Vehiculele electrice (EV) câștigă tot mai multă popularitate, indiferent de forma lor (hibridă, pur electrică etc.), în ciuda anxietății care persistă în ceea ce privește autonomia. Producătorii de automobile se străduiesc în continuare pentru a extinde autonomia și a reduce timpul de încărcare cu scopul de a depăși dificultățile care împiedică creșterea gradului de adoptare. Modul în care sunt încărcate vehiculele electrice are un impact semnificativ asupra utilizării și confortului vehiculului. Având în vedere că există un număr limitat de stații de încărcare de mare putere, o parte considerabilă a proprietarilor de vehicule electrice continuă să se bazeze pe încărcătoarele de la bord (OBC – Onboard Chargers) pentru a-și încărca vehiculele. Pentru a îmbunătăți performanța OBC-urilor, producătorii de automobile se orientează către noi tehnologii, cum ar fi carbura de siliciu (SiC). Articolul analizează importanța OBC-urilor și felul în care progresul în domeniul switch-urilor semiconductoare va duce performanța acestora la un nivel superior.
În prezent, există pe piață o gamă largă de sisteme de propulsie a vehiculelor, de la vehicule propulsate exclusiv de un motor cu ardere internă (ICE – Internal Combustion Engine), la modele hibride care utilizează o combinație de ICE și energie electrică (xHEV) și vehicule electrice (xEV). Vehiculele xHEV se împart în două tipuri diferite: vehicule electrice hibride ușoare (MHEV – Mild Hybrid Electric Vehicles) și vehicule electrice hibride complete (FHEV – Full Hybrid Electric Vehicles).
MHEV-urile se bazează, în principal, pe un motor cu ardere internă, încorporând în același timp o baterie mică (de obicei de 48V). Totuși, acestea nu pot funcționa numai cu energie electrică, iar motorul electric contribuie la o reducere modestă a consumului de combustibil.
Vehiculele FHEV oferă o flexibilitate sporită, deoarece pot combina fără probleme motorul de combustie internă și motorul electric, care este alimentat de o baterie (operând, de obicei, în intervalul 100-300 V). FHEV-urile își reîncarcă, de asemenea, bateriile prin frânare regenerativă, acumulând energie în timpul frânării pentru a îmbunătăți eficiența.
Figura 1: În prezent, sunt utilizate mai multe tipuri de vehicule electrice, cum ar fi MHEV, FHEV, PHEV și BEV. (Sursa: onsemi)
Toate xEV-urile, inclusiv vehiculele hibride plug-in și vehiculele electrice cu baterii pure (BEV – Battery Electric Vehicles), sunt echipate cu sisteme de frânare regenerativă. Însă, având în vedere capacitățile mai mari ale bateriilor, aceste vehicule se bazează în mare măsură pe OBC-uri pentru a-și reîncărca bateriile.
Cea mai elementară formă de încărcător este un simplu cablu de conectare a OBC-ului vehiculului electric (EV) la o priză de perete (de obicei, este necesară o protecție la împământare). Deși convenabile, aceste sisteme de Nivel 1 (Level 1), în mare parte rezidențiale (sau SAE AC Level 1, așa cum este definit în standardul J1772), funcționează la o putere de aproximativ 1,2 kW și adaugă până la 8 km de autonomie pentru fiecare oră de încărcare 1). Sistemele de Nivel 2 (Level 2) (sau SAE AC Level 2) utilizează, de regulă, o alimentare multifazată de la rețea și sunt cel mai des întâlnite în clădirile publice și în instalațiile comerciale. Cu niveluri de putere de până la 22 kW, se pot adăuga până la 145 km de autonomie pentru fiecare oră de încărcare.
1) Estimările privind autonomia adăugată pe oră de încărcare presupun un consum de energie al vehiculului de 0,21 kWh/milă sau 13 kWh/100 km.
Atât încărcătoarele de Nivel 1 (Level 1), cât și cele de Nivel 2 (Level 2) livrează curent alternativ către vehiculul electric, astfel încât un OBC este esențial pentru a converti intrarea de curent alternativ în curent continuu pentru a încărca bateria. Majoritatea încărcătoarelor utilizate în prezent sunt de Nivel 2 (Level 2).
Încărcătoarele de curent continuu de mare putere, cunoscute, alternativ, sub numele de încărcătoare de curent continuu Nivel 3 (Level 3), SAE Level 1 și 2, sau încărcătoare IEC Mode 4, furnizează o tensiune de curent continuu și pot încărca bateria direct, eliminând necesitatea unui OBC. Nivelurile de putere ale acestor încărcătoare de curent continuu variază de la 50 kW la peste 350 kW, permițând o încărcare de până la 80% din capacitatea bateriei în aproximativ 15-20 de minute. Având în vedere nivelurile ridicate de putere și modificările de infrastructură necesare în rețeaua electrică, numărul de prize pentru încărcătoarele rapide este încă relativ limitat, deși este într-o creștere continuă.
Mulți producători de automobile fac, în prezent, tranziția de la baterii de 400V la baterii de 800V. Această trecere are ca scop creșterea autonomiei vehiculelor electrice prin îmbunătățirea eficienței sistemului, creșterea performanțelor, permiterea unor viteze de încărcare mai rapide și reducerea greutății cablurilor și a bateriilor.
Anatomia unui OBC
În general, un OBC este un convertor de putere în două etaje, cu un etaj de corecție a factorului de putere (PFC) urmat de etaj de convertor DC-DC izolat. Este demn de remarcat că ar putea fi posibilă o configurație neizolată, dar este rareori utilizată. Etajul PFC redresează alimentarea AC, gestionează factorul de putere la >0,9 și generează o tensiune stabilizată pentru etajul DC-DC.
În ultimii ani, a existat o creștere semnificativă a cererii de sisteme bidirecționale. Aceste sisteme permit vehiculelor electrice să inverseze fluxul de energie de la baterie înapoi la sursă, sprijinind diverse scopuri, cum ar fi echilibrarea dinamică a sarcinii rețelei (V2G: vehicle-to-grid) sau gestionarea întreruperilor de rețea (V2L: vehicle-to-load).
Abordarea PFC tradițională presupune utilizarea unei punți de diode redresoare împreună cu un convertor ridicător. Puntea redresoare convertește tensiunea de curent alternativ (AC) în tensiune de curent continuu (DC), în timp ce convertorul ridicător crește nivelul de tensiune. O versiune îmbunătățită a acestui circuit de bază este topologia de amplificare intercalată, în care mai multe etaje ale convertorului sunt conectate în paralel pentru a reduce curentul de riplu și a îmbunătăți eficiența. Aceste topologii PFC utilizează, de obicei, tehnologii de siliciu, cum ar fi MOSFET-urile cu superjoncțiune și diode cu Vf scăzut.
Apariția switch-urilor de putere cu bandă interzisă largă (WBG – Wide Bandgap), în special dispozitivele SiC, a permis dezvoltarea unor noi abordări de proiectare datorită avantajelor lor privind pierderile de comutație mai mici, valoarea RDS(on) mai mică și o diodă parazită (body diode) cu recuperare inversă redusă.
Figura 2: Topologia totem-pole fără punte (Sursa: onsemi)
Topologia totem-pole fără punte a câștigat popularitate în aplicațiile PFC de putere medie și mare, de obicei de 6,6 kW și peste. Figura 2 ilustrează această topologie, cu o ramificație lentă (Q5-Q6) care comută la frecvența de rețea (50-60 Hz) și o ramificație rapidă (Q1-Q4) care modelează curentul, mărește tensiunea și operează la o frecvență mai mare (de obicei, 65-110 kHz) în modul de comutație dură. În timp ce topologia totem-pole fără punte îmbunătățește semnificativ eficiența și reduce numărul de componente de putere, aceasta introduce complexitate în ceea ce privește controlul.
Figura 3: Un DC-DC bidirecțional permite returnarea energiei în rețea în cazul unor vârfuri de consum. (Sursa: onsemi)
Etajul DC-DC utilizează, de obicei, o topologie izolată, folosind un transformator pentru izolare, cu obiectivul principal de a regla tensiunea de ieșire în funcție de starea de încărcare a bateriei. Deși ar putea fi utilizate topologii în jumătate de punte, soluțiile predominante, în prezent, se bazează în principal pe convertoare cu două punți active (DAB – Dual Active Bridge), cum ar fi convertoare rezonante (de exemplu, LLC, CLLC) sau convertoare cu punte întreagă cu deplasare de fază (PSFB – Phase Shifted Full Bridge). Convertoarele rezonante, în special LLC și CLLC, au câștigat recent o atenție sporită datorită numeroaselor avantaje pe care le prezintă, inclusiv un domeniu larg de operare cu comutație soft, posibilitatea de operare bidirecțională și ușurința de a integra inductorul rezonant și transformatorul într-un singur transformator de putere.
Dispozitive SiC în aplicații OBC
Dispozitivele SiC 650V sunt, în general, alegerea preferată pentru pachetele de baterii de 400V. Cu toate acestea, pentru arhitecturile de 800V, cerințele de tensiune mai ridicate impun utilizarea unor dispozitive cu o tensiune nominală de 1200V.
Adoptarea SiC-urilor în domeniul OBC poate fi atribuită performanțelor sale excepționale în cadrul diferitelor cifre de merit (FOM). SiC prezintă avantaje în ceea ce privește valoarea RDS(on) specifică per suprafață, pierderile de comutație, dioda de recuperare inversă și tensiunea de rupere. Aceste avantaje permit soluțiilor bazate pe dispozitivele SiC să opereze fiabil, la temperaturi mai ridicate. Prin valorificarea acestor caracteristici superioare de performanță, se pot realiza proiecte mai eficiente și mai ușoare. În consecință, sistemele pot atinge niveluri de putere mai ridicate (până la 22 kW), imposibil de atins utilizând soluții tradiționale bazate pe siliciu (IGBT sau superjoncțiune).
Deși un OBC de putere mai mare într-un VE poate să nu aibă un impact direct asupra autonomiei vehiculului, acesta joacă un rol esențial în abordarea problemei anxietății legate de autonomie prin reducerea semnificativă a timpilor de încărcare. Nivelul de putere al OBC-urilor este în creștere, în vederea realizării unei încărcări mai rapide. Tehnologia SiC joacă un rol vital în eficientizarea acestor sisteme, asigurând o conversie eficientă a energiei din rețea, fără pierderi. Ca urmare, pot fi proiectate sisteme OBC mai compacte, mai ușoare și mai fiabile.
Autor: Kevin Keller, Product Line Manager
onsemi
