Hur man hanterar konstruktionsutmaningar för en snabb och effektiv infrastruktur för laddning av elfordon

Laddningslösningar för elfordon kräver en rad olika teknologier för kraftomvandling för att stödja växelströmskonstruktioner för hem- och kontorsladdare, samt likströmssystem för snabbladdning vid längre bilresor. Den gemensamma nämnaren för alla typer av laddare för elfordon är behovet av en mängd olika kontaktorer, reläer, kontaktdon och passiva komponenter som är nödvändiga för att hantera de höga spänningar och strömmar som förekommer. Konstruktionerna måste även vara små och ha den höga verkningsgrad som krävs för att stödja en snabbare, säkrare, mindre, effektivare och flexiblare infrastruktur för laddning av elfordon.

För att utforma effektiva och flexibla laddare för elfordon krävs en mängd olika kompakta högspänningsenheter. Enheterna måste ha låga elektriska resistanser för tillförlitlig och säker drift. I vissa fall behöver dessa enheters omkopplare även ha en lång livslängd när de utsätts för tuffa driftsmiljöer. Vissa säkerhetsanordningar, som t.ex. nödstopp, måste vara klassificerade enligt IP67. Annat, som t.ex. filter för elektromagnetiska störningar (EMI), anslutningsplintar och kontaktorer, måste ha särskilda internationella prestandacertifieringar.

Artikeln tillhandahåller en översikt av konstruktioner för växel- och likströmsladdare för elfordon och några relaterade regionala standarder. Den granskar behovet av laddare för elfordon med högre effekt och tittar på framtiden inom extremt snabb laddning (XFC). Artikeln avslutas med en kort presentation av användningsområden för kontaktorer, reläer, kontaktdon, effektresistorer, omkopplare, EMI-filter och sammankopplingssystem för kraftanslutningar i laddningssystem för elfordon. Länkar till exempel på produkter från TE Connectivity ingår.

Regionala standarder

Det finns en mängd olika standarder som definierar växel- och likströmsladdning för elfordon. Varje region har sitt eget tillvägagångssätt. I Nordamerika beskriver SAE J1772 tre nivåer av elfordonsladdning, medan Europa använder sig av IEC 61851 som beskriver fyra laddningslägen. Standarden i Kina för både växel- och likströmsladdning är GB/T 20234, medan Japan har standarden JARI (Japan Automobile Research Institute) för växelströmsladdning och CHAdeMO för likströmsladdning. Växelströmsladdning används vanligtvis upp till cirka 22 kW, medan likströmsladdning ger mer effekt. Växelströmsladdning kräver dessutom en inbyggd laddare (OBC), medan likströmsladdare ansluts direkt till batteripaketet (figur 1). En kort jämförelse av laddningsstandarder i Nordamerika och Europa skapar ett sammanhang för nästa avsnitt om konstruktion av laddare och exempel på användning.

Figur 1: Växelströmsladdning använder en inbyggd laddare, medan likströmsladdning förser batteriet med energi direkt. (Bildkälla: TE Connectivity)

Nordamerika har två nivåer av växelströmsladdning. Nivå 1 använder ett vägguttag för att leverera upp till 1,9 kW medan nivå 2 använder en laddningsstation för upp till 19,2 kW. Laddare för nivå 1 används främst i bostäder, medan laddare för nivå 2 återfinns i bostäder och kommersiella miljöer. Europa har tre lägen för växelströmsladdning. Läge 1 är detsamma som nivå 1 i Nordamerika, medan läge 3 är detsamma som nivå 2. Europa har också ett mellanläge, läge 2, som använder en väggkontakt, som i läge 1, men lägger till skyddskretsar i anslutningskabeln så att den kan leverera dubbelt så mycket ström.

Snabbt är inte tillräckligt

Snabba växelströmsladdare, som t.ex. de för nivå 2 i Nordamerika och läge 3 i Europa, är snabbare än alternativen, som tar upp till 10 till 12 timmar att uppnå ett fullt uppladdat elfordon. Med det sagt, kan det dock fortfarande ta flera timmar att ladda upp ett urladdat batteri med snabb växelström, vilket är användbart om bilen ska stå parkerad på kontoret, i hemmet eller på en annan plats under en längre period. Men, det är ändå inte tillräckligt snabbt för att minska räckviddsångesten avsevärt hos förare av elfordon.

Det var därför som växelströmsladdare med hög effekt för läge 3 och likströmsladdare för nivå 4 utvecklades. Laddningshastigheten för snabb likströmsladdning beror på hur mycket ström som finns tillgängligt från laddaren och batteripaketets spänning. Snabbladdare för likström utvecklades ursprungligen för batteripaket på 400 V. Att uppnå en laddningsnivå på 80 % med en laddare på 400 V, 200 A tar ca 50 minuter. Att öka strömmen till 350 A är en utmaning, men det kan ladda ett batteri på 400 V till en laddningsnivå på 80 % inom cirka 29 minuter. Även om den ökade strömstyrkan minskar den nödvändiga laddningstiden, behövs det mer för att göra laddning av elfordon till ett tidseffektivt alternativ jämfört med andra tankningsmetoder. Målet är en laddningstid på tio minuter – ungefär lika lång tid som det tar att fylla bensintanken på ett fordon med en förbränningsmotor.

Nästa fas av snabbladdning med likström kommer att vara extremt snabb laddning (XFC). För att uppnå en extremt snabb laddning ökas spänningen i batteripaketen från 400 V till 800 V, och inom en snar framtid även till 1 kV. Teknologin för extremt snabb laddning utvecklas för att leverera 1 kV vid 350 till 500 A, vilket minskar laddningstiderna till mindre än 10 minuter. I och med framstegen med extremt snabb laddning kommer räckviddsångest att bli passé.

Förutom att utveckla teknologin för extremt snabb laddning pressas konstruktörer av krav på små konstruktioner och hög verkningsgrad för att kunna erbjuda säkrare, mindre, effektivare och flexiblare laddning av elfordon. Det kräver avancerade komponenter och konstruktioner.

Figur 2: Avancerade komponenter behövs för att utveckla en mindre och mer kraftfull lösning för laddning av elfordon. (Bildkälla: TE Connectivity)

Att få plats i trånga utrymmen

Laddare för extremt snabb laddning utvecklas med hjälp av halvledare av kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) som tillhandahåller högeffektiva och små lösningar för effektomvandling. Effektomvandling är dock bara en del i konstruktionen av laddare för elfordon.

Laddare för elfordon behöver kompakta och robusta kort- och signalanslutningar för styrning och övervakning. De behöver utrymmeseffektiva reläer och kontaktorer som kan hantera de högre spänningarna som förknippas med snabbare laddning. Effektresistorer i laddare för elfordon behöver hög isolationsresistans, låg yttemperatur, mycket god temperaturresistanskoefficient (TCR), förmåga att avleda hög effekt i ett begränsat utrymme och en brandsäker konstruktion.

Reservkraftsaggregat och andra kretsar är beroende av kompakta filter för elektromagnetiska störningar (EMI) för att eliminera störningar i kretsar för styrlogik och övervakning. Nödstopp med klassificering enligt IP65 och tillräcklig aktiveringskraft för att förhindra oavsiktlig aktivering är nödvändiga för att tåla tuffa miljöer.

Växelströmsladdare för nivå 2/läge 3

I följande lista beskrivs några viktiga komponenter som krävs vid konstruktion av växelströmsladdare för nivå 2 och läge 3. De angivna siffrorna motsvarar de inringade siffrorna i figur 3 nedan.

1. Effektreläer, som t.ex. serien T92 från TE, används som huvudbrytare i laddningsstationer för växelström. Dessa tvåpoliga envägsomkopplare (DPST) är klassificerade för upp till 50 A och konstruerade för användning i extrema temperaturer. Modellen T92HP7D1X-12 är optimerad för överlägsen termisk prestanda och klassificerad för 50 A och 600 V AC vid upp till 85 °C.
2. Kort- och signalanslutningar som t.ex. serien Dynamic Mini från TE behövs för att stödja ström- och signalanslutningar internt på kretskortet. Dessa kontaktdon har en hörbar positiv låsmekanism för att underlätta installation och underhåll på fältet. De är klassificerade för drift från -40 till 125 °C för att klara de krav som ställs på installationer för växelströmsladdning. Modellen 1-2834461-2 har till exempel 12 positioner på en centrumlinje om 1,8 mm.
3. Effektresistorer är viktiga för övervakning, styrning och för att garantera en säker användning. De måste ha hög isolationsresistans, låga värden för temperaturresistanskoefficient på t.ex. 300 ppm/°C, låg ökning av yttemperaturen och en brandsäker konstruktion. Serien SQ från TE, som t.ex modellen SQPW51R0J med 1 Ω ±5% 5W, är lämplig för användning i växelströmsladdare.
4. Ett nödstopp är viktigt för växelströmsladdarens säkerhet. TE erbjuder nödstopp av tryckknappsmodell i serien PBE16 med och utan belysning. Nödstoppen uppfyller kraven enligt IEC 60947-5-1 och IEC 60947-5-5. Modell PBES16L1CR är till exempel klassificerad enligt IP 65 med en aktiveringskraft på 20 Newton (N) för att undvika oavsiktlig aktivering.
5. EMI-filter behövs i laddningsstationers reservkraftsaggregat för att förhindra driftstörningar hos de digitala kretsar som används för övervakning och styrning av ström. Reservkraftsaggregat behövs också för att driva ström till effekthalvledarna i effektomvandlingsdelen. Modellen 6609065-3 från TE är ett EMI-filter för en fas som är dimensionerat för 6 A vid 250 V AC och 50 eller 60 Hz.
6. Slutligen behövs elektriska lösningar för kabelförläggning och panelidentifiering för att påskynda montering och underhåll på fältet. Etiketterna måste vara mycket hållbara och enkla att montera. PL-027008-2.5-9 från TE är en självhäftande polyesteretikett avsedd för användning i elskåp, som t.ex. laddningsstationer för elfordon.

Figur 3: Viktiga komponenter som krävs i växelströmsladdare för nivå 2 och läge 3. (Bildkälla: TE Connectivity)

Snabb och extremt snabb likströmsladdning

På en övergripande nivå verkar de typer av komponenter som behövs i växelströmsladdare för nivå 2 och läge 3 likna de som används i likströmsladdare för snabb laddning. Det finns dock några subtila och uppenbara skillnader mellan de två.

Laddningsstationer för växelström använder vanligtvis reläer för effektstyrning, medan likströmsladdare behöver kontaktorer. Även om reläer och kontaktorer båda är brytare som använder en låg spänning, som t.ex. 12 V DC, för att koppla om en krets med högre spänning, använder enheterna olika kontaktstrukturer som är optimerade för olika spännings- och strömnivåer. Reläer är normalt klassificerade för upp till 600 V, medan kontaktorer är klassificerade för mer än 800 V. Reläer är dessutom vanligtvis begränsade till tiotals ampere, medan det finns kontaktorer som kan växla vid hundratals ampere. Kontaktorn EV200AAANA från TE är till exempel klassad för 900 V och 500 A, och är lämplig för snabba likströmsladdare.

De signalanslutningar och effektresistorer som används i likströmsladdare är inte desamma som de som används i växelströmskonstruktioner. Likströmsladdare kräver mer avancerad styrning, som t.ex. kommunikation med elfordonets batteripaket, vilket inte finns i växelströmskonstruktioner. Både växel- och likströmsladdare drar nytta av kontaktdon för kort-till-kort med korta stiftavstånd och en centrumlinje på 1 x 1 mm, även om likströmsladdare kan kräva ett högre antal stift, som t.ex. 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP med 30 positioner.

De högre effektnivåerna i likströmsladdare kan dessutom dra nytta av effektresistorer med aluminiumhölje, som t.ex. serien HS från TE. Dessa trådlindade resistorer är mycket stabila och kan avleda hög effekt i ett begränsat utrymme med relativt låg yttemperatur. Modell HSA1010RJ är till exempel klassificerad för 10 Ω ±5 % och 10 W. Övriga modeller i serien är klassificerade för upp till 82 kΩ och 300 W.

Även om samma typ av nödstopp ofta kan användas för både växel- och likströmsladdare, kan likströmsladdare, när det gäller EMI-filter, behöva större eller fler filter beroende på konstruktionen.

En annan skillnad mellan växel- och likströmsladdare är att likströmsladdare kräver strömanslutningsplintar för intern kraftdistribution, som t.ex. ENTRELEC Compact Power Blocks från TE. Modellen CBS50-2P är klassificerad för 150 A och 1 kV.

Figur 4: Snabba likströmsladdare behöver många liknande komponenter som växelströmsladdare i nivå 2 och läge 3, men det finns också några subtila skillnader. (Bildkälla: TE Connectivity)

Sammanfattning

Avancerade laddare för elfordon kommer att vara avgörande för att minska räckviddsångesten och möjliggöra en storskalig utbyggnad av elfordon. Dessa avancerade laddare kommer att använda högre spänningar och strömmar för att minska laddningstiden till cirka tio minuter, vilket gör laddning av elfordon jämförbar med tiden det tar att tanka ett fordon med förbränningsmotor. Som framgår behöver konstruktörer ett stort utbud av små, effektiva och miljömässigt robusta komponenter för snabba växel- och likströmsladdare och framtida generationer av konstruktioner för extremt snabb laddning.