Stacje szybkiego ładowania prądem stałym (DC) można znaleźć głównie w miejscach publicznych. Podczas gdy koncepcje bazujące na prądzie przemiennym (AC) są przeważnie stosowane w prywatnych gospodarstwach. Teraz jednak, w przypadku tych pierwszych, pojawiła się wydajna opcja zasilania w domu, której efektywność została zwiększona dzięki użytkowi półprzewodników wykonanych z SiC.
Aby chronić klimat, kluczowe znaczenie ma redukcja emisji gazów cieplarnianych. Między innymi mobilność elektryczna odgrywa ważną rolę w ich ograniczaniu. Rosnąca liczba środków transportu typu EV jest ściśle powiązana z infrastrukturą stacji ładowania: im więcej takowych samochodów na drogach, tym liczniejsze powinny być punkty zasilania. Zapewnienie optymalnych warunków powinno być z kolei zachętą dla pozostałych uczestników ruchu drogowego, aby przesiąść się na pojazdy elektryczne. Co więcej, rosnący sektor elektromobilności napędza rozwój nowych i mocniejszych akumulatorów, obniżając ich koszt i umożliwiając budowanie środków lokomocji o wydatniejszej pojemności i zasięgu. Aby opracować akumulatory o większej gęstości mocy, niezbędna jest wysoka moc ładowania, zwłaszcza jeśli w jednym miejscu ma być zasilana duża liczba pojazdów. Z tego powodu przygotowywane są nowe koncepcje. Jednakże, szczególnie w miastach i aglomeracjach, rosnąca liczba elektrycznych maszyn i stacji ładowania jest obciążeniem dla sieci elektroenergetycznej. Dlatego potrzebne są idee, które zapewnią stabilność systemu. Na przykład inteligentne i sieciowe punkty zasilania są odpowiednie celem zapobiegania wahaniom, a także pomagają zoptymalizować i zarządzać centralnie ładowaniem pojazdów. Dzięki dwukierunkowemu przepływowi energii elektrycznej w ładowarce, akumulator samochodu EV może być również wykorzystany jako bufor zasilania dla domów prywatnych, budynków przemysłowych czy wręcz całej sieci energetycznej.
Różne koncepcje ładowania
Około 60% wszystkich europejskich użytkowników pojazdów elektrycznych posiada własne stacje zasilające. Te punkty działają zwykle na prąd zmienny o mocy wyjściowej od 3,7 kW do 11 kW, w rzadkich przypadkach do 22 kW. W związku z tym pełne naładowanie akumulatora zajmuje nie mniej niż kilka godzin. Jednak, aby korzystać z tych stacji pojazd elektryczny potrzebuje zintegrowanej ładowarki pokładowej (OBC). Punkty zasilania AC znajdują również zastosowanie na parkingach publicznych czy w centrach handlowych. Ten typ stacji często ma moc wyjściową do 22 kW. Dlatego czas ładowania akumulatora 100 kWh wynosi około pięciu godzin, w zależności od mocy wbudowanego systemu OBC.
Jeśli bateria wymaga natychmiastowego zasilenia, ładowarki szybkiego typu są właściwym urządzeniem. Niestety nie są one pozbawione wad. Mają bowiem wysokie moce znamionowe, wynoszące od 50 do nawet 350 kW i są stosowane głównie na parkingach publicznych i w dużych stacjach. W zależności od wielkości wbudowanego akumulatora zasilenie pojazdu elektrycznego za pomocą punktu szybkiego ładowania zajmuje nawet mniej niż godzinę. A w przypadku stacji ultraszybkiego typu czas ten jest skrócony nawet do 20 minut. W przeciwieństwie do systemów AC, punkt zasilania DC posiada zintegrowany konwerter, który przekształca prąd zmienny z sieci na stały. Umożliwia to doprowadzenie energii elektrycznej bezpośrednio do akumulatorów pojazdu. Obecnie również prywatne gospodarstwa domowe czy niewielkie firmy mogą posiłkować się stacjonarnymi stacjami ładowania wykorzystującymi prąd stały. Wariantem dla własnych czterech ścian jest np. Wallbox DC o mocy 22 kW (patrz rysunek 1).
Rys.1. Ładowanie w domu: Wallbox DC to idealne rozwiązanie do szybkiego zasilenia pojazdu elektrycznego we własnym garażu. Całość można podłączyć do domowego systemu fotowoltaicznego.
Wallbox DC można łatwo zainstalować w garażu i spiąć np. z systemem fotowoltaicznym. Ten generuje prąd stały, który uda się przekierować bezpośrednio do akumulatora pojazdu za pomocą przetwornicy DC/DC. Ponadto można zainstalować punkt magazynowania energii (ESS), aby umożliwić wykorzystanie nadmiaru zasobów z instalacji solarnej. W połączeniu ze stacją ładowania, pojazdem elektrycznym i hybrydowym, a także fotowoltaiką, system magazynowania tworzy samodzielny podsystem energetyczny, który pozwala na optymalizację zapotrzebowania i wytwarzania energii w domu. ESS są również idealne do recyklingu starych baterii. Chociaż nie nadają się już do przechowywania zasobów energetycznych w pojeździe, a ich pojemność stanowi od 70% do 80%, mogą być wykorzystywane do mniej wymagających zastosowań, takich jak przydomowe ośrodki energii elektrycznej. Te tak zwane: „baterie drugiego obiegu” zasilają stację ładującą, zapewniając jej elastyczny przepływ, co umożliwia dwukierunkową wymianę mocy czynnej z siecią energetyczną. W rezultacie pojazdy elektryczne mogą być użytkowane jako rezerwuary energii elektrycznej do kontroli obciążenia, co optymalizuje pracę sieci. W przypadku wystąpienia braków w zasilaniu, zasoby zmagazynowane w akumulatorach pojazdu wracają i ją stabilizują.
Wymagania dla DC
W pewnym stopniu zachowanie użytkowników ma duże znaczenie dla rozwoju koncepcji ładowania. Ostatecznie jednak to od producentów OEM zależy, czy stacje zasilania DC będą powszechnie akceptowane w prywatnych gospodarstwach domowych. Decydującym czynnikiem jest OBC, które należy zintegrować z każdym pojazdem w celu ładowania za pomocą punktu AC. Ponieważ przestrzeń i gęstość mocy komponentów zastosowanych w samochodzie mają ograniczenia techniczne, moc ładowania pokładowej ładowarki jest limitowana. Podczas zasilania prądem stałym przetwornica nie jest zintegrowana z samochodem elektrycznym, ale bezpośrednio w stacji ładującej, dzięki czemu można zaoszczędzić części przy konstrukcji EV, a cena produkcji pojazdu spada. Jednocześnie dostępna jest większa przestrzeń, którą można wykorzystać, aby uczynić środek transportu bardziej wydajnym. Ostatecznie optymalizacja masy pojazdu oznacza również oszczędność energii, co z kolei daje możliwość rozszerzenia zasięgu.
Wyższą gęstość mocy uzyskuje się poprzez wybór odpowiednich topologii i elementów do wymaganego poziomu. Ze względu na stosunek ceny do sprawności, krzemowe IGBT dominują dziś w sektorze elektromobilności. Koszt tranzystorów MOSFET wykonanych z SiC można zrekompensować poprzez oszczędności na innych komponentach. Ponieważ przetwornice oparte na MOSFET-ach z tego materiału mogą pracować z wyższą częstotliwością przełączania niż te bazujące na krzemowych IGBT.
Ponadto układy produkowane z SiC mają doskonałe i inne właściwości, takie jak minimalny wzrost oporu podczas przewodzenia. Umożliwia to większą miniaturyzację pakietów półprzewodników i oszczędność energii niż w przypadku elementów krzemowych. Komponenty na bazie węglika krzemu mogą pracować w wyższych temperaturach otoczenia i osiągać bardzo wysoki stopień sprawności. Stacje ładowania mogą być również wyposażone w tranzystory MOSFET SiC w różnych typologiach. Firma Rohm wdrożyła tę technologię w produkcji seryjnej.
Topologie stacji ładowania DC
W rzeczywistości punkty zasilania zbudowane są z elementów w odmiennych topologiach. Systemy ładowania składają się zazwyczaj z dwóch stopni przetwornicy. Stopień AC/DC przekształca napięcie AC z sieci na stałe. A to jest następnie dostosowywane do napięcia akumulatora przez stopień DC/DC. Ten ostatni reguluje również prąd ładowania i zapewnia izolację galwaniczną niezbędną do bezpiecznej pracy, jeśli nie zostało to już zaimplementowane we wcześniejszych elementach systemu.
Rys.2. Trzy różne topologie trójpoziomowe dla systemu stacji ładowania DC.
Topologia trójpoziomowa wymaga wydatniejszej liczby części niż dwupoziomowa i złożoności w zakresie sterowania bramką (szczególnie w konfiguracji dwukierunkowej), co może prowadzić do zwiększenia rozmiaru systemu. Jednak rozwiązanie trzypoziomowe oferuje redukcję całkowitych strat przełączania i zrównoważone charakterystyki w obrębie zakłóceń elektromagnetycznych. Z kolei w topologii dwupoziomowej liczba komponentów jest znacznie mniejsza, a gabaryty systemu można dalece zniwelować. Dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii SiC uda się również osiągnąć niskie straty przełączania i — w rezultacie — wysoką sprawność. Technologia SiC jest więc idealna dla punktów zasilania na prąd stały, nawet jeśli napięcie ładowania DC wynosi od 200 V do 800 V.
Wybór topologii zależy od odpowiednich wymagań izolacyjnych stacji szybkiego zasilania. Jeżeli napięcie jest już izolowane, nie ma potrzeby wykorzystywania skomplikowanych obwodów DC/DC, które często są eksploatowane w tzw. parkach ładowania. W przeciwnym razie stacje zasilania DC zwykle stosują podobne topologie, jak wbudowane ładowarki pojazdów elektrycznych, chociaż mają szersze napięcie wyjściowe i posiadają na ogół wymuszone chłodzenie powietrzem. Te odizolowane linie wiążą się z dużymi nakładami finansowymi, które nie są opłacalne dla prywatnych gospodarstw domowych czy publicznych punktów zasilania. Z tego powodu stacje z topologią izolowaną są zazwyczaj stosowane w celu zapewnienia bezpieczeństwa podczas procesu ładowania.
Podsumowanie
W przeciwieństwie do punktów zasilania AC, stacje DC mają wyższą gęstość mocy i umożliwiają skrócenie czasu ładowania akumulatorów pojazdu. Co więcej, technologia DC sprawia, że we wnętrzu samochodu elektrycznego jest więcej miejsca, jako że moc przetwornic znajduje się bezpośrednio w punktach ładowania. Stacje szybkiego zasilania (DC) są szczególnie popularne w przestrzeniach publicznych, ale istnieją również odpowiednie koncepcje dla prywatnych gospodarstw, takie jak Wallbox DC. Rozwiązanie to uda się łatwo zainstalować w każdym garażu, w tym podpiąć do domowej fotowoltaiki. Zastosowanie półprzewodników opartych na węgliku krzemu optymalizuje gęstość mocy, rozmiar systemu i jego koszt.
Jednakże to, czy prywatne stacje zasilania akumulatorów pojazdów elektrycznych prądem stałym naprawdę się przyjmą, zależy od producentów OEM. Muszą oni zatroszczyć się o to, aby przetwornice były zintegrowane w stacjach, a nie w pojeździe, jako ładowarki pokładowe. Zaoszczędzoną przestrzeń można wykorzystać bardziej efektywnie, aby środki transportu były sprawniejsze lub miały większy zasięg.
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/efficient-dc-charging-stations-for-the-garage/
Aby chronić klimat, kluczowe znaczenie ma redukcja emisji gazów cieplarnianych. Między innymi mobilność elektryczna odgrywa ważną rolę w ich ograniczaniu. Rosnąca liczba środków transportu typu EV jest ściśle powiązana z infrastrukturą stacji ładowania: im więcej takowych samochodów na drogach, tym liczniejsze powinny być punkty zasilania. Zapewnienie optymalnych warunków powinno być z kolei zachętą dla pozostałych uczestników ruchu drogowego, aby przesiąść się na pojazdy elektryczne. Co więcej, rosnący sektor elektromobilności napędza rozwój nowych i mocniejszych akumulatorów, obniżając ich koszt i umożliwiając budowanie środków lokomocji o wydatniejszej pojemności i zasięgu. Aby opracować akumulatory o większej gęstości mocy, niezbędna jest wysoka moc ładowania, zwłaszcza jeśli w jednym miejscu ma być zasilana duża liczba pojazdów. Z tego powodu przygotowywane są nowe koncepcje. Jednakże, szczególnie w miastach i aglomeracjach, rosnąca liczba elektrycznych maszyn i stacji ładowania jest obciążeniem dla sieci elektroenergetycznej. Dlatego potrzebne są idee, które zapewnią stabilność systemu. Na przykład inteligentne i sieciowe punkty zasilania są odpowiednie celem zapobiegania wahaniom, a także pomagają zoptymalizować i zarządzać centralnie ładowaniem pojazdów. Dzięki dwukierunkowemu przepływowi energii elektrycznej w ładowarce, akumulator samochodu EV może być również wykorzystany jako bufor zasilania dla domów prywatnych, budynków przemysłowych czy wręcz całej sieci energetycznej.
Różne koncepcje ładowania
Około 60% wszystkich europejskich użytkowników pojazdów elektrycznych posiada własne stacje zasilające. Te punkty działają zwykle na prąd zmienny o mocy wyjściowej od 3,7 kW do 11 kW, w rzadkich przypadkach do 22 kW. W związku z tym pełne naładowanie akumulatora zajmuje nie mniej niż kilka godzin. Jednak, aby korzystać z tych stacji pojazd elektryczny potrzebuje zintegrowanej ładowarki pokładowej (OBC). Punkty zasilania AC znajdują również zastosowanie na parkingach publicznych czy w centrach handlowych. Ten typ stacji często ma moc wyjściową do 22 kW. Dlatego czas ładowania akumulatora 100 kWh wynosi około pięciu godzin, w zależności od mocy wbudowanego systemu OBC.
Jeśli bateria wymaga natychmiastowego zasilenia, ładowarki szybkiego typu są właściwym urządzeniem. Niestety nie są one pozbawione wad. Mają bowiem wysokie moce znamionowe, wynoszące od 50 do nawet 350 kW i są stosowane głównie na parkingach publicznych i w dużych stacjach. W zależności od wielkości wbudowanego akumulatora zasilenie pojazdu elektrycznego za pomocą punktu szybkiego ładowania zajmuje nawet mniej niż godzinę. A w przypadku stacji ultraszybkiego typu czas ten jest skrócony nawet do 20 minut. W przeciwieństwie do systemów AC, punkt zasilania DC posiada zintegrowany konwerter, który przekształca prąd zmienny z sieci na stały. Umożliwia to doprowadzenie energii elektrycznej bezpośrednio do akumulatorów pojazdu. Obecnie również prywatne gospodarstwa domowe czy niewielkie firmy mogą posiłkować się stacjonarnymi stacjami ładowania wykorzystującymi prąd stały. Wariantem dla własnych czterech ścian jest np. Wallbox DC o mocy 22 kW (patrz rysunek 1).
Rys.1. Ładowanie w domu: Wallbox DC to idealne rozwiązanie do szybkiego zasilenia pojazdu elektrycznego we własnym garażu. Całość można podłączyć do domowego systemu fotowoltaicznego.
Wallbox DC można łatwo zainstalować w garażu i spiąć np. z systemem fotowoltaicznym. Ten generuje prąd stały, który uda się przekierować bezpośrednio do akumulatora pojazdu za pomocą przetwornicy DC/DC. Ponadto można zainstalować punkt magazynowania energii (ESS), aby umożliwić wykorzystanie nadmiaru zasobów z instalacji solarnej. W połączeniu ze stacją ładowania, pojazdem elektrycznym i hybrydowym, a także fotowoltaiką, system magazynowania tworzy samodzielny podsystem energetyczny, który pozwala na optymalizację zapotrzebowania i wytwarzania energii w domu. ESS są również idealne do recyklingu starych baterii. Chociaż nie nadają się już do przechowywania zasobów energetycznych w pojeździe, a ich pojemność stanowi od 70% do 80%, mogą być wykorzystywane do mniej wymagających zastosowań, takich jak przydomowe ośrodki energii elektrycznej. Te tak zwane: „baterie drugiego obiegu” zasilają stację ładującą, zapewniając jej elastyczny przepływ, co umożliwia dwukierunkową wymianę mocy czynnej z siecią energetyczną. W rezultacie pojazdy elektryczne mogą być użytkowane jako rezerwuary energii elektrycznej do kontroli obciążenia, co optymalizuje pracę sieci. W przypadku wystąpienia braków w zasilaniu, zasoby zmagazynowane w akumulatorach pojazdu wracają i ją stabilizują.
Wymagania dla DC
W pewnym stopniu zachowanie użytkowników ma duże znaczenie dla rozwoju koncepcji ładowania. Ostatecznie jednak to od producentów OEM zależy, czy stacje zasilania DC będą powszechnie akceptowane w prywatnych gospodarstwach domowych. Decydującym czynnikiem jest OBC, które należy zintegrować z każdym pojazdem w celu ładowania za pomocą punktu AC. Ponieważ przestrzeń i gęstość mocy komponentów zastosowanych w samochodzie mają ograniczenia techniczne, moc ładowania pokładowej ładowarki jest limitowana. Podczas zasilania prądem stałym przetwornica nie jest zintegrowana z samochodem elektrycznym, ale bezpośrednio w stacji ładującej, dzięki czemu można zaoszczędzić części przy konstrukcji EV, a cena produkcji pojazdu spada. Jednocześnie dostępna jest większa przestrzeń, którą można wykorzystać, aby uczynić środek transportu bardziej wydajnym. Ostatecznie optymalizacja masy pojazdu oznacza również oszczędność energii, co z kolei daje możliwość rozszerzenia zasięgu.
Wyższą gęstość mocy uzyskuje się poprzez wybór odpowiednich topologii i elementów do wymaganego poziomu. Ze względu na stosunek ceny do sprawności, krzemowe IGBT dominują dziś w sektorze elektromobilności. Koszt tranzystorów MOSFET wykonanych z SiC można zrekompensować poprzez oszczędności na innych komponentach. Ponieważ przetwornice oparte na MOSFET-ach z tego materiału mogą pracować z wyższą częstotliwością przełączania niż te bazujące na krzemowych IGBT.
Ponadto układy produkowane z SiC mają doskonałe i inne właściwości, takie jak minimalny wzrost oporu podczas przewodzenia. Umożliwia to większą miniaturyzację pakietów półprzewodników i oszczędność energii niż w przypadku elementów krzemowych. Komponenty na bazie węglika krzemu mogą pracować w wyższych temperaturach otoczenia i osiągać bardzo wysoki stopień sprawności. Stacje ładowania mogą być również wyposażone w tranzystory MOSFET SiC w różnych typologiach. Firma Rohm wdrożyła tę technologię w produkcji seryjnej.
Topologie stacji ładowania DC
W rzeczywistości punkty zasilania zbudowane są z elementów w odmiennych topologiach. Systemy ładowania składają się zazwyczaj z dwóch stopni przetwornicy. Stopień AC/DC przekształca napięcie AC z sieci na stałe. A to jest następnie dostosowywane do napięcia akumulatora przez stopień DC/DC. Ten ostatni reguluje również prąd ładowania i zapewnia izolację galwaniczną niezbędną do bezpiecznej pracy, jeśli nie zostało to już zaimplementowane we wcześniejszych elementach systemu.
Rys.2. Trzy różne topologie trójpoziomowe dla systemu stacji ładowania DC.
Topologia trójpoziomowa wymaga wydatniejszej liczby części niż dwupoziomowa i złożoności w zakresie sterowania bramką (szczególnie w konfiguracji dwukierunkowej), co może prowadzić do zwiększenia rozmiaru systemu. Jednak rozwiązanie trzypoziomowe oferuje redukcję całkowitych strat przełączania i zrównoważone charakterystyki w obrębie zakłóceń elektromagnetycznych. Z kolei w topologii dwupoziomowej liczba komponentów jest znacznie mniejsza, a gabaryty systemu można dalece zniwelować. Dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii SiC uda się również osiągnąć niskie straty przełączania i — w rezultacie — wysoką sprawność. Technologia SiC jest więc idealna dla punktów zasilania na prąd stały, nawet jeśli napięcie ładowania DC wynosi od 200 V do 800 V.
Wybór topologii zależy od odpowiednich wymagań izolacyjnych stacji szybkiego zasilania. Jeżeli napięcie jest już izolowane, nie ma potrzeby wykorzystywania skomplikowanych obwodów DC/DC, które często są eksploatowane w tzw. parkach ładowania. W przeciwnym razie stacje zasilania DC zwykle stosują podobne topologie, jak wbudowane ładowarki pojazdów elektrycznych, chociaż mają szersze napięcie wyjściowe i posiadają na ogół wymuszone chłodzenie powietrzem. Te odizolowane linie wiążą się z dużymi nakładami finansowymi, które nie są opłacalne dla prywatnych gospodarstw domowych czy publicznych punktów zasilania. Z tego powodu stacje z topologią izolowaną są zazwyczaj stosowane w celu zapewnienia bezpieczeństwa podczas procesu ładowania.
Podsumowanie
W przeciwieństwie do punktów zasilania AC, stacje DC mają wyższą gęstość mocy i umożliwiają skrócenie czasu ładowania akumulatorów pojazdu. Co więcej, technologia DC sprawia, że we wnętrzu samochodu elektrycznego jest więcej miejsca, jako że moc przetwornic znajduje się bezpośrednio w punktach ładowania. Stacje szybkiego zasilania (DC) są szczególnie popularne w przestrzeniach publicznych, ale istnieją również odpowiednie koncepcje dla prywatnych gospodarstw, takie jak Wallbox DC. Rozwiązanie to uda się łatwo zainstalować w każdym garażu, w tym podpiąć do domowej fotowoltaiki. Zastosowanie półprzewodników opartych na węgliku krzemu optymalizuje gęstość mocy, rozmiar systemu i jego koszt.
Jednakże to, czy prywatne stacje zasilania akumulatorów pojazdów elektrycznych prądem stałym naprawdę się przyjmą, zależy od producentów OEM. Muszą oni zatroszczyć się o to, aby przetwornice były zintegrowane w stacjach, a nie w pojeździe, jako ładowarki pokładowe. Zaoszczędzoną przestrzeń można wykorzystać bardziej efektywnie, aby środki transportu były sprawniejsze lub miały większy zasięg.
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/efficient-dc-charging-stations-for-the-garage/
Cool? Ranking DIY
Czy tylko mi się wydaje, że z tym tytułem jest coś nie tak? 
