S sabo ga vozi vsako popolnoma električno vozilo in pogosto določa čas polnjenja na izmeničnih polnilnicah: vgrajeni polnilnik (angl. On-Board Charger – OBC). Če želimo, da je kompakten, lahek, učinkovit in tih, potrebujemo zmogljive komponente.
Rutronik GmbH
Avtor: Ralf Hickl
Baterijska električna vozila (angl. Battery Electric Vehicles – BEV) zahtevajo nizko porabo energije (kWh/km). Ko jo računamo, pogosto ne upoštevamo le energije iz baterije, ampak energijo, ki jo mora dovesti izmenična polnilnica pri polnjenju baterije. Nanjo zato neposredno vplivajo izgube v vgrajenem polnilniku. Za majhno porabo energije pri vozilih BEV je zato zelo pomembno, da je v vozilu čim bolj učinkovit polnilnik.
Blok shema (slika) kaže dvosmerni 3-fazni vgrajeni polnilnik. Takšni dvosmerni polnilniki ne omogočajo le polnjenja baterije, ampak tudi obrnjeni tok energije iz baterije vozila v električno omrežje. Vozila BEV lahko tako pomagajo pri pokrivanju konic porabe v električnem omrežju. Druga možnost je uporaba vozila kot generatorja za otočno uporabo, kar je podjetje Sono Motors na primer želelo doseči pri svojem modelu Sion.
Vgrajene polnilnike lahko predstavimo s štirimi glavnimi bloki:
Blok 1: Filter in PFC
Blok 1 vsebuje filter za odpravljanje prevajanih elektromagnetnih motenj (filter EMI). Vgrajeni pomnilnik mora upoštevati omejitve povratnih vplivov na omrežje standarda IEC 61851-21-1 (Zahteve za elektromagnetno združljivost vgrajenega polnilnika za električna vozila s prevodno povezavo z izmeničnim/enosmernim napajalnim omrežjem). Induktivnosti razsmernika so skupaj s tranzistorji hkrati del enote za popravljanje faktorja moči (angl. Power Factor Correction – PFC).
Blok 2: Omrežni pretvornik
Blok 2 je omrežni pretvornik. Odvisno od smeri pretoka energije deluje kot usmernik ali razsmernik. Krmiljenje impulznoširinske modulacije (PWM) vhodnih tranzistorjev skupaj z induktivnostmi na faznih vodnikih hkrati zagotavlja visok faktor moči (PFC).
Stikalne frekvence (osnovna frekvenca PWM) v glavnem naraščajo. Višja preklopna frekvenca pomeni, da:
- lahko uporabimo manjše pasivne komponente,
- je vozilo tišje (če ste se kdaj sprehodili mimo električnega skuterja v prostem teku ali delujoče hitre polnilnice prve generacije, veste, na kaj mislimo),
- se poveča gostota moči celotnega sistema,
- se na žalost povečajo tudi stikalne izgube.
Visoke stikalne frekvence omogočajo polprevodniki s široko energijsko režo (Wide Bandgap Semiconductors), torej diode in tranzistorji MOSFET iz silicijevega karbida (SiC) ali galijevega nitrida (GaN). Tranzistorje SiC MOSFET, kvalificirane za uporabo v avtomobilski industriji, ponujata na primer podjetji Rohm in Infineon (tabela 2). Z razvojem stalno pada njihova upornost RDSon in razmerje med kapacitivnostma med vrati ter ponorom (Gate-Drain) in vrati ter izvorom (Gate-Source).
Manjše vrednosti RDSon zmanjšujejo izgube med prevajanjem, manjše parazitne kapacitivnosti tranzistorja MOSFET pa zmanjšajo stikalne izgube in izboljšajo obnašanje stikal. Možnost odprave negativnih napetosti za vrata (Gate) poenostavi vezje gonilnika vrat in zmanjša stroške. V podjetju Rohm podpirajo svojo zadnjo generacijo tranzistorjev SiC MOSFET s preizkusno ploščo s polovičnim mostičem (npr. P04SCT4018KE-EVK-001), ki jo je mogoče prilagodljivo konfigurirati za različne napetosti vrat.
Tranzistorji SiC MOSFET potrebujejo ustrezne gonilnike vrat z galvansko ločitvijo med stikalnim in krmilnim potencialom. Z njimi zagotovimo potrebne napetosti in tokove vrat za zanesljiv vklop ter izklop tranzistorjev. Nekateri modeli imajo tudi dodatne funkcije, npr. nadzor previsokih tokov ali nenasičenega stanja (DESAT) s povratno informacijo za diagnostiko za krmilno elektroniko (tabela 3).
Omrežni pretvornik napaja vmesni enosmerni tokokrog na omrežni strani (angl. DC-Link) Drug vmesni enosmerni tokokrog je na strani baterije v pogonskem razsmerniku. Napetosti obeh vmesnih tokokrogov se gladijo in vzdržujejo s kondenzatorji. Skozi te kondenzatorje vmesnih enosmernih tokokrogov tečejo izmenični tokovi (Ripple Current), ki jih povzročata omrežni pretvornik in pretvornik DC/DC. Pomembni merili pri izbiri za dosego nizkih izgub in zmanjšanje segrevanja sta zato nizka enakovredna zaporedna upornost (Equivalent Series Resistance – ESR) v območju stikalne frekvence in nizka lastna induktivnost (Equivalent Series Inductance – ESL). Take lastnosti imajo folijski kondenzatorji.
Druga možnost so novi keramični kondenzatorji s posebnim dielektrikom podjetja TDK Epcos (CeraLink). V nasprotju z običajnimi keramičnimi kondenzatorji se njihova kapacitivnost pri visoki enosmerni napetosti (DC Bias) ne zmanjša, ampak narašča do nazivne napetosti (tabela 4).
Blok 3: Pretvornik DC/DC
Blok 3 je pretvornik DC/DC s topologijo CLLC. Sestavljajo ga H-mostič, izmenično sklopljen transformator in sinhronski usmernik (H-mostič) na strani baterije.
Pretvornik DC/DC uskladi napetost vmesnega tokokroga na omrežni strani z napetostjo baterije in pri tem prenaša energijo s primarne na sekundarno stran (polnjenje) ali obratno (način generatorja/otočni način ali vračanje v omrežje). Transformator hkrati galvansko ločuje električni sistem vozila od električnega omrežja. Transformator skupaj s kondenzatorji zaporednih resonančnih krogov bistveno vpliva na izkoristek in izgube pretvornika, saj vsa prenesena moč teče skozi obe komponenti. Zaradi tega je pomembno merilo za izbiro resonančnih kondenzatorjev njihov izgubni faktor tan δ. Manjši izgubni faktor pomeni manjše izgube in s tem boljši izkoristek. Če to upoštevamo skupaj s potrebno kapacitivnostjo za resonančno frekvenco, običajno izberemo folijske kondenzatorje (tabela 5).
Enako kot resonančni kondenzator je tudi transformator močnostna komponenta. Za visok izkoristek se mora čim manj segrevati, kar pomeni majhno izgubno moč. To sestavljajo izgube v jedru in bakru. Za prve so pomembne izgube zaradi vrtinčnih tokov in izgube pri premagnetenju. Izgube v bakru določa ohmska upornost navitja (P = I² ∙ R). Zaradi kožnega učinka je upornost odvisna od frekvence in s frekvenco narašča.
Material jedra transformatorja mora imeti visoko poljsko jakost nasičenja in majhno remanenco pri veliki permeabilnosti. Večja ko je permeabilnost materiala jedra, manj obratov potrebuje navitje, da doseže potrebno induktivnost. Manj ovojev pomeni krajši vodnik navitja, kar pomeni manjšo upornost. Visoka poljska jakost nasičenja omogoča močno namagnetenje materiala jedra. Tako lahko v eni periodi prenesemo več energije. Visoka električna upornost jedra preprečuje izgube zaradi vrtinčnih tokov. Idealna konstrukcija transformatorja zagotavlja znane stresane induktivnosti na primarni in sekundarni strani. Stresana induktivnost skupaj z resonančnim kondenzatorjem tvori resonančni krog. Druga možnost je, da uporabimo jedro z minimalnim stresanjem, vendar pa takrat potrebujemo ločene resonančne induktivnosti.
Čim gostejše navitje in pravokoten ali trakast vodnik zagotavljajo majhno dolžino vodnika ter veliko napolnjenost telesa tuljave.
Za mehansko postavljanje na tiskano vezje ima prednost transformator s kompaktno zasnovo. Podjetje Rutronik podpira svoje stranke pri izbiri transformatorja, ki idealno dopolnjuje izbrano zasnovo. Včasih je potrebna izvedba po meri stranke. Za take močnostne transformatorje so vam kot razvojni partnerji na voljo proizvajalci TDK, Vishay in Pulse.
Blok 4: Krmilna in regulacijska elektronika
Blok 4 predstavlja krmilno in regulacijsko elektroniko. Mikrokrmilnik na podlagi izmerjenih vrednosti tvori krmilne signale za močnostne polprevodnike omrežnega pretvornika, pretvornika DC/DC in sinhronskega usmernika. Glede na zahteve za funkcionalno varnost so primerni krmilniki serije Infineon Traveo T2G (do ASIL B) ali Aurix A2G (do ASIL D) (tabela 6).Na poti od visokonapetostne do krmilne strani z nenevarno nizko napetostjo je treba signale galvansko ločiti. Komponente za galvansko ločitev signalov so na primer optični sklopniki proizvajalcev Vishay ali Toshiba. Vishay VOA300 je optični sklopnik za prenos analognih signalov, avtomobilska različica znanega IL300. Ima oddajno LED in par usklajenih sprejemnih PIN-fotodiod. Če je ena od sprejemnih PIN-fotodiod vključena v povratno vezavo na krmilni strani, dobimo s tem dobro linearnost prenosne tokovne karakteristike med oddajno LED in drugo sprejemno PIN-fotodiodo (tabela 7).
Visokonapetostni vtični priključki
Tukaj je treba omeniti visokonapetostne vtične priključke Amphenol (tabela 8). Omogočajo združljivost z ohišji Vehicle Interface Box podjetja Webasto, ki jih uporabljajo številni proizvajalci OEM in predelovalci.
Razvojne plošče
Tako kot pri zasnovi dvosmernega visokonapetostnega stikala za 800 V/50 A (stran 53) sodeluje oddelek Rutronik Automotive s partnerji pri referenčni zasnovi za OBC. Zasnova VN-stikala združuje funkcije klasične varovalke s funkcijami stikala. Najsodobnejši tranzistorji SiC MOSFET za 1200 V zagotavljajo majhne prevodne izgube in majhno izgubno moč, tako da zadostuje pasivno hlajenje. Do priprave nove referenčne zasnove OBC iz podjetja Rutronik lahko izvedbo dvosmernega pretvornika DC/DC moči 11 kW s topologijo CLLC in tranzistorji Cool SiC MOSFET za 1200 in 1700 V dobro ponazori sistem Infineon REF-DAB11KIZSICSYS.
Zaključek
Dolgoročni razvoj vgrajenih polnilnikov še ni zaključen: Se zaradi sodobnih komponent z visoko gostoto moči seli v polnilni kabel kot neke vrste vtični napajalnik? Bo zaradi razvoja in širjenja polnilne infrastrukture v prihodnje to le dodatna oprema? Med vožnjo je namreč le balast. Konkurirajo mu enosmerne polnilnice, ki ga obidejo, in tehnologija menjave baterij. Dokler ga bomo uporabljali, bo moral biti čim bolj učinkovit.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
