Станции быстрой зарядки постоянного тока размещены как правило в общественных местах. Тогда как ЗУ переменного тока в основном используются в частных домах. Но теперь для первых появился эффективный вариант домашнего питания, эффективность которого повышена благодаря использованию современных полупроводниковых элементов.

Рост числа электромобилей тесно связан с инфраструктурой зарядных станций: чем больше таких машин на дорогах, тем больше должно быть точек питания. Кроме того, растущий сектор электромобильности стимулирует разработку новых и более мощных аккумуляторов, снижая их стоимость и позволяя создавать транспортные средства большей емкости и дальности действия.

Для разработки аккумуляторов с более высокой удельной мощностью необходима высокая зарядная мощность, особенно если в одной точке должно быть запитано большое количество транспортных средств. По этой причине готовятся новые концепции, правда растущее количество электромашин и зарядных станций ложится нагрузкой на энергосистему. Поэтому нужны идеи для обеспечения её стабильности, например интеллектуальные и сетевые зарядки подходят для предотвращения колебаний и помогают оптимизировать и централизованно управлять зарядкой автомобиля. Благодаря двунаправленному потоку электроэнергии в зарядном устройстве аккумулятор электромобиля также можно использовать в качестве буфера мощности для частных домов, промышленных зданий или даже всей энергосистемы.

Различные концепции зарядки

Около 60% всех пользователей электромобилей в Европе имеют собственные зарядные станции. Эти ЗУ обычно работают на переменном токе с выходной мощностью от 3,7 кВт до 11 кВт, в редких случаях до 22 кВт. И для полной зарядки аккумулятора требуется не менее нескольких часов. Но для использования этих станций электромобилю требуется встроенное бортовое зарядное устройство (OBC). Розетки переменного тока также используются на общественных парковках или в торговых центрах. Этот тип станций часто имеет выходную мощность до 22 кВт. Таким образом, время зарядки аккумулятора на 100 кВтч составляет примерно 5 часов, в зависимости от мощности встроенной системы OBC.

Если аккумулятор нуждается в немедленной подзарядке, устройства для быстрой зарядки — это то, что нужно. К сожалению, они не лишены недостатков. Они имеют высокие номинальные мощности, от 50 до даже 350 кВт, и используются в основном на общественных автостоянках и крупных станциях. В зависимости от размера встроенной батареи на зарядку электромобиля через точку быстрой зарядки уходит до часа. А в случае сверхбыстрых станций это время сокращается даже до 20 минут. В отличие от ЗУ переменного тока, точка питания постоянного тока имеет встроенный преобразователь, который преобразует переменный ток из сети в постоянный. Это позволяет подавать электричество непосредственно на аккумуляторы автомобиля. В настоящее время частные домохозяйства и небольшие компании также могут использовать стационарные зарядные станции, использующие постоянный ток. Вариант для собственного дома – это, например, Wallbox мощностью 22 кВт.

Wallbox DC можно легко установить в гараже и подключить, например, к солнечным аккумуляторам. Устройство генерирует постоянный ток, который можно перенаправить непосредственно на аккумулятор автомобиля с помощью преобразователя постоянного тока в постоянный. Кроме того, можно установить точку накопления энергии (ESS), позволяющую использовать избыточные ресурсы солнечной установки.

В сочетании с зарядной станцией, электрическими транспортными средствами, а также фотоэлементами, схема хранения создает автономную энергетическую подсистему, которая позволяет оптимизировать спрос на энергию и ее производство в домашних условиях.

ESS также идеально подходят для переработки старых аккумуляторов. Хотя они больше не подходят для хранения энергоресурсов в транспортном средстве, их емкость составляет менее 70%, но их можно использовать для менее требовательных целей, таких как домашние электрические центры. Эти так называемые «батареи второго контура» снабжают зарядную станцию гибким потоком электричества, который обеспечивает двусторонний обмен активной мощностью с энергосистемой. В результате электромобили можно использовать в качестве резервуаров энергии для управления нагрузкой, оптимизируя работу сети. В случае сбоя питания ресурсы, хранящиеся в аккумуляторах автомобиля, возвращаются и стабилизируют её.

Требования к домашним станциям

В какой-то степени поведение пользователей играет значительную роль в развитии концепции тарификации. Но в конечном счете от производителей комплексного оборудования зависит, будут ли электростанции постоянного тока общепринятыми в частных домах. Решающим фактором является OBC, который должен быть интегрирован с каждым транспортным средством для зарядки через точку переменного тока. Поскольку пространство и удельная мощность компонентов, используемых в авто, имеют технические ограничения, мощность зарядки бортового зарядного устройства ограничена. При питании от постоянного тока инвертор интегрируется не с электромобилем, а непосредственно в зарядную станцию, поэтому при сборке электромобиля можно сэкономить на деталях и стоимость производства транспортного средства естественно снижается. В то же время доступно больше места которое можно использовать для повышения эффективности транспорта.

Более высокая удельная мощность достигается подбором соответствующих топологий и компонентов. Благодаря соотношению цены и качества кремниевые транзисторы IGBT доминируют сегодня в секторе электромобильности. Стоимость полевых МОП-транзисторов может быть компенсирована за счет экономии на других компонентах. Потому что преобразователи на основе МОП-транзисторов из этого материала могут работать с более высокой частотой переключения, чем преобразователи на основе кремниевых IGBT.

Компоненты на основе карбида кремния могут работать при более высоких температурах окружающей среды и достигать очень высокой степени эффективности. Зарядные станции также могут быть оснащены MOSFET различных типологий.

Топологии зарядных станций

На самом деле точки питания состоят из элементов в разных топологиях. Схемы зарядки обычно состоят из двух каскадов преобразователя. Каскад AC/DC преобразует переменное напряжение из сети в постоянное напряжение. Затем оно адаптируется к напряжению батареи с помощью каскада DC/DC. Последний также регулирует зарядный ток и обеспечивает гальваническую развязку необходимую для безопасной работы.

Трехуровневая топология требует большего количества элементов, чем двухуровневая, и усложняет управление (особенно в двунаправленной конфигурации), что может привести к увеличению размера схемы. Однако трехуровневое решение обеспечивает снижение общих потерь при переключении и более сбалансированные характеристики в пределах электромагнитных помех.

С другой стороны, в двухуровневой топологии количество компонентов меньше, и габариты схемы могут быть значительно уменьшены. Благодаря использованию современной технологии SiC также можно добиться низких коммутационных потерь и, как следствие, высокого КПД. Таким образом, технология SiC идеально подходит для точек питания постоянного тока, даже если зарядное напряжение находится в диапазоне от 200 до 800 В.

Выбор топологии зависит от соответствующих требований к изоляции высокоскоростных электростанций. Если напряжение уже изолировано, нет необходимости использовать сложные схемы. В остальном электростанции постоянного тока обычно имеют топологию, аналогичную бортовым зарядным устройствам для электромобилей, хотя они имеют более широкое выходное напряжение и принудительное воздушное охлаждение. Эти изолированные линии связаны с большими финансовыми затратами, которые невыгодны для частных домов или общественных точек электроснабжения. По этой причине для обеспечения безопасности в процессе зарядки обычно используются станции с изолированной топологией.

Подведение итогов

В отличие от точек питания переменного тока, станции постоянного тока имеют более высокую удельную мощность и позволяют сократить время зарядки автомобильных аккумуляторов. Более того, технология постоянного тока создает больше места внутри электромобиля, поскольку мощность преобразователей находится непосредственно в точках зарядки. Станции Fast Power Supply (DC) особенно популярны в общественных местах, но есть и подходящие концепции для частных домов, такие как DC Wallbox. Это решение можно легко установить в любом гараже, включая подключение к домашней солнечной панели. Использование полупроводников из карбида кремния оптимизирует удельную мощность, размер и стоимость схемы.