Návrh účinných a flexibilních nabíječek elektromobilů vyžaduje řadu kompaktních, vysokonapěťových součástek, které musí vykazovat dlouhou životnost, i když jsou vystaveny nejen vysokým proudům a napětím, ale také náročnému provoznímu prostředí. Některé bezpečnostní komponenty jako je nouzový vypínač musí mít certifikaci IP67. Jiné komponenty, které jsou skryty uvnitř jako jsou například filtry elektromagnetického rušení (EMI), svorkovnice či stykače, musí splňovat specifické mezinárodní certifikace. 

Tento článek poskytuje přehled návrhů AC a DC EV nabíječek a některých souvisejících regionálních norem. Dotkne se také tématu extrémně rychlého nabíjení XFC (extreme fast charging). V článku najdeme typy stykačů, relé, konektorů, výkonových rezistorů, spínačů, filtrů EMI a propojovacích systémů od TE Connectivity, které lze použít v nabíjecích systémech.

Regionální standardy

Každý region specifikuje své vlastní standardy pro AC a DC EV nabíjení. V Severní Americe (NA) SAE J1772 popisuje tři úrovně nabíjení EV, zatímco IEC 61851, která se používá v Evropě popisuje čtyři režimy nabíjení. V Číně je to standard GB/T 20234 pro AC i DC nabíjení, zatímco v Japonsku existuje standard Japan Automobile Research Institute (JARI) pro AC nabíjení a CHAdeMO pro DC nabíjení. Střídavé nabíjení se obvykle používá do výkonu 22 kW, kdežto nabíjení stejnosměrným proudem tuto hranici překračuje. Střídavé nabíjení navíc vyžaduje zabudovanou nabíječku (OBC - onboard charger) přímo ve vozidle, zatímco stejnosměrné nabíječky se připojují přímo k baterii (obrázek 1).

Obrázek 1: AC nabíjení využívá nabíječku OBC přímo v autě, zatímco DC nabíjení dodává energii přímo do baterie. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

V Severní Americe se používají dvě úrovně AC nabíjení a jedna úroveň DC nabíjení. Do úrovně 1 AC nabíjení spadají nástěnné nabíječky do 1,9 kW, zatímco do úrovně 2 jsou zařazeny nabíjecí stanice do hodnoty výkonu 19,2 kW. Nabíječky úrovně 1 se primárně používají v rezidencích, zatímco nabíječky úrovně 2 se nacházejí v obytných a komerčních budovách. Evropa má tři režimy AC nabíjení a jeden režim DC nabíjení. AC Režim 1 je jako úroveň 1 v Severní Americe a Režim 3 je jako úroveň 2.

Evropa má ale tzv. přechodný typ Režim 2, který používá nástěnnou nabíječku jako Režim 1, ale přidává ochranné obvody k propojovacímu kabelu, a to umožňuje poskytovat dvojnásobný výkon tedy 3,8 kW.

Rychlé nabíjení začíná být nedostatečné

Rychlé AC nabíječky, jako je Úroveň 2 v Severní Americe a Režim 3 v Evropě, jsou sice rychlejší než pomalejší nabíječky v nižším režimu či úrovni, kterým trvá nabíjení 10 až 12 hodin, ale stále dobití vybité baterie trvá několik hodin. Tento způsob nabíjení se využívá tehdy, kdy je auto zaparkováno doma nebo na jiném místě po delší dobu, například v práci.

Proto byly vyvinuty vysoce výkonné DC nabíječky. Rychlost nabíjení pro rychlé nabíjení stejnosměrným proudem závisí na tom, kolik proudu je nabíječka schopna dodat a také na velikosti napětí baterie. Rychlé DC nabíječky byly původně vyvinuty pro 400 V bateriové sady. K dosažení 80% nabití pomocí 400 V a 200 A trvá přibližně 50 minut. Zvýšení proudu na 350 A je konstrukčně náročné, ale dokáže nabít 400 V baterii na 80 % přibližně za 29 minut. Ačkoli zvýšení proudu zkracuje nezbytnou dobu nabíjení, stále to není dostatečně rychlé, aby se nabíjení elektromobilu stalo časově efektivní alternativou k jiným způsobům doplňování paliva jako je benzín či nafta. Cílem je docílit nabíjení do 10 minut.

Další úrovní DC rychlého nabíjení je extrémně rychlé nabíjení XFC (extreme fast charging). Abychom mohli provádět XFC nabíjení, došlo ke zvýšení napětí baterie ze 400 V na 800 V, přičemž již nyní je na obzoru napětí baterie až 1 kV. Technologie nabíječky XFC je vyvíjena tak, aby dodávala proud 350 až 500 A při napětí 1kV. Tím se doba nabíjení zkrátí na 10 minut a méně. Kromě vývoje extrémně rychlého nabíjení XFC jsou designéři tlačeni k bezpečnějšímu, menšímu, účinnějšímu a flexibilnějšímu nabíjení.

Obrázek 2: K vývoji kompaktnějších a výkonnějších nabíječek jsou zapotřebí pokročilé komponenty. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Komponenty pro stísněné prostory

Extrémně rychlé nabíječky XFC používají polovodičové součástky na bázi karbidu křemíku (SiC) a nitridu galia (GaN), které poskytují vysoce účinné a kompaktní řešení přeměny energie. Konverze energie je však pouze jedním prvkem designu nabíječky. Nabíječky potřebují kompaktní a robustní signálové konektory pro ovládání a monitorování, prostorově úsporná relé a stykače, které zvládnou vyšší napětí a proudy. Výkonové rezistory v nabíječkách vyžadují vysoký izolační odpor, nízkou povrchovou teplotu, co nejnižší teplotní koeficient odporu (TCR), schopnost rozptýlit vysoký výkon v omezeném prostoru a ohnivzdornou konstrukci.

Pomocné napájecí zdroje a další obvody jsou závislé na filtrech elektromagnetického rušení (EMI), které eliminují interferenci s řídicí logikou a monitorovacími obvody. Tyto filtry musí mít také malé rozměry, aby se vměstnaly do omezeného prostoru. Nouzové vypínače s krytím IP65 musí být konstruovány tak, aby vydržely drsné prostředí. Ovládací síla musí být taková, aby nedocházelo k nechtěné aktivaci, ale zároveň musí být taková, aby došlo k rychlé a jednoduché aktivaci v případě potřeby.

AC nabíječky úrovně 2 / režimu 3

Následující seznam podrobně popisuje klíčové komponenty požadované při navrhování nabíječek střídavého proudu 2. úrovně nebo 3. režimu. Uvedená čísla (pořadí) odpovídají zakroužkovaným číslům na obrázku 3 níže.

1. Výkonová relé v řadě T92 od TE se používají jako hlavní vypínač v nabíjecích stanicích se střídavým proudem. Tyto DPST relé jsou dimenzována na 50 A a jsou navržena pro použití v extrémních teplotách. Model T92HP7D1X-12 je dimenzován pro 50 A a 600 Vac při až 85 °C.
2. Pro interní napájení integrovaných obvodů na PCB jsou zapotřebí signálové a napájecí konektory Dynamic Mini od TE. Tyto konektory obsahují slyšitelný pozitivní západkový mechanismus pro snadnou instalaci a údržbu přímo v terénu. Jsou dimenzovány pro provoz od -40 °C do 125 °C. Například model 1-2834461-2 má 12 pozic s roztečí 1,8 mm.
3. Výkonové rezistory jsou důležité pro monitorování, správu a zajištění bezpečného provozu. Musí mít vysoký izolační odpor, nízké TCR například 300 ppm/°C, nízký nárůst povrchové teploty a ohnivzdornou konstrukci. Řada SQ do níž patří SQPW51R0J (1 Ω ±5 % 5W) je vhodná právě pro použití v AC nabíječkách.
4. Nouzový vypínač je důležitý pro bezpečnost AC nabíječky. TE nabízí tlačítkový nouzový vypínač řady PBE16 v osvětlené i neosvětlené verzi. Tyto spínače / vypínače splňují požadavky IEC 60947-5-1 a IEC 60947-5-5. Například model PBES16L1CR má stupeň krytí IP 65 s ovládací silou 20 N, aby se zabránilo nechtěnému sepnutí/ vypnutí.
5. EMI filtry jsou potřebné pro pomocné napájecí zdroje v nabíjecích stanicích, aby se zabránilo rušení provozu digitálních obvodů používaných pro monitorování a řízení napájení. Pro napájení výkonových polovodičů v sekci transformace energie jsou také potřeba pomocné napájecí zdroje. Jednofázový EMI filtr 6609065-3 je dimenzovaný na 6 A při 250 V AC a 50 nebo 60 Hz.
6. Štítky jsou nepostradatelnou součástí nabíječek, aby se urychlila montáž a údržba v terénu. Tyto štítky se musí snadno instalovat a musí být vysoce odolné. Například polyesterová samolepka PL-027008-2.5-9  je navržena pro použití v elektrických skříních jako jsou nabíjecí stanice pro elektromobily.

Obrázek 3: Klíčové komponenty potřebné pro AC nabíječky úrovně 2 a 3. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Rychlé AC nabíjení a extrémně rychlé DC nabíjení XFC

Typy komponent používané v nabíječkách střídavého proudu úrovně 2 a 3 se zdají být podobné těm, které se používají v rychlých stejnosměrných nabíječkách XFC. Mezi těmito komponenty však existují jemné ale důležité rozdíly.

• Střídavé nabíjecí stanice obvykle používají relé, zatímco stejnosměrné nabíječky potřebují stykače. Relé i stykače jsou spínače, které používají nízké napětí například 12 V DC ke spínání obvodu s vyšším napětím. Relé jsou obvykle dimenzována na 600 V, zatímco stykače jsou dimenzovány na 800 V a vyšší. Kromě toho jsou relé obvykle omezena na desítky ampérů, zatímco stykače mohou spínat i stovky ampér. Například stykač EV200AAANA je dimenzován na 900 V a 500 A a je vhodný právě pro rychlé stejnosměrné nabíječky.
• Signálové konektory a výkonové rezistory používané u stejnosměrných nabíječek nejsou stejné jako u střídavých konstrukcí. Stejnosměrné nabíječky obsahují obvody a signálové cesty pro komunikaci přímo s baterií EV. Toto chybí v AC nabíječkách. Nabíječky stejnosměrného proudu vyžadují konektory s vyšším počtem pinů jako je konektor 1MM-R- D15- VS-00-F-TBP se 30 pozicemi.
• Kvůli vyšší úrovni výkonu u stejnosměrných nabíječek je nutné použít výkonové rezistory s hliníkovým pouzdrem jako je řada HS. Tyto drátové rezistory jsou velmi stabilní a jejich povrchová teplota je velmi nízká. Například rezistor HSA1010RJ s hodnotou odporu 10 Ω ±5 % je dimenzován na 10 W. Ostatní modely v řadě jsou dimenzovány až na 300 W a jejich hodnota odporu dosahuje až 82 kΩ.
• Ačkoli stejný typ nouzového vypínače lze často použít pro AC a DC nabíječky, v případě EMI filtrů mohou DC nabíječky potřebovat větší filtry nebo více filtrů v závislosti na konstrukci.
• Dalším rozdílem mezi střídavými a stejnosměrnými nabíječkami je to, že stejnosměrné nabíječky vyžadují napájecí svorkovnice jako jsou kompaktní napájecí bloky TE ENTRELEC pro vnitřní rozvod energie. Model CBS50-2P je dimenzován na 150 A a 1 kV.

Obrázek 4: Rychlé DC nabíječky potřebují mnoho stejných součástí jako AC nabíječky Level 2 a Mode 3, ale jsou zde drobné rozdíly. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Závěr

Pokročilé konstrukce nabíječek pro elektromobily používají vyšší napětí a proudy ke zkrácení doby nabíjení na přibližně 10 minut. Proto je vhodné volit kompaktní, efektivní a odolné komponenty, které tyto vysoké nároky na výkon a drsné prostředí s přehledem splní.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com