Slik får vi bukt med konstruksjonsutfordringene forbundet med hurtig og effektiv ladeinfrastruktur for elektriske kjøretøy

Ladeløsninger for elektriske kjøretøy (EV – electric vehicle) trenger en rekke strømomformingsteknologier for å støtte konstruksjoner med AC (vekselstrøm) for hjem- og kontorladere, samt hurtigladesystemer med DC (likestrøm) for lading under lengre bilturer. Den røde tråden mellom alle ladertypene for elektriske kjøretøy, er behovet for en rekke vernebrytere (kontaktorer), reléer, kontakter og passive komponenter som er nødvendige for å støtte de høye spenningene og strømmene som er til stede, samt tilby de kompakte utformingene og høye virkningsgradene som trengs for å støtte en raskere, tryggere, mindre, effektiv og fleksibel ladeinfrastruktur for elektriske kjøretøy.

Utforming av effektive og fleksible ladere for elektriske kjøretøy krever en rekke kompakte høyspenningsenheter. Disse enhetene må levere lave elektriske motstander med pålitelig og sikker drift. I noen tilfeller trenger disse enhetene også lang levetid under elektrisk svitsjing når de utsettes for tøffe driftsmiljøer. Noen sikkerhetsanordninger, for eksempel nødstoppbrytere, må være IP67-kvalifiserte. Andre, for eksempel filtre for elektromagnetisk interferens (EMI), terminalklemmer og vernebrytere, må ha spesifikke internasjonale ytelsessertifiseringer.

Denne artikkelen vil gi en oversikt over AC- og DC-laderkonstruksjoner og noen relaterte regionale standarder. Den går gjennom behovet for kraftigere ladere for elektriske kjøretøy og ser på fremtiden for ekstrem hurtiglading (XFC – extreme fast charging). Den avslutter ved å kort presentere bruksområder for vernebrytere, reléer, kontakter, effektmotstander, brytere, EMI-filtre og strømblokkforbindelser i ladesystemer for elektriske kjøretøy, og inkluderer lenker til typiske produkter fra TE Connectivity.

Regionale standarder

Det finnes en rekke standarder som definerer AC- og DC-lading av elektriske kjøretøy. Hver region har sin egen tilnærming. I Nord-Amerika (NA) beskriver SAE J1772 tre ladenivåer av elektriske kjøretøy, mens IEC 61851 brukes i Europa og beskriver fire lademoduser. Standarden i Kina er GB/T 20234 for både AC- og DC-lading, mens Japan har JARI-standarden (JARI – Japan Automobile Research Institute) for AC-lading og CHAdeMO for DC-lading. AC-lading brukes vanligvis for opptil ca. 22 kW, mens DC-lading leverer mer strøm. I tillegg krever AC-lading en integrert lader (OBC – onboard charger), mens DC-ladere kobles direkte til batteripakken (figur 1). En kort sammenligning av ladestandarder i Nord-Amerika og Europa vil gi kontekst for neste avsnitt om laderkonstruksjoner og brukstilfeller.

Figur 1: AC-lading bruker en OBC, mens DC-lading mater energi direkte inn i batteriet. (Bildekilde: TE Connectivity)

Nord-Amerika har to nivåer med AC-lading. Nivå 1 bruker en stikkontakt for å forsyne opptil 1,9 kW, mens nivå 2 bruker en ladestasjon for opptil 19,2 kW. Nivå 1-ladere brukes hovedsakelig i boliger, mens nivå 2 er å finne i boliger og kommersielle omgivelser. Europa har tre moduser med AC-lading. Modus 1 er som nivå 1 i Nord-Amerika, mens modus 3 er som nivå 2 i Nord-Amerika. Europa har også en mellomliggende type, Modus 2, som bruker en veggplugg som Modus 1, men legger til beskyttelseskretser på tilkoblingskabelen, slik at den kan forsyne dobbelt så mye strøm.

Hurtig er ikke nok

Hurtig-AC-ladere, for eksempel Nivå 2 i Nord-Amerika og Modus 3 i Europa, er raskere enn alternativene som tar opptil 10 til 12 timer å fullade en elbil. Når det er sagt, kan hurtig AC fortsatt kreve flere timer å lade en utladet batteripakke, noe som er nyttig i tilfeller der en bil vil bli parkert på et kontor, hjemme eller et annet sted i en lengre periode. Den er imidlertid fortsatt ikke rask nok til å betydelig redusere rekkeviddeangsten til elbilførere.

Derfor ble AC-høyeffektsladere med Modus 3 og DC-ladere med Nivå 4 utviklet. Ladehastigheten for DC-hurtiglading avhenger av hvor mye strøm som er tilgjengelig fra laderen og spenningen til batteripakken. DC-hurtigladere ble opprinnelig utviklet for batterier på 400 V. For å oppnå 80 % lading med en lader på 400 V og 200 A, kreves omtrent 50 minutter. Å øke strømmen til 350 A er en utfordring, men hvis det gjøres kan en batteripakke på 400 V lades til 80 % på omtrent 29 minutter. Selv om en økning av strømmen reduserer den nødvendige ladetiden, skal det mer til for å gjøre lading av elektriske kjøretøy til et tidseffektivt alternativ sammenlignet med andre drivstoffmetoder. Målet er en ladetid på 10 minutter – omtrent hvor lang tid som trengs for å fylle bensintanken på et kjøretøy med forbrenningsmotor (ICE – internal combustion engine).

Den neste fasen av DC-hurtiglading, er ekstrem hurtiglading (XFC – extreme fast charging). For å oppnå XFC, øker batterispenningene fra 400 V til 800 V, og batteripakker på 1 kV er å skimte i horisonten. XFC-laderteknologi utvikles for å levere 1 kV ved 350 til 500 A, noe som vil resultere i ladetider på ned til 10 minutter eller mindre. Med fremskrittene innen XFC, vil rekkeviddeangst bli et foreldet ord.

I tillegg til å utvikle XFC-teknologi, utfordres konstruktører til å utvikle kompakte konstruksjoner med høy virkningsgrad for å støtte tryggere, mindre, mer effektiv og fleksibel lading av elektriske kjøretøy. Dette krever avanserte komponenter og avanserte konstruksjoner.

Figur 2: Avanserte komponenter er nødvendig for å utvikle mer kompakte og kraftige ladeløsninger for elektriske kjøretøy. (Bildekilde: TE Connectivity)

Få plass i trange rom

XFC-laderkonstruksjoner utvikles ved å bruke effekthalvledere av silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN), som leverer svært effektive, kompakte løsninger for strømomforming. Strømomforming er imidlertid bare ett element i utviklingen av ladere for elektriske kjøretøy.

Ladere for elektriske kjøretøy trenger kompakte og robuste kort- og signalkontakter for styring og overvåking. De trenger plassbesparende reléer og vernebrytere som kan håndtere de høyere spenningene som er forbundet med raskere ladesystemer. Strømmotstander i ladere for elektriske kjøretøy trenger høy isolasjonsmotstand, lav overflatetemperatur, utmerket TCR-ytelse (TCR – temperature coefficient of resistance – temperaturkoeffisient for motstand), evnen til å avlede høy effekt i et begrenset rom og brannsikker konstruksjon.

Ekstra strømforsyninger og andre kretser er avhengige av filtre for kompakt elektromagnetisk interferens (EMI) for å eliminere interferens med styringslogikk og overvåkingskretser. Nødstoppbrytere med IP65-klassifisering og nok aktiveringsmotstand for å forhindre utilsiktet svitsjing, er nødvendig for å tåle tøffe omgivelser.

AC-ladere med Nivå 2 / Modus 3

Følgende liste beskriver noen viktige komponenter som kreves under konstruksjon av AC-ladere med Nivå 2 og Modus 3. De oppførte tallene korresponderer med tallene som er sirklet i figur 3 nedenfor.

1. Strømreléer, for eksempel TE sin T92-serie, brukes som hovedbryter i AC-ladestasjoner. Disse topolede enveisreléene (DPST – two-pole single-throw) er klassifisert for opptil 50 A og konstruert for bruk i ekstreme temperaturer. T92HP7D1X-12-modellen er optimalisert for overlegen termisk ytelse og er klassifisert for 50 A og 600 Vac ved opptil 85 °C.
2. Kort- og signalkontakter som TE sin Dynamic Mini-serie er nødvendig for å støtte intern kretskortstrøm og signaltilkobling. Disse kontaktene inkluderer en hørbar klikklåsemekanisme som kan gjøre installasjon og vedlikehold ute i felten enklere. De er klassifisert for drift fra –40 til 125 °C for å støtte kravene til AC-ladeinstallasjoner. For eksempel har 1-2834461-2-modellen 12 posisjoner med en pinneavstand på 1,8 mm (0,071 tommer).
3. Strømmotstander er viktige for å overvåke, administrere og sikre trygg drift. De må ha høy isolasjonsmotstand, lave TCR-verdier som 300 ppm/°C, lav overflatetemperaturstigning og brannsikker konstruksjon. TE sin SQ-serie, for eksempel 5W-modellen på 1 Ω ±5 % SQPW51R0J, er egnet for bruk i AC-ladere.
4. En nødstoppbryter er viktig for AC-laderens sikkerhet. TE tilbyr PBE16 serien, en trykknapp-nødstoppbryter i opplyste og ikke-opplyste versjoner. Disse bryterne oppfyller kravene i IEC 60947-5-1 og IEC 60947-5-5. For eksempel er PBES16L1CR-modellen IP 65-klassifisert med en aktiveringsmotstand på 20 Newton (N) for å unngå utilsiktet aktivering.
5. EMI-filtre er nødvendig for hjelpestrømforsyninger i ladestasjoner for å hindre forstyrrelser i driften av de digitale kretsene som brukes til strømovervåking og -styring. Ekstra strømforsyninger er også nødvendig for å drive strøm for effekthalvlederne i strømomformingsdelen. TE sin 6609065-3-modell er et enfaset EMI-filter klassifisert for 6 A ved 250 Vac og 50 eller 60 Hz.
6. Til slutt er det behov for elektriske løsninger for kabling og panelidentifikasjon for å få fart på montering og vedlikehold ute i felten. Disse etikettene må være enkle å installere og svært holdbare. For eksempel er TE sin PL-027008-2.5-9 en etikett med polyesterlim utviklet for bruk i elektriske skap, for eksempel ladestasjoner for elektriske kjøretøy.

Figur 3: Viktige komponenter som trengs for AC-lading med Nivå 2 og Modus 3. (Bildekilde: TE Connectivity)

Hurtig og XFC DC

Fra et generelt ståsted kan komponenttypene som trengs for AC-ladere med Nivå 2 og Modus 3 se ut til å ligne på de som brukes i hurtig-DC-ladere. Det er imidlertid noen subtile og åpenbare forskjeller mellom de to.

AC-ladestasjoner bruker vanligvis reléer for strømstyring, mens DC-ladere trenger vernebrytere. Selv om både reléer og vernebrytere er brytere som bruker lav spenning, for eksempel 12 Vdc, til å svitsje en høyere spenningskrets, bruker enhetene forskjellige kontaktstrukturer som er optimalisert for forskjellige spennings- og strømnivåer. Reléer er vanligvis klassifisert for opptil 600 V, mens vernebrytere er klassifisert for 800 V og høyere. I tillegg er reléer vanligvis begrenset til noen titalls ampere, mens vernebrytere som kan svitsje hundrevis av ampere er tilgjengelige. TE sin EV200AAANA-vernebryter er for eksempel klassifisert for 900 V og 500 A, og er egnet for hurtig-DC-ladere.

Signalkontaktene og effektmotstandene som brukes i DC-ladere, er ikke de samme som de som brukes i AC-konstruksjoner. DC-ladere involverer mer kompleks styring, for eksempel kommunikasjon med batteripakken i det elektriske kjøretøyet, noe som ikke finnes i AC-konstruksjoner. Både AC- og DC-ladere drar nytte av å bruke kort-til-kort-kontakter med liten pinneavstand, en senterlinje på 1,00 mm x 1,00 mm (0,050 x 0,050 tommer), men DC-ladere kan kreve høyere pinneantall, for eksempel 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP med 30 posisjoner.

I tillegg kan de høyere effektnivåene i DC-ladere dra nytte av effektmotstander i aluminiumskapslinger, for eksempel HS-serien fra TE. Disse trådviklede motstandene er svært stabile og kan avlede høy effekt i et begrenset rom med relativt lav overflatetemperatur. HSA1010RJ-modellen, for eksempel, er klassifisert for 10 Ω ±5 % og 10 W. Andre modeller i serien er klassifisert for opptil 82 kΩ og opptil 300 W.

Selv om samme type nødstoppbryter ofte kan brukes for AC- og DC-ladere, kan DC-ladere, når det gjelder EMI-filtre, trenge større filtre eller flere filtre avhengig av konstruksjonen.

En annen forskjell mellom AC- og DC-ladere, er at DC-ladere krever strømrekkeklemmer, for eksempel ENTRELEC Compact Power Blocks fra TE, for intern strømfordeling. CBS50-2P er klassifisert for 150 A og 1 kV.

Figur 4: Hurtig-DC-ladere trenger mange av de samme komponentene som AC-ladere med Nivå 2 og Modus 3, men det er også noen små forskjeller. (Bildekilde: TE Connectivity)

Konklusjon

Avanserte laderkonstruksjoner for elektriske kjøretøy vil være avgjørende for å redusere rekkeviddeangst og muliggjøre distribusjon av elektriske kjøretøy i stor skala. Disse avanserte laderne vil bruke høyere spenninger og strømmer for å redusere ladetider til ca. 10 minutter, noe som gjør lading av elektriske kjøretøy sammenlignbar med tiden det tar å fylle en bensinbil. Som vist, trenger konstruktører et bredt utvalg av kompakte, effektive og miljømessig robuste komponenter for hurtigladere med AC og DC og fremtidige generasjoner med XFC-konstruksjoner.