О быстрой зарядке аккумуляторов электромобилей

Чтобы электромобиль стал по-настоящему распространенным, необходимы доступные средства быстрой зарядки его аккумулятора. В ассортименте Infineon уже сейчас имеется все необходимое для этого.

В настоящее время правительства разных стран прилагают серьезные усилия, направленные на сокращение выбросов углерода. Использование электрического транспорта помогает решить эту проблему, что приводит к постоянному росту интереса к электромобилям (Battery Electric Vehicles, BEV). Рынок электромобилей расширяется и предлагает все более богатый выбор моделей по все более привлекательным ценам. Тем не менее, ограниченная дальность передвижения такого транспорта по-прежнему вызывает опасения у потребителей. Ситуация усугубляется существующими проблемами подзарядки. Подзарядка припаркованного автомобиля в течение рабочего дня кажется идеальным решением, но отсутствие инфраструктуры приводит к тому, что многие владельцы электрокаров вынуждены выполнять зарядку аккумуляторов дома. Кроме того, потребители хотят, чтобы в длительных поездках, например, в путешествиях во время отпуска, зарядка занимала столько же времени, сколько занимает заправка обычных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Большинство электромобилей имеет возможность зарядки аккумуляторов в домашних условиях от бытовой однофазной сети переменного напряжения. Благодаря этому подзарядку удобно производить ночью. Существуют различные варианты подключения к сети: от простых кабелей, подключаемых к электрической розетке и кабелей со встроенными устройствами управления и защиты (IC-CPD) до сложных настенных зарядных устройств, снабженных комплексной защитой и обладающих расширенным функционалом, например, возможностью обмена данными с транспортным средством.

Непосредственная зарядка аккумуляторов производится от источника постоянного напряжения, причем преобразование из переменного напряжения в постоянное происходит в силовых блоках, встроенных в автомобиль. Этот подход подразумевает, что каждое транспортное средство должно иметь собственное зарядное устройство, которое разрабатывается с учетом требований по отводу тепла, КПД и весу, то есть по тем факторам, которые в конечном итоге ограничивают мощность зарядки и, следовательно, скорость ее выполнения. Очевидно, что следующим шагом в развитии отрасли станет разработка универсальных автономных зарядных устройств, размещаемых вне кузова автомобиля.

Зачем нужна быстрая зарядка аккумуляторов

Типовое зарядное устройство мощностью 22 кВт способно за 120 минут зарядить аккумулятор электромобиля до уровня, необходимого для выполнения пробега 200 км. Однако для сокращения времени зарядки до 16 минут (при той же дальности пробега 200 км) необходимо использовать зарядную станцию мощностью 150 кВт. При мощности 350 кВт время зарядки может быть уменьшено до 7 минут, что примерно соответствует времени, затрачиваемому для дозаправки обычного автомобиля с ДВС. Разумеется, все вышесказанное возможно только в том случае, если аккумулятор поддерживает такие скорости зарядки. К этому нужно прибавить, что пользователи ожидают, что процесс зарядки будет одинаковым вне зависимости от места заправки, точно так же, как стандартизован процесс заправки обычных автомобилей.

В Европе организация CharIN e.V. сосредоточила усилия на разработке и продвижении комбинированной системы зарядки (Combined Charging System, CCS). Стандарт, разработанный организацией, определяет тип зарядной вилки, последовательность зарядки и даже передачу данных. В других регионах, таких как Япония и Китай, есть аналогичные организации – CHAdeMO и GB/T соответственно. Собственная запатентованная система зарядки есть у компании Tesla.

Спецификация CharIN предусматривает возможность зарядки от источников как переменного, так и постоянного напряжения с помощью специализированных вилок и розеток. Спецификация также определяет максимальный постоянный выходной ток 500 А при напряжении 700 В DC, а также максимальное напряжение 920 В DC. КПД системы установлен на уровне 95%, хотя в будущем он будет увеличена до 98%. Следует отметить, что для зарядного устройства мощностью 150 кВт уровень потерь 1% соответствует 1,5 кВт. Таким образом, уменьшение потерь до минимально возможного значения является приоритетной задачей для быстрых зарядных устройств.

Архитектура быстрого зарядного устройства

Существуют два варианта реализации зарядных устройств. Первый подход подразумевает преобразование входного переменного трехфазного напряжения в регулируемое постоянное напряжение, которое, в свою очередь, преобразуется с помощью DC/DC-преобразователя. Точное значение выходного постоянного напряжения согласуется в ходе обмена данными с заряжаемым электромобилем. Альтернативный подход заключается в преобразовании входного переменного напряжения в постоянное напряжение фиксированного уровня, после чего второй DC/DC-преобразователь регулирует выходное напряжение в соответствии с потребностями аккумулятора транспортного средства (рисунок 1). Поскольку ни один из представленных подходов не имеет явных преимуществ или недостатков, то выбор оптимального решения становится достаточно сложной задачей. Столь мощные зарядные устройства не могут быть моноблочными, вместо этого требуемая выходная мощность набирается путем объединения нескольких зарядных модулей, каждый из которых имеет выходную мощность 15…60 кВт. Таким образом, основными задачами, решаемыми в процессе разработки, становятся упрощение системы охлаждения, обеспечение высокой удельной мощности и уменьшение общего размера системы. 

Рис. 1. Варианты организации зарядных устройств большой мощности

Проектирование начинается с разработки AC/DC-преобразователя. Корректор коэффициента мощности обычно строится на базе однонаправленного трехфазного трехуровневого выпрямителя с ШИМ-управлением, выполненного по схеме Вина (Vienna rectifier). Возможность использования активных компонентов с рейтингом напряжения 600 В помогает достичь оптимального соотношения стоимости и эффективности. Благодаря наличию высоковольтных SiC-устройств обычный двухуровневый AC/DC-каскад с ШИМ-управлением также становится популярным в диапазоне мощностей 50 кВт или даже выше. При использовании любого из предложенных вариантов построения AC/DC-каскада можно обеспечить управление выходным напряжением, синусоидальный входной ток с коэффициентом мощности выше 0,95, THD ниже 5% и КПД 97% или выше. В тех случаях, когда зарядное устройство может быть изолировано от сети с помощью трансформатора среднего напряжения, часто используют диодные или тиристорные выпрямители. Их популярность объясняется простотой и надежностью, а также высокой эффективностью.

В настоящее время DC/DC-преобразователи, как правило, строятся на базе резонансных топологий, которые оказываются предпочтительными из-за их высокой эффективности и наличия гальванической развязки. Резонансные топологии обеспечивают высокую плотность мощности и компактные габариты, а переключения при нулевых напряжениях (ZVS) гарантируют уменьшение динамических потерь и способствуют повышению общей эффективности системы. Мостовая топология со сдвигом фазы на базе силовых SiC-устройств является альтернативным вариантом при необходимости получения изолированного решения. Для изолированных архитектур наиболее предпочтительными становятся многофазные DC/DC-преобразователи. Среди их преимуществ можно отметить распределение нагрузки между фазами, снижение уровня пульсаций и уменьшение габаритов фильтра. Однако расплатой за перечисленные достоинства становится усложнение схемной реализации и увеличение числа используемых компонентов.

В диапазоне мощностей 15…30 кВт зарядные модули могут быть реализованы с помощью дискретных компонентов (рисунок 2). Для создания бюджетных трехфазных выпрямителей с ШИМ-управлением идеально подходит комбинация из IGBT TRENCHSTOP™ 5 и диодов Шоттки CoolSiC™. Некоторое повышение КПД может быть достигнуто, если вместо IGBT использовать МОП-транзисторы CoolMOS™ P7 SJ. Что касается DC/DC-преобразователя, то для получения хорошего КПД подойдут МОП-транзисторы семейства CoolMOS CF D7. Если же требуется максимальная эффективность, то следует воспользоваться МОП-транзисторами из семейства CoolSiC.

Рис. 2. Построение зарядных устройств на базе дискретных компонентов

 Если предполагается создание зарядного устройства с возможностью дальнейшей модификации или модернизации, а также при необходимости получения максимальной мощности, рекомендуется создавать зарядные блоки на базе силовых модулей. Обычно при работе с таким уровнем мощности предпочтительным становится жидкостное охлаждение, однако вариант с воздушным охлаждением также остается возможным. Трехфазный выпрямитель с ШИМ-управлением может быть построен с помощью модулей CoolSiC Easy 2B, работающих с частотой переключений до 40 кГц. Для построения DC/DC-преобразователей, как правило, используются трехфазные или многофазные понижающие регуляторы с рабочей частотой до нескольких сотен кГц. В данном случае для получения высокого КПД оптимальным выбором станет комбинация модулей CoolSiC Easy 1B и дискретных диодов CoolSiC.

Силовой модуль F3L15MR12WM1_B69 из семейства CoolSiC представляет собой трехфазный выпрямитель с ШИМ-управлением, выполненный в корпусном исполнении Easy 2B. Благодаря малому значению сопротивления открытого канала RDS(ON) 15 мОм модуль имеет высокую плотность мощности и компактные размеры, что упрощает построение зарядного устройства. Модуль поставляется в керамическом корпусе, заполненном гелем, и отличается малой паразитной емкостью, кроме того, потери на его переключения не зависят от температуры. Полумостовые топологии доступны как в корпусах Easy 2B, так и в корпусах Easy 1B меньшего размера. Для таких модулей сопротивление открытого канала RDS(ON) составляет всего 6 мОм (рисунок 3).

 Рис. 3. Построение зарядных устройств на базе силовых модулей

Контроль, связь и безопасность

Управление силовыми каскадами обычно осуществляется с помощью микроконтроллеров. Микроконтроллеры семейства XMC4000 имеют в своем составе аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с возможностью гибкой настройки, а также многофункциональные таймеры и периферийные модули, позволяющие организовать ШИМ-управление. Наличие CAN-контроллера гарантирует, что зарядные модули смогут общаться друг с другом и согласовывать свою работу при использовании различных типов аккумуляторов. Защита при оплате услуг, проверка подлинности обновлений программного обеспечения или аппаратных изменений может выполняться с помощью HSM-модуля (Hardware Security Module) семейства микроконтроллеров AURIX™. Это семейство часто используется в автомобильных приложениях, связанных с безопасностью.

Аутентификация отдельных модулей и защита от подделок может быть обеспечена с помощью специализированных чипов OPTIGA ™ Trust B. Для организации более надежной и целостной системы защиты следует использовать микроконтроллеры семейства OPTIGA TPM.

Заключение

Организация инфраструктуры быстрой зарядки аккумуляторов является важной частью стратегии по увеличению числа электромобилей. Без эффективных решений, обеспечивающих приемлемое время зарядки, электромобили неизбежно останутся привлекательными только для сторонников экологического транспорта и для потребителей, передвигающихся на незначительные расстояния. Подготовительные работы по определению параметров зарядных устройств и разъемов уже выполнены. Кроме того, имеются необходимые инновационные полупроводниковые решения. Эти решения включают как традиционные кремниевые силовые компоненты, так и карбид-кремниевые, которые обеспечивают высокую частоту переключений и большой КПД, при этом гарантируя высокую надежность зарядных устройств. Если учесть наличие современных микроконтроллеров и продуманных решений для проверки подлинности и безопасности, то становится очевидным, что модульные зарядные устройства способны выполнить существующие требования электротранспорта и обеспечить дальнейшее развитие отрасли.