Fiecare vehicul complet electric are unul și acesta determină adesea timpul de încărcare la priza de perete de curent alternativ: încărcătorul de la bordul vehiculului (OBC). Sunt necesare componente de înaltă performanță pentru ca acesta să fie compact, ușor, eficient și silențios.
Pentru BEV-uri (vehicule electrice alimentate cu baterii), un consum redus de putere (kWh/km) este esențial. Calculul acesteia include, adesea, nu numai puterea de la baterie, ci și puterea necesară de la priza de curent alternativ pentru încărcarea bateriei. Prin urmare, pierderile de încărcare în OBC afectează direct această valoare. Pentru a asigura un BEV cu consum redus de putere, este esențial să aveți la bordul vehiculului cel mai eficient încărcător posibil.
Schema bloc (din figura 1) prezintă un încărcător de la bordul vehiculului bidirecțional, trifazat. Pe lângă încărcarea bateriei, încărcătoarele bidirecționale permit, de asemenea, fluxul invers de energie de la bateria vehiculului la rețea. Astfel, BEV-urile pot contribui la echilibrarea rețelei în perioadele de vârf de sarcină. O altă opțiune este utilizarea vehiculului ca generator de energie electrică în regim izolat, o metodă pe care Sono Motors o urmărește pentru Sion, de exemplu.
Figura 1: Schema bloc simplificată a unui încărcător bidirecțional
În acest caz, se recomandă un OBC cu patru blocuri principale.
Blocul 1: Filtru și PFC
Blocul 1 conține filtrul pentru suprimarea interferențelor electromagnetice (filtru EMI). În ceea ce privește impactul asupra rețelei, OBC trebuie să respecte standardul IEC 61851-21-1 (Cerințe EMC pentru încărcătorul de la bordul vehiculului electric pentru conectarea la alimentarea AC/DC). (Tabelul 1 – Opțiuni de capacitoare de suprimare a interferențelor (Y, X) calificate în conformitate cu DIN IEC 60384-14 și AEC-Q200)
Tabelul 1
Împreună cu tranzistoarele invertorului de rețea, inductoarele fac parte, de asemenea, din corecția factorului de putere (PFC).
Blocul 2: Invertor de rețea
Blocul 2 cuprinde invertorul de rețea. În funcție de direcția fluxului de energie, acesta funcționează ca redresor sau invertor. Prin modularea în lățime a impulsurilor (PWM) a intrării tranzistoarelor, se asigură în același timp o corecție ridicată a factorului de putere (PFC) în interacțiune cu inductoarele din liniile de fază.
Tabelul 2
Practic, tendința este de a se ajunge la frecvențe de comutare mai mari (frecvența purtătoare a PWM). Cu cât frecvența de comutare este mai mare,
- cu atât mai mici pot fi componentele pasive,
- cu atât vehiculul este mai silențios (oricine a trecut pe lângă un StreetScooter în modul inactiv sau un încărcător activ de mare putere din prima generație știe la ce ne referim),
- cu atât mai mare este densitatea de putere a sistemului în ansamblu,
- și, din păcate, cu atât mai mari sunt pierderile de comutare.
Frecvențele de comutare ridicate sunt permise de semiconductorii cu bandă interzisă largă, adică diode și MOSFET-uri realizate din carbură de siliciu (SiC) sau nitrură de galiu (GaN). MOSFET-urile din carbură de siliciu (SiC) calificate pentru automobile sunt oferite de Rohm și Infineon, de exemplu (Tabelul 2 – MOSFET-uri de putere).
Acestea sunt disponibile cu RDSon din ce în ce mai mică și cu un raport tot mai mic între capacitanța poartă-drenă și capacitanța poartă-sursă. Valorile mici ale RDSon contracarează pierderile de conductivitate, în timp ce capacitanțele parazite mici din MOSFET aduc beneficii în ceea ce privește pierderile de comutare și comportamentul de comutare. Posibila eliminare a tensiunilor negative de poartă simplifică proiectarea circuitelor pentru driverul de poartă și este ușor de controlat din punct de vedere al bugetului.
Rohm sprijină cea mai recentă generație de MOSFET-uri SiC cu o placă de evaluare în jumătate de punte (de exemplu, P04SCT4018KE-EVK-001), care poate fi configurată flexibil pentru diferite tensiuni de poartă.
Tabelul 3
MOSFET-urile SiC necesită drivere de poartă adecvate cu izolare galvanică între potențialul de comutare și cel de control. Acestea furnizează tensiunile și curenții de poartă necesari pentru a porni sau opri MOSFET-ul în condiții de fiabilitate. Unele modele dispun, de asemenea, de funcții suplimentare, de exemplu, monitorizarea supracurentului sau a desaturării (DESAT) cu feedback de diagnosticare la sistemul electronic de control (Tabelul 3).
Tabelul 4
Invertorul de rețea alimentează linia de curent continuu pe partea de rețea. Există, de asemenea, o linie de curent continuu pe partea bateriei și anume cea a invertorului de tracțiune. Tensiunile din ambele linii de curent continuu sunt netezite și compensate cu capacitoare. Curenții de riplu provocați de invertorul de rețea și de convertorul DC/DC trec prin aceste capacitoare aferente liniei de curent continuu. Criteriile de selecție importante pentru pierderi reduse de putere și generare de căldură sunt, prin urmare, ESR (rezistența echivalentă în serie) scăzută în domeniul frecvenței de comutare și ESL (inductanța echivalentă în serie) scăzută. Capacitoarele cu film îndeplinesc aceste condiții. Alternativ, sunt disponibile noi capacitoare ceramice cu un dielectric special de la TDK Epcos (CeraLink). Spre deosebire de capacitoarele ceramice convenționale, capacitanța lor nu este redusă de o încărcare intensă la tensiune continuă (DC bias), ci crește până la nivelul tensiunii nominale (Tabelul 4).
Blocul 3: Convertor DC/DC
Blocul 3 constă din convertorul DC/DC în topologie CLLC. Acesta este alcătuit dintr-o jumătate de punte, un transformator de impulsuri cuplat la curent alternativ și un redresor sincron (jumătate de punte) pe partea bateriei.
Tabelul 5
Convertorul DC/DC ajustează nivelurile de tensiune ale liniei de curent continuu de pe partea rețelei și ale bateriei, transferând energia de pe partea primară pe partea secundară (încărcare) sau invers (generator / operare izolată sau alimentare în rețea). De asemenea, transformatorul de impulsuri izolează galvanic sistemul electric de rețeaua publică. Împreună cu capacitoarele circuitelor rezonante serie, transformatorul de impulsuri are un impact semnificativ asupra eficienței și pierderilor de putere ale convertorului, deoarece întreaga putere transmisă trece prin ambele componente. Un criteriu important de selecție pentru capacitoarele rezonante este, prin urmare, factorul lor de pierdere tan δ. Cu cât factorul de pierdere este mai mic, cu atât mai mică este pierderea de putere a capacitorului și cu atât mai bună este eficiența. Împreună cu capacitanța necesară pentru frecvența de rezonanță, aceste condiții conduc de obicei la alegerea capacitoarelor cu film (Tabelul 5).
Asemenea capacitorului rezonant, transformatorul de impulsuri este, de asemenea, o componentă de înaltă performanță. Pentru a obține un randament ridicat, acesta trebuie, de asemenea, să genereze cât mai puțină căldură posibil, adică să ofere pierderi reduse de putere. Pierderea de putere este compusă din pierderile în miez și în cupru. În timp ce pierderile prin curenți turbionari și pierderile prin remagnetizare contribuie la pierderile în miez, pierderile în cupru sunt determinate de rezistența ohmică a înfășurării conform P = I²R. Din cauza efectului pelicular (skin effect), rezistența depinde de frecvență și crește odată cu creșterea frecvenței.
Materialul miezului transformatorului de impulsuri ar trebui să fie caracterizat de o intensitate mare a câmpului de saturație și de o remanență scăzută, cu o permeabilitate ridicată. Cu cât este mai mare permeabilitatea materialului miezului, cu atât mai puține înfășurări sunt necesare pentru o bobină pentru a obține o inductanță dată. Firele mai scurte ale bobinei, care au o rezistență mai mică, sunt suficiente pentru o bobină cu mai puține înfășurări. O intensitate ridicată a câmpului de saturație permite ca materialul miezului să fie proiectat într-o manieră foarte controlată. Astfel, o mare parte din putere poate fi transferată per interval. Rezistența electrică ridicată a miezului contracarează pierderile prin curenții turbionari. Proiectarea sa asigură la modul ideal inductanțe de scurgere definite pe partea primară și secundară. Împreună cu capacitorul rezonant, inductanța de scurgere formează circuitul rezonant. Alternativ, se poate utiliza, de asemenea, un miez cu pierderi reduse. În acest caz, însă, sunt necesare inductanțe rezonante separate.
Înfășurarea cea mai densă posibilă, o secțiune transversală dreptunghiulară a conductorului sau o bandă au ca rezultat o lungime scurtă a conductorului și un grad ridicat de umplere a formei bobinei.
Un transformator de impulsuri cu o construcție compactă este avantajos pentru montarea automată a plăcilor cu circuite imprimate. Rutronik își ajută clienții să-și găsească transformatorul de impulsuri care se potrivește cel mai bine proiectului lor. Uneori, este necesar un design personalizat. Furnizorii TDK, Vishay și Pulse sunt la îndemână, ca parteneri de dezvoltare pentru astfel de transformatoare de impulsuri.
Blocul 4: Electronica de control
Tabelul 6
Blocul 4 reprezintă electronica de control. Pe baza valorilor măsurate, un microcontroler generează semnalele de control pentru semiconductorii de putere din invertor, convertorul DC/DC și redresorul sincron. În funcție de cerințele de siguranță funcțională, derivatele din seria Traveo T2G de la Infineon (până la ASIL B) sau din seria Aurix A2G (până la ASIL D) sunt adecvate (Tabelul 6).
Tabelul 7
Pe traseul lor de la partea de înaltă tensiune la partea de control de joasă tensiune, nepericuloasă, semnalele trebuie să fie izolate galvanic. Componentele pentru izolarea galvanică a semnalelor sunt, de exemplu, optocuploarele de la Vishay sau Toshiba. VOA300 de la Vishay este un optocuplor pentru transmiterea de semnale analogice și varianta pentru automobile a binecunoscutului IL300. Acesta include un LED pentru emisie și o pereche de fotodiode PIN potrivite pentru recepție. Dacă una dintre fotodiodele PIN de recepție este inclusă într-un circuit de reacție negativă pe partea de control, se obține o bună liniaritate a caracteristicii de transfer de curent între LED-ul de transmisie și cea de-a doua fotodiodă PIN de recepție (Tabelul 7).
Conectori HV
Tabelul 8
În acest sens, trebuie menționați conectorii HV de la Amphenol (Tabelul 8). Aceștia asigură compatibilitatea cu cutia de interfață pentru vehicule de la Webasto, care este utilizată de numeroși producători de echipamente originale și specialiști în conversie.
Plăci de evaluare
Ca și în cazul proiectării unui switch HV bidirecțional pentru 800V/50A, Rutronik Automotive colaborează cu partenerii săi la un proiect de referință pentru un OBC. Construcția comutatorului HV combină funcțiile unei siguranțe convenționale cu cele ale unui comutator. MOSFET-urile SiC de ultimă generație de 1.200 V asigură pierderi de conductivitate și de putere reduse, ceea ce face ca răcirea pasivă să fie suficientă. Până la finalizarea noului proiect de referință al Rutronik pentru OBC, REF-DAB11KIZSICSYS de la Infineon exemplifică implementarea unui convertor DC/DC bidirecțional de 11 kW în topologie CLLC cu MOSFET-uri CoolSiC de 1.200V și 1.700V.
Rezumat
Dezvoltarea pe termen lung a unui OCB este destul de interesantă: Migrează acesta în cablul de încărcare ca un fel de sursă de alimentare plug-in datorită componentelor moderne cu densitate de putere ridicată? Va fi doar o opțiune de echipament în viitor, datorită dezvoltării și răspândirii infrastructurii de încărcare? Deoarece în timpul călătoriei este doar un balast inutil. Și totuși, atât timp cât este necesar, ar trebui să fie cât mai eficient posibil.
Autor: Ralf Hickl, Product Sales Manager Automotive Business Unit (ABU)
Rutronik | https://www.rutronik.com
