Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak działa ładowarka do samochodów elektrycznych?

Urządzenie elektroniczne, którego schemat jest przedstawiony na rysunku okładkowym to ładowarka do samochodów elektrycznych. W niniejszym artykule omówimy zasady jej działania i przyjrzymy się opisom nadesłanym przez czytelników.
Article Image

Pomysł zadania został zaczerpnięty ze strony www.electronicdesign.com, gdzie w artykule sponsorowanym przez TI omówiono wybrane problemy związane z upowszechnianiem samochodów elektrycznych.

Podstawowym ograniczeniem jest zasięg, czyli droga, jaką można przejechać po jednym ładowaniu akumulatorów.

W związku z niedużą gęstością energii we współczesnych akumulatorach, która dla praktycznie użytecznych rozwiązań z akumulatorami litowymi nie przekracza 200Wh/kg, zasięg jest dużo mniejszy niż w przypadku wykorzystania benzyny (dla której gęstość energii jest kilkadziesiąt razy większa i wynosi około 12500Wh/kg).

Trudno jest zwiększyć zasięg, bo akumulatory mają małą gęstość energii i jak na razie nie widać perspektyw na znaczące zwiększenie tej gęstości – do tego potrzebny byłby jakiś przełomowy wynalazek – jakieś całkiem nowe akumulatory.

Zasięg zależy od liczby i masy zastosowanych akumulatorów, ale nie można przecież całego samochodu zapełnić akumulatorami. Konstruktorzy współczesnych samochodów elektrycznych i tak osiągnęli ogromny postęp i uzyskali zadziwiające wyniki, w tym zasięg. Głównie dzięki oszczędnemu gospodarowaniu dostępną energią oraz przez próby jej odzyskiwania (przy hamowaniu w zajazdach ze wzniesień). Wbrew prostym wyobrażeniom takie odzyskiwanie energii jest bardzo trudne, bo ogromne są chwilowe moce i prądy, ale to odrębna poważna kwestia.

Problem niedużego zasięgu można byłoby zlikwidować, a przynajmniej poważnie zredukować, gdyby po pierwsze gęsta była sieć stacji elektrycznego tankowania, czyli ładowania, a po drugie, gdyby akumulatory można ładować błyskawicznie, w ciągu kilku czy kilkunastu minut.

Teoretycznie sieć stacji ładowania można byłoby sprawnie zbudować, na przykład dzięki ogromnym dotacjom ze strony państwa. Pozostaje jednak poważny problem szybkiego ładowania. Problem, który ma kilka aspektów.

Jak na razie jesteśmy na początku drogi, a upowszechnienie samochodów elektrycznych wymaga rozwiązania wszystkich problemów, w tym związanych z szybkim ładowaniem.

Rys.C Ładowarki do samochodów elektrycznych - lewele wg SAE J 1772

Nie wchodząc w szczegóły, trzeba stwierdzić, że współczesne akumulatory nie są przeznaczone do szybkiego ładowania. Szereg lat temu pojawiły się informacje o akumulatorach NiMH, które można było ładować w ciągu 15 minut. Akumulatory NiMH, choć były i są wykorzystywane w samochodach elektrycznych, oferują gęstość energii rzędu 100Wh/kg, czyli o połowę mniejszą niż akumulatory litowe.

Najczęściej w samochodach stosowane są akumulatory Li-Ion (litowo-jonowe), zwykle w postaci popularnych ogniw 18650, a ostatnio także 20700 i 21700. Takie akumulatory powinny być ładowane w ciągu kilku godzin. Na pewno w ciągu kilkunastu minut nie można ich naładować, a co najwyżej podładować.

Nawet gdyby można cofnąć się do akumulatorów NiMH albo gdyby opracowane zostały inne szybko ładowane akumulatory, do rozwiązania pozostaje kolejny kłopot: potrzebne będą ładowarki o ogromnej mocy.

Jak na razie, kompleksowe rozwiązanie wymienionych problemów (a także wielu innych) jest jeszcze przed nami, jednak liczne firmy już teraz proponują rozwiązania części tych problemów. Stopniowo ustalane są też zalecenia i normy dotyczące samochodów elektrycznych i ich ładowania. Między innymi ustalono (wg SAE J 1772) trzy poziomy Level 1...3 w kwestii ładowania, jak pokazuje rysunek C.

I właśnie schemat z rysunku B pokazuje koncepcję realizacji potężnej ładowarki o specyfikacji Level 3, czyli o mocy 30...350kW. Schemat ten pochodzi z materiałów TI. Jego pełna wersja jest pokazana na rysunku C.

Ładowarka zasilana jest z sieci trójfazowej AC i pierwszym stopniem jest prostownik. Jest to omawiany niedawno w tej rubryce prostownik Vienna, który jednocześnie pełni funkcję korektora PFC. Prostownik zapewnia napięcie stałe 600...1000V, które podawane jest na dwie równolegle połączone przetwornice rezonansowe, obniżające napięcie do poziomu 250...400VDC, potrzebnego dla samochodowego zestawu akumulatorów. W samochodach elektrycznych stosowane są zestawy akumulatorów o tak wysokim napięciu, co przy wymaganych dużych mocach pozwala zmniejszyć prąd i związane z tym straty.

Rys.D Schemat ładowarki do samochodów elektrycznych

Zadanie nie było łatwe, jednak wszystkie nadesłane odpowiedzi były trafne, a analiza wnikliwa (jest to zasilacz – ładowarka bardzo dużej mocy). Kilku uczestników mistrzowsko przeanalizowało schemat. Oto jeden z takich opisów:

  1. Przetwornice „na prawo od elektrolitów” są obustronnie połączone równolegle, więc nie może tu chodzić o żadną formę redundancji. To może oznaczać tylko jedno: dostępna technologia lub względy ekonomiczne nie wystarczają na zbudowanie zasilacza w oparciu o tylko jedną przetwornicę. Moc zatem musi być potworna, intuicyjnie szacuję na jakieś 50kW. Zduplikowane przetwornice mogą pracować synchronicznie, ale najpewniej konstruktor skorzystał z przeplotu celem ograniczenia tętnień, w takim układzie to tylko kwestia sterowania.
  2. Obecność kondensatora elektrolitycznego na wyjściu wskazuje, że chcemy z zasilacza pobierać po prostu prąd stały, a nie jakieś zsyntetyzowane za pomocą PWM kształty w rodzaju |sin(t)|.
  3. Duża moc to duże straty, więc konstruktor zadbał o wysoką sprawność, decydując się na przetwornicę rezonansową. Na pierwszy rzut oka wygląda na pełnomostkową topologię LLC z prostowaniem synchronicznym, ale to może być też rezonansowy wariant DAB.
  4. Zdublowana przetwornica jest obustronnie synchroniczna, więc energia może przepływać w obie strony. Trójfazowy prostownik diodowy na wejściu całości sugeruje jednak, że ta możliwość nie jest wykorzystywana w tym układzie.
  5. Duża moc, liczba dławików i diody wskazują, że układ istotnie jest zasilany z trzech faz, przyjmuję więc 400VAC na wejściu. Ale to oznacza, że na kondensatorach połączonych szeregowo jest co najmniej 560V, a najprawdopodobniej znacznie więcej. Takie podłączenie dławików jest typowe dla bezmostkowych prostowników ze zintegrowanym trybem PFC, więc napięcie sieciowe jest najpewniej podbijane. Nie da się jednak powiedzieć do jakiej wartości, ale duża moc wskazywałaby na okolice 1000V celem zmniejszenia prądów w dalszej części układu.
  6. Wysokie napięcie pracy i niskie straty nieuchronnie implikują w przetwornicach rezonansowych MOSFET-y o niskim RDS_ON i wysokim VDS_MAX. Obecnie tylko tranzystory z węglika krzemu spełniają taką kombinacje wymagań. (...)
  7. Ta topologia PFC nie jest mi znana. Na pierwszy rzut oka przypomina Viennę, ale wariantu z kluczami AC i dzielnikiem pojemnościowym nigdy nie spotkałem.
  8. Napis „250–400” sugeruje, że napięcie wyjściowe można zmieniać w takich granicach, co nie jest potrzebne typowym odbiornikom. Odbiornik jest więc nietypowy, najprawdopodobniej szeregowo połączone ogniwa akumulatorów.

to więc ładowarka akumulatorów o potężnej mocy. Albo jest to przemysłowy UPS do serwerów, albo ładowarka do samochodu elektrycznego.

Tematyka materiału: ładowarka, akumulatory
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2020
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
kwiecień 2020
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo