denne artikel giver et overblik over design af AC- og DC-opladere til elbiler og nogle relaterede regionale standarder. Artiklen gennemgår behovet for EV-opladere med højere effekt og ser på fremtiden for ekstremt hurtig opladning (extreme fast charging/XFC). Den afsluttes med en kort præsentation af anvendelser af kontaktorer, relæer, konnektorer, effektmodstande, kontakter, EMI-filtre og kraftblok-sammenkoblingssystemer i EV-opladningssystemer og indeholder links til eksemplariske produkter fra TE Connectivity.

Regionale standarder

Der findes en række standarder, der definerer AC- og DC-EV-opladning. Hver region har sin egen tilgang. I Nordamerika (NA) beskriver SAE J1772 tre niveauer for EV-opladning, mens IEC 61851 bruges i Europa og beskriver fire opladningstilstande. I Kina er standarden GB/T 20234 for både AC- og DC-opladning, mens det i Japan er Japans institut for bilforskning (Japan Automobile Research Institute/JARI), der udgiver standarden for AC-opladning og CHAdeMO for DC-opladning. AC-opladning bruges typisk op til omkring 22 kW, mens DC-‐opladning leverer større effekt. Desuden kræver AC-opladning en oplader indbygget i EV’en (onboard charger/OBC), mens DC-opladere tilsluttes direkte til batterienheden (figur 1). En kort sammenligning af opladningsstandarder i NA og Europa vil danne konteksten for det næste afsnit om opladerdesign og use-cases.

Figur 1: Diagram over AC-opladning bruger en OBC, mens DC-opladning tilfører energi direkte til batteriet. (Billedkilde: TE Connectivity)

NA har to niveauer af AC-opladning. Niveau-1 anvender et vægudtag til at levere op til 1,9 kW, mens Niveau-2 anvender en ladestation for op til 19,2 kW. Niveau-1-opladere bruges primært i boliger, mens Niveau-2-opladere findes i både bolig- og kommercielle miljøer. Europa har tre former for AC-opladning. Mode-1 er som Niveau-1 i NA, mens mode-3 er som NA Niveau-2. Europa har også en mellemtype, Mode-2, der bruger et vægstik ligesom Mode-1, men tilføjer beskyttende kredsløb til tilslutningskablet, så det kan levere dobbelt så meget strøm.

Hurtigt er ikke nok

Hurtige vekselstrømsopladere, som Niveau-2 i NA og Mode-3 i Europa, er hurtigere end alternativerne, der tager op til 10 til 12 timer at lade en elbil helt op. Når det er sagt, kan en hurtig AC-lader stadig tage flere timer at genoplade en afladet batterienhed, hvilket er nyttigt i tilfælde, hvor en bil skal parkeres på et kontor, hjemme eller et andet sted i en længere periode. Det er dog stadig ikke hurtigt nok til at reducere rækkeviddeangsten blandt elbilister.

Derfor blev der udviklet høj-effekt Mode-3 AC-opladere og Niveau-4 DC-opladere. Opladningshastigheden for DC-hurtigopladning afhænger af, hvor meget strøm der er til rådighed fra opladeren og batterienhedens spænding. DC-hurtigladere blev oprindeligt udviklet til 400 V-batterienheder. Det tager ca. 50 minutter at opnå 80% opladning med en 400 V, 200 A-oplader. Det er en udfordring at øge strømmen til 350 A, men det kan levere en 80 % opladning til en 400 V-pakke på ca. 29 minutter. Selv om en forøgelse af strømmen reducerer den nødvendige ladetid, er der brug for mere for at gøre opladning af elbiler til et tidseffektivt alternativ til andre optankningsmetoder. Målet er en opladningstid på 10 minutter - omtrent den samme tid, som det tager at fylde tanken på en bil med forbrændingsmotor (internal combustion engine/ICE).

Den næste fase af DC-hurtigopladning vil være ekstremt hurtigopladning (XFC). For at nå frem til XFC stiger batterienhedernes spænding fra 400 V til 800 V med 1 kV-pakker i udsigt. XFC-opladerteknologien er ved at blive udviklet til at levere 1 kV ved 350 til 500 A, hvilket bringer opladningstiden ned på 10 minutter eller mindre. Med fremskridt inden for XFC vil rækkeviddeangst høre til historien.

Ud over at udvikle XFC-teknologi presses designere til kompakte designs og høj effektivitet for at understøtte sikrere mindre, mere effektiv og fleksibel opladning af elbiler. Det kræver avancerede komponenter og avanceret design.

Figur 2: Der er brug for avancerede komponenter til at udvikle opladningsløsninger til elbiler, der er mere kompakte og leverer større effekt. (Billedkilde: TE Connectivity)

At komme ind på trange steder

XFC-opladerdesign udvikles ved hjælp af siliciumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) effekthalvledere, der leverer højeffektive, kompakte strømkonverteringsløsninger. Strømkonvertering er dog kun ét element i designet af en elbiloplader.

Elbilopladere har brug for kompakte og robuste printkort- og signalstik til styring og overvågning. De har brug for pladsbesparende relæer og kontaktorer, der kan håndtere de højere spændinger, der er forbundet med hurtigere opladningsregimer. Effektmodstande i elbilopladere har brug for høj isolationsmodstand, lav overfladetemperatur, fremragende temperaturkoefficient for modstand (temperature coefficient of resistance/TCR), evnen til at aflede høj effekt på begrænset plads og brandsikker konstruktion.

Hjælpe-strømforsyninger og andre kredsløb er afhængige af kompakte EMI-filtre (elektromagnetisk interferens) for at eliminere interferens med styringslogik og overvågningskredsløb. Nødafbrydere med IP65-klassificering og tilstrækkelig aktiveringskraft til at undgå utilsigtet aktivering af afbryderen er nødvendige for at modstå barske miljøer.

Niveau-2 / Mode-3 AC-opladere

Følgende liste beskriver nogle af de nøglekomponenter, der kræves, når man designer Niveau-2- og Mode-3 AC-ladere. De anførte tal svarer til de indcirklede tal i figur 3 nedenfor.

1. Effektrelæer, som TE's T92-serie, anvendes som hovedafbryder i AC-ladestationer. Disse to-polede afbrydere (two-pole single-throw/DPST) relæer er klassificeret til op til 50 A og designet til brug i ekstreme temperaturer. Model T92HP7D1X-12 er optimeret til uovertruffen termisk ydeevne og klassificeret til 50 A og 600 Vac ved op til 85 °C.
2. Printkort- og signalstik, som TE's Dynamic Mini-serie, er nødvendige for at understøtte intern PCB-kort-strøm- og -signalkonnektivitet. Disse konnektorer har en hørbar, positiv låsemekanisme, der letter installation og vedligeholdelse i marken. De er klassificeret til drift fra -40 til 125 °C for at understøtte kravene til AC-opladningsinstallationer. For eksempel har modellen 1-2834461-2 12 positioner på en 0,071-tommers (1,8 mm) centerlinje.
3. Effektmodstande er vigtige for at overvåge, administrere og sikre sikker drift. De skal have høj isolationsmodstand, lave TCR'er på f.eks. 300 ppm/°C, lav overfladetemperaturstigning og brandsikker konstruktion. SQ-serien fra TE, som 1±5‐% 5W-modellen SQPW51R0J, er velegnet til brug i AC-opladere.
4. En nødstopkontakt er vigtig for AC-opladerens sikkerhed. TE tilbyder PBE16-seriens nødstopkontakt med trykknap i belyste og ubelyste versioner. Disse switches opfylder kravene i IEC 60947-5-1 og IEC 60947-5-5. For eksempel er modellen PBES16L1CR IP 65-klassificeret, med en aktiveringskraft på 20 Newton (N) for at undgå utilsigtet aktivering.
5. Der er behov for EMI-filtre for hjælpestrømforsyningerne i ladestationer for at forhindre interferens med driften af de digitale kredsløb, der bruges til strømovervågning og -styring. Der er også behov for hjælpe-strømforsyninger til at levere strøm til effekt-halvlederne i strømkonverteringssektionen. TE's model 6609065-3 er et enfaset EMI-filter, der er klassificeret til 6 A ved 250 Vac og 50 eller 60 Hz.
6. Endelig er der brug for elektriske løsninger til ledningsføring og panelidentifikation for at fremskynde montering og vedligeholdelse i marken. Disse mærkater skal være nemme at installere og meget holdbare. TE's PL-027008-2.5-9 er f.eks. en selvklæbende mærkat i polyester, der er designet til brug i elkabinetter som f.eks. ladestationer til elbiler.

Figur 3: Nøglekomponenter til Niveau-2- og Mode-3 AC-opladere. (Billedkilde: TE Connectivity)

Hurtig- og XFC-DC

Overordnet set ligner de komponenter, der er nødvendige for Niveau-2- og Mode-3-vekselstrømsopladere, dem, der bruges i hurtige jævnstrømsopladere. Der er dog nogle subtile og åbenlyse forskelle mellem de to.

AC-ladestationer bruger typisk relæer til strømstyring, mens DC-ladere har brug for kontaktorer. Selvom relæer og kontaktorer er begge afbrydere, der bruger en lav spænding som 12 Vdc til at koble et kredsløb med højere spænding, bruger enhederne forskellige kontaktstrukturer, der er optimeret til forskellige spændings- og strømniveauer. Relæer er typisk klassificeret til op til 600 V, mens kontaktorer er klassificeret til 800 V og højere. Derudover er relæer typisk begrænset til nogle snes ampere, mens der findes kontaktorer, der kan koble hundredvis af ampere. TE's EV200AAANA-kontaktor er f.eks. klassificeret til 900 V og 500 A og er velegnet til hurtige DC-ladere.

De signalstik og effektmodstande, der bruges i DC-opladere, er ikke de samme som dem, der bruges i AC-design. DC-opladere involverer mere kompleks styring, såsom kommunikation med elbilens batterienhed, som ikke findes i AC-design. Både AC- og DC-opladere drager fordel af at bruge printkort-til-printkort konnektorer med små benafstande med en 0,050" x 0,050" (1,00 mm x 1,00 mm) centerlinje, men DC-opladere kan kræve et større antal ben som 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP’en med 30 positioner.

Derudover kan de højere effektniveauer i DC-opladere drage fordel af effektmodstande med aluminiumshuse som TE’s HS-serie. Disse trådviklede spolemodstande er meget stabile og kan aflede høj effekt på begrænset plads med relativt lav overfladetemperatur. For eksempel er modellen HSA1010RJ klassificeret til 10±5‐% og 10 W. Andre modeller i serien er klassificeret til op til 82 kΩ og op til 300 W.

Selvom den samme type nødafbryder ofte kan bruges til AC- og DC-opladere, kan DC-opladere have brug for større filtre eller flere filtre afhængigt af designet, når det gælder EMI-filtre.

En anden forskel mellem AC- og DC-opladere er, at DC-opladere kræver terminalblokke som TE's ENTRELEC Compact Power Blocks (kompakte kraftblokke) til intern strømfordeling. Modellen CBS50-2P er klassificeret til 150 A og 1 kV.

Figur 4: Hurtige DC-opladere har brug for mange af de samme komponenter som Niveau-2- og Mode-3 AC-opladere, men der er også nogle subtile forskelle. (Billedkilde: TE Connectivity)

Konklusion

Avanceret design af elbilopladere vil være afgørende for at reducere rækkeviddeangst og muliggøre udbredelsen af elbiler i stor skala. Disse avancerede opladere vil bruge højere spændinger og strømme til at reducere opladningstiden til omkring 10 minutter, hvilket gør opladning af elbiler sammenlignelig med optankningstiden for biler med forbrændingsmotor. Som det fremgår, har designere brug for en bred vifte af kompakte, effektive og miljømæssigt hårdføre komponenter til hurtige AC- og DC-opladere og fremtidige generationer af XFC-design.