Чтобы иметь возможность заряжать свой автомобиль дома, в большинстве транспортных средств есть зарядное устройство, которое работает с обычной однофазной домашней сетью переменного тока 220V. Его емкость позволяет заряжать аккумулятор примерно в течение ночи. В расширенной версии зарядные устройства обеспечивают связь с автомобилем и имеют встроенную защиту от перенапряжения и перегрузки по току. Конечно сама батарея требует зарядки постоянным током, при этом преобразование переменного тока в постоянный происходит в зарядной электронике, встроенной в автомобиль. Из-за необходимости обеспечения её охлаждения, высокой эффективности и малого веса, зарядная мощность, а значит и скорость перезарядки, никогда не бывают высокими. Очевидным шагом вперед является разработка универсальных внешних зарядных устройств постоянного тока.

Быстрая зарядка постоянным током

Типичное быстрое зарядное устройство мощностью 22 кВт обеспечивает примерно 200 км пробега автомобиля за 120 минут зарядки, чего достаточно для заряда аккумулятора дома или на работе. Но чтобы сократить время зарядки минут до 15-ти, необходимо использовать зарядную станцию постоянного тока мощностью 150 кВт. С другой стороны, при мощности зарядного устройства 350 кВт время зарядки для данного диапазона может быть сокращено примерно до 7 минут, что уже аналогично скорости заправки автомобиля внутреннего сгорания газом или бензином.

Европейская торговая организация CharIN eV занимается разработкой и продвижением комбинированной схемы зарядки (CCS). Разработанная спецификация определяет коннектор, протокол и даже формат передачи данных между автомобилем и зарядным устройством. Подобные подразделения существуют в Японии и Китае, например CHAdeMO и GB/T. Да и у Tesla есть собственная запатентованная схема зарядки авто.

Спецификации разработанные CharIN определяют поддержку зарядки как переменным, так и постоянным током через соответствующую вилку и гнездо. Для них установлен максимальный постоянный выходной ток 500 А при 700 В постоянного тока, с возможностью последующего увеличения напряжения в последующих версиях до 920 В. Минимальный КПД был установлен на уровне 95%, а в дальнейшем 98%. Следует отметить что 1% КПД зарядного устройства мощностью 150 кВт соответствует 1,5 кВт тепловых потерь. Поэтому сокращение потерь преобразования до абсолютного минимума является главным приоритетом.

Быстрые зарядные устройства

Конструкция зарядного устройства постоянного тока высокой мощности обычно следует одному из двух основных подходов. На первом этапе трехфазное переменное напряжение сети преобразуется в постоянное напряжение переменного (регулируемого) значения, которое затем подается на преобразователь постоянного тока в постоянный (нерегулируемый). Точное значение напряжения постоянного тока определяется после установления связи с заряжаемым транспортным средством. Альтернативный подход основан на преобразовании сетевого переменного тока в стабилизированное постоянное напряжение с величиной, адаптированной к потребностям батареи.

Поскольку ни одна концепция не имеет явных технических преимуществ или недостатков, выбор подхода определяется другими деталями. Известно, что в решениях с такой высокой мощностью используется не один преобразователь, а группа параллельно работающих зарядных устройств, каждое из которых обеспечивает мощность от 15 до 60 кВт. Ключом к их конструкции является обеспечение эффективного охлаждения, высокой удельной мощности и уменьшение общего размера схемы.

Борьба за высокую эффективность (КПД) зарядки начинается с самого начала, на этапе преобразования переменного тока в постоянный. Требуемая коррекция коэффициента мощности осуществляется схемой в топологии выпрямителя, которая позволяет использовать кремниевые транзисторы на 600 В, обеспечивающие хороший баланс между стоимостью и производительностью. Наряду с повышением доступности высоковольтных SiC чипов появится возможность строить преобразователи AC/DC мощностью более 50 кВт на один модуль.

При обоих подходах может быть достигнуто регулируемое выходное напряжение постоянного тока, может быть обеспечен синусоидальный входной ток, поэтому коэффициент мощности выше 0,95 и эффективность преобразования 97% или выше. Тем не менее там, где гальваническая развязка от сети возможна с силовым трансформатором среднего напряжения, топологии тиристорных выпрямителей становятся популярными из-за их простоты и надежности, а также более высокой эффективности.

На этапе преобразования DC/DC предпочтение отдается резонансным топологиям источников питания из-за их высокого КПД и возможности обеспечения гальванической развязки. Переключение при нулевом напряжении (ZVS) снижает коммутационные потери и способствует общему повышению эффективности схемы зарядки. Популярны также полномостовые топологии с фазовращателем и SiC-транзисторами или многофазными понижающими преобразователями. Их преимущество заключается в том, что снижаются пульсации и размер необходимого выходного фильтра. Конечно это происходит за счет большего количества компонентов и сложности.

В диапазоне выходной мощности от 15 до 30 кВт преобразователи реализованы с использованием дискретных элементов. Входная коррекция коэффициента мощности с использованием IGBT семейства Trenchstop-5 с диодами Шоттки CoolSiC является хорошей комбинацией и экономией средств. Еще большее улучшение характеристик достигается заменой IGBT транзисторами MOSFET CoolMOS P7 SJ. В случае DC/DC преобразователя резонансный преобразователь с использованием MOSFET транзисторов CoolMOS CFD7 достигает приличной производительности, но когда эффективность является приоритетом, стоит использовать CoolSiC.

В случае зарядных устройств мощностью от 15 до 22 кВт популярно использовать преобразователь, охлаждаемый бесшумным вентилятором (ниже 60 дБА), взаимодействующий с соответствующим воздуховодом и пылевым фильтром. Однако при наружной установке пыль и высокая влажность создают большие проблемы с эффективным охлаждением и надежностью. Кроме того, в связи с необходимостью использования кабеля, соединяющего зарядное устройство с транспортным средством с жидкостным охлаждением, в зарядных устройствах мощностью более 120 кВт, решения зарядных устройств со всей электроникой, охлаждаемой жидкостью (смесью воды и гликоля) становятся популярными. Также были разработаны специальные диэлектрические хладагенты, которые успешно используются в мощных зарядках. Они позволяют заливать всю электронную схему так же, как трансформаторы заливают маслом.

Важной частью мощных зарядных устройств является входной выпрямитель, обеспечивающий высокое значение коэффициента мощности, а значит синусоидальную форму потребляемого тока и низкие гармонические искажения (THDi 5%). В этой области используются различные 2-х или 3-х ступенчатые схемы преобразования и компоненты из кремния или карбида кремния в зависимости от стоимости, эффективности и удельной мощности.

В случае двунаправленных преобразователей, используемых в гибридных схемах, одной из наиболее часто используемых топологий является 2L-VSC (2-х уровневый преобразователь источника напряжения). Он состоит из шести переключателей из карбида кремния (IGBT или MOSFET), генерирующих выходное напряжение выше входного. Управление основано на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или векторной модуляции SVM, обеспечивающей синусоидальные формы сигналов. Это можно реализовать с помощью модуля с MOSFET 1200 В CoolSiC FS45MR12W1M1_B11 мощностью от 6,6 кВт до 11 кВт. Для блоков большей мощности, то есть свыше 22 кВт, предлагается широкий ассортимент полумостовых модулей на транзисторах с прямым сопротивлением 2 мОм (FF2MR12KM1), 6 мОм (FF6MR12W2M1P_B11) и 45 мОм (FF45MR12W1M1_B11).

Трехфазный выпрямитель становится хорошим выбором, когда двунаправленное преобразование энергии не требуется, но упор делается на мягкие условия эксплуатации полупроводников и низкий уровень электромагнитных помех. Это может быть реализовано с использованием модулей SiC, таких как F3L15MR12W2M1_B69. Каждый из них включает в себя два медленных выпрямительных диода на 1600 В, два быстрых диода на 1200 В для реализации трехуровневой характеристики выпрямления этого решения, и два полевых МОП-транзистора SiC 15 мОм на 1200 В. Это идеальный компонент для создания компактного, сильноточного блока с малыми потерями.

Управление, связь и безопасность

Силовые полупроводники обычно управляются с помощью гальванически изолированных драйвера, например из семейства EiceDRIVER. Они отлично работают с IGBT Trenchstop-5, MOSFET CoolMOS P7 SJ или CoolSiC. Микроконтроллер обычно отвечает за управление силовым каскадом. Образец XMC4000 имеет встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), таймеры и выходы ШИМ для упрощения контуров управления. Наличие интерфейса CAN обеспечивает связь между отдельными блоками питания, включая распределение мощности и работу с различными типами аккумуляторов. Наличие связи также необходимо для финансового расчета услуг по зарядке и обновлению программного обеспечения. Для обеспечения безопасности этих процессов и возможности мониторинга сервисных работ и модернизации оборудования.

Аутентификация отдельных блоков входящих в систему может быть обеспечена за счет использования защищенных микросхем типа OPTIGA Trust B или за счет использования еще более совершенной платформы OPTIGA TPM (trusted platform module).

С ростом числа электромобилей и фотоэлектрических установок возрастает спрос на преобразовательные решения, которые могут снизить пиковое потребление энергии за счет перенаправления излишков на батареи и возврата накопленной энергии, когда потребность в ней наиболее высока.

Такие возможности дают только двунаправленные силовые каскады – позволяющие заряжать аккумулятор от сети или питать его энергией от ячеек без коммутации цепей. Новые полупроводники SiC и GaN идеально подходят для таких устройств. Они имеют низкие потери как при проводимости, так и при коммутации, что имеет решающее значение для эффективного и быстрого обмена энергией.

Примером может служить двунаправленный DC/DC преобразователь REF-DAB11KIZSICSYS. Он способен выдавать до 11 кВт мощности при выходном напряжении от 550 В до 800 В. В ближайшее время появятся эталонные комплекты для настенных зарядных устройств постоянного тока на 22 кВт и преобразовательные модули на 50 кВт для создания мощных зарядных устройств.