Kuinka ratkaista nopean ja tehokkaan EV-latausinfrastruktuurin suunnitteluhaasteet

Sähköajoneuvojen (EV) latausratkaisut tarvitsevat joukon erilaisia tehomuunnostekniikoita, jotka tukevat vaihtovirtaratkaisuita (AC) koti- ja toimistolatureita varten sekä tasavirtalatausjärjestelmiä (DC) lataukseen pidempien maantiematkojen aikana. Kaikentyyppisten EV-latureiden yhteinen piirre on tarve sellaisille kontaktoreille, releille, liittimille ja passiivisille komponenteille, jotka tukevat latureiden käyttämiä korkeita jännitteitä ja virtoja. Niiden täytyy myös tarjota kompakti ratkaisu sekä korkea hyötysuhde nopeamman, turvallisemman, pienemmän, tehokkaamman ja joustavamman EV-latausinfrastruktuurin mahdollistamiseksi.

Korkean hyötysuhteen tarjoavien ja joustavien EV-latureiden suunnitteluun tarvitaan erilaisia kompakteja suurjännitekomponentteja. Näiltä komponenteilta vaaditaan alhaista sähkövastusta sekä luotettavaa ja turvallista toimintaa. Joissakin tapauksissa näiltä komponenteilta edellytetään myös pitkää sähköistä käyttöikää kytkimissä, vaikka ne altistuvatkin ankarille käyttöympäristöille. Joidenkin turvalaitteiden, kuten hätäkatkaisukytkimien, on oltava IP67-hyväksyttyjä. Muilla komponenteilla, kuten sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suodattimilla, virtaliitinlohkoilla ja kontaktorilla, on oltava tietyt kansainväliset suorituskykysertifikaatit.

Tämä artikkeli tarjoaa yleiskatsauksen sähköajoneuvojen AC- ja DC-laturimalleihin ja joihinkin niihin liittyviin alueellisiin standardeihin. Tässä tarkastellaan tehokkaampien EV-latureiden tarvetta ja luodaan katsaus äärimmäisen nopean latauksen (XFC) tulevaisuuteen. Lopuksi esitellään lyhyesti kontaktorien, releiden, liittimien, tehovastusten, kytkimien, EMI-suodattimien ja teholohkojen liitäntäjärjestelmien käyttötapoja EV-latausjärjestelmissä sekä annetaan linkkejä esimerkkituotteisiin TE Connectivity ‑yritykseltä.

Alueelliset standardit

Sähköajoneuvojen AC- ja DC-latausta määrittelee joukko erilaisia standardeja. Kullakin alueella on oma lähestymistapansa. Pohjois-Amerikan (NA) SAE J1772 käsittää kolme EV-lataustasoa, kun taas Euroopassa käytettävä IEC 61851 sisältää neljä lataustilaa. Kiinassa standardi on GB/T 20234 sekä AC- että DC-lataukselle, kun taas Japanissa on Japan Automobile Research Institute (JARI) ‑standardi AC-lataukselle ja CHAdeMO DC-lataukselle. AC-latausta käytetään yleensä tehon ollessa enintään noin 22 kW, kun taas DC-lataus tarjoaa enemmän tehoa. Lisäksi AC-lataus vaatii ajoneuvoon asennetun laturin (OBC), kun taas DC-laturit kytketään suoraan akkupakettiin (kuva 1). Lyhyt Pohjois-Amerikan ja Euroopan latausstandardien vertailu tarjoaa kontekstin seuraavalle osiolle, jossa käsitellään laturimalleja ja käyttötapauksia.

Kuva 1: AC-lataus käyttää OBC-laturia, kun taas DC-lataus syöttää energiaa suoraan akkuun. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Pohjois-Amerikassa on kaksi AC-lataustasoa. Tasolla 1 käytetään jopa 1,9 kW:n pistorasiaa, kun taas tasolla 2 käytetään jopa 19,2 kW:n latausasemaa. Tason 1 latureita käytetään ensisijaisesti kotitalouksissa, kun taas tason 2 latureita on asuin- ja kauppaympäristöissä. Euroopassa on kolme AC-lataustilaa. Tila 1 on kuin Pohjois-Amerikan taso 1, kun taas tila 3 on kuin Pohjois-Amerikan taso 2. Euroopassa näiden kahden tilan välissä on myös tila 2, jossa käytetään seinäpistoketta tilan 1 tavoin, mutta siinä liitäntäkaapeliin lisätään suojapiirit, joiden avulla se voi tarjota kaksinkertaisen tehon.

Nopea ei ole tarpeeksi nopea

Nopeat AC-laturit, kuten taso 2 Pohjois-Amerikassa ja tila 3 Euroopassa, ovat nopeampia kuin vaihtoehdot, joilta EV:n lataaminen täyteen vie jopa 10–12 tuntia. Nopealta AC-laturilta voi kuitenkin kulua useita tunteja tyhjentyneen akkupaketin lataamiseen, mikä on käytännöllistä pysäköitäessä auto toimistolle, kotiin tai muuhun paikkaan pitkäksi aikaa. Se ei kuitenkaan ole vieläkään tarpeeksi nopea vähentämään merkittävästi EV-kuljettajien huolta toimintamatkasta.

Tästä syystä kehitettiin suuritehoiset tilan 3 AC-laturit ja tason 4 DC-laturit. DC-pikalatauksen latausnopeus riippuu siitä, kuinka paljon virtaa laturista on saatavilla, ja akkupaketin jännitteestä. DC-pikalaturit kehitettiin aluksi 400 V:n akkupaketteja varten. 80 %:n lataustason saavuttaminen 400 V:n ja 200 A:n laturilla kestää noin 50 minuuttia. Virran nostaminen 350 ampeeriin on haastavaa, mutta siten voidaan saavuttaa 80 %:n lataustaso 400 V:n akkupaketille noin 29 minuutissa. Vaikka virran kasvattaminen lyhentää tarvittavaa latausaikaa, tarvitaan muutakin, jotta EV-lataus olisi aikaa säästävä vaihtoehto verrattuna muihin tankkausmenetelmiin. Tavoitteena on 10 minuutin latausaika – suunnilleen sama aika, joka tarvitaan polttomoottorikäyttöisen ajoneuvon polttoainesäiliön täyttämiseen.

DC-pikalatauksen seuraava vaihe tulee olemaan erittäin nopea lataus (XFC). XFC:n saavuttamiseksi akkupakettien jännitteet nousevat 400 voltista 800 volttiin, ja 1 kV:n akkupaketit siintävät horisontissa. XFC-laturitekniikkaa kehitetään tuottamaan 1 kV:n jännite 350–500 ampeerilla, jolloin latausajat laskevat 10 minuuttiin ja sen alle. XFC:n edistysaskeleiden myötä huoli toimintamatkasta jää historiaan.

XFC-tekniikan kehittämisen lisäksi suunnittelijoilta halutaan pienikokoisempia ratkaisuita ja korkeampaa hyötysuhdetta, jotka mahdollistavat turvallisemmat, pienemmät ja joustavammat EV-laturit korkeammalla hyötysuhteella. Tämä edellyttää edistyneitä komponentteja ja ratkaisuita.

Kuva 2: Sähköajoneuvojen kompaktimpien ja teholtaan korkeampien latausratkaisujen kehittämiseen tarvitaan edistyneitä komponentteja. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Ahtaisiin tiloihin pääsy

XFC-laturimalleja kehitetään käyttämällä piikarbidista (SiC) ja galliumnitridistä (GaN) valmistettuja tehopuolijohteita, jotka mahdollistavat kompaktit tehomuunnosratkaisut erittäin korkealla hyötysuhteella. Tehomuunnos on kuitenkin vain yksi osa EV-laturia.

EV-laturit tarvitsevat kompakteja ja kestäviä piirilevy- ja signaaliliittimiä ohjausta ja valvontaa varten. Ne tarvitsevat tilaa säästäviä releitä ja kontaktoreja, jotka kestävät nopeissa latausjärjestelmissä käytettävät korkeat jännitteet. EV-latureiden virtavastukset tarvitsevat korkean eristysresistanssin, matalan pintalämpötilan, erinomaisen vastuksen lämpötilakertoimen (TCR), kyvyn dissipoida suuri teho rajoitetussa tilassa sekä paloturvallisen rakenteen.

Lisävirtalähteet ja muut piirit vaativat kompakteja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suodattimia ohjauslogiikan ja valvontapiirien häiriöiden estämiseksi. IP65-luokitellut hätäkatkaisukytkimet, joiden kytkeminen vaatii riittävästi voimaa tahattoman kytkemisen estämiseksi, ovat välttämättömiä vaativissa ympäristöissä.

Tason 2 / tilan 3 AC-laturit

Seuraavassa luettelossa on joitakin keskeisiä komponentteja, joita tarvitaan tason 2 ja tilan 3 AC-laturien suunnittelussa. Luettelon numerot vastaavat alla olevassa kuvassa 3 ympyröityjä numeroita.

1. Tehoreleitä, kuten TE:n T92-sarjaa, käytetään AC-latausasemissa pääkytkiminä. Näiden DPST (Double Pole Single Throw) -releiden virtaluokitus on jopa 50 ampeeria ja ne on suunniteltu käytettäviksi äärilämpötiloissa. Malli T92HP7D1X-12 on optimoitu erinomaista lämpöteknistä suorituskykyä varten, ja sen luokitus on 50 A ja 600 VAC maksimilämpötilan ollessa jopa 85 °C.
2. TE:n Dynamic Mini ‑sarjan kaltaisia piirilevy- ja signaaliliittimiä tarvitaan mahdollistamaan piirilevyn sisäiset virta- ja signaaliyhteydet. Näissä liittimissä on napsahtava lukitusmekanismi, joka helpottaa asennusta ja huoltoa kentällä. Niiden käyttölämpötilaluokitus on −40 °C ... 125 °C, mikä vastaa AC-latauslaitteiden vaatimuksia. Esimerkiksi mallissa 1-2834461-2 on 12 liitintä 1,8 mm:n keskilinjajaolla.
3. Tehovastukset ovat tärkeitä valvonnassa, hallinnassa ja turvallisen toiminnan takaamisessa. Niissä on oltava korkea eristysresistanssi, matalat TCR-arvot, kuten 300 ppm/°C, matala pintalämpötilan nousu ja paloturvallinen rakenne. TE:n SQ-sarja, kuten 1 Ω ±5 % 5 W:n malli SQPW51R0J, sopii käytettäväksi AC-latureissa.
4. Hätäpysäytyskytkin on tärkeä osa AC-laturin turvallisuutta. TE tarjoaa PBE16-sarjan hätäpysäytyspainikkeita sekä valaistuina että valaisemattomina versioina. Nämä kytkimet täyttävät IEC 60947-5-1- ja IEC 60947-5-5 ‑standardien vaatimukset. Esimerkiksi mallilla PBES16L1CR on IP 65 -luokitus ja se vaatii 20 Newtonin (N) käyttövoiman, mikä ehkäisee virheaktivointeja.
5. Latausasemien lisävirtalähteissä tarvitaan EMI-suodattimia. Nämä ehkäisevät häiriöt virranvalvonnassa ja -hallinnassa käytettävien digitaalisten virtapiirien toiminnassa. Apuvirtalähteitä tarvitaan myös syöttämään virtaa tehopuolijohteisiin virtamuunnososassa. TE:n malli 6609065-3 on yksivaiheinen EMI-suodatin, jonka luokitus on 6 A jännitteellä 250 VAC ja taajuudella 50 tai 60 Hz.
6. Lisäksi tarvitaan sähköisiä ratkaisuja johdotukseen ja paneelien tunnistamiseen, jotta kokoonpano ja huolto olisi nopeampaa kentällä. Näiden merkintöjen on oltava helppoja asentaa ja erittäin kestäviä. Esimerkiksi TE:n PL-027008-2.5-9 on polyesteritarra, joka on suunniteltu käytettäväksi EV-latausasemien kaltaisissa sähkökaapeissa.

Kuva 3: Tason 2 ja tilan 3 AC-laturien keskeiset osat. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Nopea ja XFC DC -lataus

Tason 2 ja tilan 3 AC-latureissa tarvittavat komponentit näyttävät korkealta tasolta samanlaisilta kuin nopeissa DC-latureissa käytettävät komponentit. Näiden välillä on kuitenkin sekä hienon hienoja että ilmeisiä eroja.

AC-latausasemissa käytetään tyypillisesti releitä virranhallintaan, kun taas DC-latureissa tarvitaan kontaktoreja. Vaikka releet ja kontaktorit ovat molemmat kytkimiä, jotka käyttävät matalaa jännitettä (esim. 12 VDC) korkeajännitepiirin kytkemiseen, näissä komponenteissa käytetään erilaisia kontaktirakenteita, jotka on optimoitu eri jännite- ja virtatasoille. Releiden jänniteluokitus on yleensä enintään 600 V, kun taas kontaktorien jänniteluokitus on 800 V tai enemmän. Lisäksi releet rajoittuvat yleensä kymmeniin ampeereihin, mutta saatavilla on kontaktoreja, jotka voivat kytkeä satoja ampeereita. Esimerkiksi TE:n EV200AAANA-kontaktorin luokitus on 900 V ja 500 A, ja se soveltuu nopeisiin DC-latureihin.

DC-latureissa käytetyt signaaliliittimet ja tehovastukset eivät ole samoja kuin AC-latureissa käytettävät. DC-laturien ohjaus on kompleksisempaa, esimerkkinä tiedonsiirto EV-akkupaketin kanssa, mitä AC-malleista ei löydy. Sekä AC- että DC-latureissa on hyötyä tiheän 1,00 mm x 1,00 mm:n keskilinjajaon tarjoavien liittimien käytöstä, mutta DC-latureissa voidaan vaatia korkeampi nastamäärä, esimerkkinä 30 nastan 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP.

Lisäksi DC-latureiden korkeammilla tehotasoilla on hyötyä alumiinisista virtavastuksista, esimerkkinä TE:n HS-sarja . Nämä lankavastukset ovat erittäin stabiileja ja voivat dissipoida suuren määrän tehoa rajoitetussa tilassa suhteellisen alhaisella pintalämpötilalla. Esimerkiksi mallin HSA1010RJ luokitus on 10 Ω ±5 % ja 10 W. Sarjan muiden mallien luokitus on jopa 82 kΩ ja jopa 300 W.

Vaikka samantyyppistä hätäkatkaisukytkintä voidaan usein käyttää sekä AC- että DC-latureissa, EMI-suodattimien tapauksessa DC-laturit saattavat tarvita suurempia suodattimia tai enemmän suodattimia ratkaisusta riippuen.

Toinen ero AC- ja DC-latureiden välillä on se, että DC-laturit tarvitsevat sisäiseen virranjakeluunsa virtaliitinlohkoja, kuten TE:n kompaktit ENTRELEC-virtaliitinlohkot. Mallin CBS50-2P luokitus on 150 A ja 1 kV.

Kuva 4: Nopeat DC-laturit tarvitsevat monia samoja komponentteja kuin tason 2 ja tilan 3 AC-laturit, mutta niissä on myös joitain hienon hienoja eroja. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Yhteenveto

Edistyneet EV-laturiratkaisut ovat ratkaisevan tärkeitä, koska ne vähentävät huolta toimintamatkasta ja mahdollistavat sähköajoneuvojen laajamittaisen käyttöönoton. Nämä edistyneet laturit käyttävät korkeampaa jännitettä ja sähkövirtaa lyhentääkseen latausajan noin 10 minuuttiin, jolloin sähköajoneuvon lataus on verrattavissa polttomoottorilla varustettujen ajoneuvojen tankkausaikoihin. Kuten yllä on esitetty, suunnittelijat tarvitsevat laajan valikoiman kompakteja, tehokkaita ja ympäristöolosuhteita kestäviä komponentteja nopeita AC- ja DC-latureja sekä tulevaisuuden XFC-ratkaisuja varten.