Hoe ontwerpuitdagingen overwinnen voor een snelle en efficiënte EV-laadinfrastructuur

Oplossingen voor het opladen van elektrische voertuigen (EV) vereisen een reeks stroomconversietechnologieën ter ondersteuning van wisselstroomontwerpen (AC) voor thuis en op kantoor en gelijkstroomsystemen (DC) voor het opladen tijdens lange autoritten. De rode draad tussen alle types EV-laders is de behoefte aan een verscheidenheid aan schakelaars, relais, connectoren en passieve componenten die nodig zijn om de aanwezige hoge spanningen en stromen te ondersteunen en om de compacte ontwerpen en hoge efficiëntie te leveren die nodig zijn om een snellere, veiligere, kleinere, efficiënte en flexibele EV-laadinfrastructuur te ondersteunen.

Het ontwerpen van efficiënte en flexibele EV-laders vereist een verscheidenheid aan compacte hoogspanningsapparaten. Deze apparaten moeten lage elektrische weerstanden leveren met een betrouwbare en veilige werking. In sommige gevallen hebben deze apparaten ook een lange elektrische levensduur nodig wanneer ze worden blootgesteld aan zware bedrijfsomgevingen. Sommige veiligheidsvoorzieningen, zoals noodstopschakelaars, moeten IP67-gekwalificeerd zijn. Andere, zoals elektromagnetische interferentiefilters (EMI), klemmenblokken en schakelaars, moeten specifieke internationale prestatiecertificaten hebben.

Dit artikel geeft een overzicht van het ontwerp van AC en DC EV-laders en enkele gerelateerde regionale normen. Er wordt gekeken naar de behoefte aan EV-laders met een hoger vermogen en naar de toekomst van extreem snel laden (XFC). Het sluit af met een korte presentatie over het gebruik van schakelaars, relais, connectoren, vermogensweerstanden, schakelaars, EMI-filters en interconnectiesystemen voor vermogensblokken in EV-laadsystemen en bevat links naar voorbeeldproducten van TE Connectivity.

Regionale normen

Er zijn verschillende standaarden die AC en DC EV-laden definiëren. Elke regio heeft zijn eigen aanpak. In Noord-Amerika (NA) beschrijft SAE J1772 drie laadniveaus voor EV's, terwijl IEC 61851 in Europa wordt gebruikt en vier laadmodi beschrijft. De standaard in China is GB/T 20234 voor zowel AC- als DC-laden, terwijl in Japan het Japan Automobile Research Institute (JARI) standaard is voor AC-laden en CHAdeMO voor DC-laden. AC-lading wordt meestal gebruikt tot ongeveer 22 kW, terwijl DC-lading meer vermogen levert. Bovendien is voor AC-opladen een onboard-lader (OBC) nodig, terwijl DC-laders rechtstreeks op de batterij worden aangesloten (Afbeelding 1). Een korte vergelijking van laadstandaarden in NA en Europa biedt context voor het volgende deel over laadontwerpen en gebruikssituaties.

Afbeelding 1: AC-lading maakt gebruik van een OBC, terwijl DC-lading de energie rechtstreeks naar de batterij voert. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

NA heeft twee laadniveaus voor wisselstroom. Level 1 gebruikt een stopcontact voor maximaal 1,9 kW, terwijl Level 2 een laadstation gebruikt voor maximaal 19,2 kW. Level 1-laders worden voornamelijk gebruikt in woningen, terwijl Niveau 2 laders worden gebruikt in woningen en commerciële omgevingen. Europa heeft drie manieren om AC op te laden. Mode 1 is als niveau 1 in NA, terwijl Mode 3 als NA niveau 2 is. Europa heeft ook een tussenvorm, Mode 2, die net als Mode 1 een wandcontactdoos gebruikt, maar beveiligingscircuits toevoegt aan de aansluitkabel waardoor deze twee keer zoveel stroom kan leveren.

Snel is niet genoeg

Snelle AC-laders, zoals Level 2 in NA en Mode 3 in Europa, zijn sneller dan de alternatieven die tot 10 tot 12 uur nodig hebben om een EV volledig op te laden. Dat gezegd hebbende, kan een snelle wisselstroomvoorziening er nog steeds enkele uren over doen om een lege accu op te laden, wat handig is als een auto voor langere tijd geparkeerd staat op kantoor, thuis of op een andere locatie. Het is echter nog steeds niet snel genoeg om de afstandsangst onder EV-bestuurders aanzienlijk te verminderen.

Daarom werden krachtige Mode 3 AC-laders en Level 4 DC-laders ontwikkeld. De laadsnelheid voor DC-snelladen is afhankelijk van de beschikbare stroom van de lader en de spanning van de batterij. DC-snelladers werden aanvankelijk ontwikkeld voor 400 V batterijpakketten. Om 80% lading te bereiken met een lader van 400 V, 200 A duurt ongeveer 50 minuten. De stroom verhogen naar 350 A is een uitdaging, maar hiermee kan een 400 V pakket in ongeveer 29 minuten voor 80% worden opgeladen. Hoewel het verhogen van de stroom de benodigde laadtijd vermindert, is er meer nodig om van het laden van EV een tijdsefficiënt alternatief te maken voor andere manieren van tanken. Het doel is een oplaadtijd van 10 minuten - ongeveer dezelfde tijd die nodig is om de gastank van een voertuig met verbrandingsmotor (ICE) te vullen.

De volgende fase van DC-snelladen zal extreem snelladen (XFC) zijn. Om tot XFC te komen, stijgen de accuspanningen van 400 V naar 800 V, met 1 kV-pakketten in het verschiet. De XFC-ladertechnologie wordt ontwikkeld om 1 kV bij 350 tot 500 A te leveren, waardoor de laadtijd wordt teruggebracht tot 10 minuten of minder. Met de vooruitgang in XFC zal de angst voor actieradius verdwijnen.

Naast de ontwikkeling van XFC-technologie, staan ontwerpers ook te springen om compacte ontwerpen en een hoge efficiëntie om veiliger, kleiner, efficiënter en flexibeler EV-laden te ondersteunen. Dat vereist geavanceerde onderdelen en geavanceerde ontwerpen.

Afbeelding 2: Er zijn geavanceerde componenten nodig om compactere en krachtigere laadoplossingen voor elektrische voertuigen te ontwikkelen. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

In krappe ruimtes komen

Er worden XFC-laderontwerpen ontwikkeld met siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) vermogenshalfgeleiders die zeer efficiënte, compacte oplossingen voor energieomzetting bieden. Stroomomzetting is echter maar één element van het ontwerp van EV-laders.

EV-laders hebben compacte en robuuste printplaten en signaalconnectoren nodig voor besturing en controle. Ze hebben ruimtebesparende relais en schakelaars nodig die de hogere spanningen aankunnen die horen bij snellere oplaadregimes. Vermogensweerstanden in EV-laders moeten een hoge isolatieweerstand hebben, een lage oppervlaktetemperatuur, een uitstekende temperatuurweerstandscoëfficiënt (TCR), de mogelijkheid om een hoog vermogen te dissiperen in een beperkte ruimte en een brandveilige constructie.

Hulpvoedingen en andere circuits zijn afhankelijk van compacte elektromagnetische interferentiefilters (EMI) om interferentie met besturingslogica en bewakingscircuits te elimineren. Noodstopschakelaars met IP65-classificatie en voldoende activeringskracht om onbedoeld schakelen te voorkomen, zijn nodig om zware omgevingen te weerstaan.

Level 2 / Modus 3 AC-laders

De volgende lijst bevat een aantal belangrijke onderdelen die nodig zijn bij het ontwerpen van niveau 2- en modus 3-laders voor wisselstroom. De vermelde nummers komen overeen met de omcirkelde nummers in Afbeelding 3 hieronder.

1. Stroomrelais, zoals de T92-serie van TE, worden gebruikt als hoofdschakelaar in AC-laadstations. Deze tweepolige enkelwerkende (DPST) relais zijn geschikt voor maximaal 50 A en ontworpen voor gebruik bij extreme temperaturen. Model T92HP7D1X-12 is geoptimaliseerd voor superieure thermische prestaties en geschikt voor 50 A en 600 Vac bij maximaal 85 °C.
2. Boord- en signaalconnectoren zoals de Dynamic Mini-serie van TE zijn nodig om de interne voedings- en signaalconnectiviteit van de printplaat te ondersteunen. Deze connectors hebben een hoorbare positieve vergrendeling om installatie en onderhoud in het veld te vergemakkelijken. Ze zijn geschikt voor temperaturen van -40 tot 125 °C om te voldoen aan de eisen van AC-laadinstallaties. Model 1-2834461-2 heeft bijvoorbeeld 12 posities op een middellijn van 1,8 mm (0,071 inch).
3. Vermogensweerstanden zijn belangrijk voor het bewaken, beheren en garanderen van een veilige werking. Ze moeten een hoge isolatieweerstand hebben, een lage TCR zoals 300 ppm/°C, een lage oppervlaktetemperatuurstijging en een brandveilige constructie. De SQ-serie van TE, zoals het 1 Ω ±5% 5 W-model SQPW51R0J, zijn geschikt voor gebruik in AC-laders.
4. Een noodstopschakelaar is belangrijk voor de veiligheid van de AC-lader. TE biedt de noodstopschakelaar met drukknop uit de PBE16-serie in verlichte en niet-verlichte versies. Deze schakelaars voldoen aan de vereisten van IEC 60947-5-1 en IEC 60947-5-5. Het model PBES16L1CR heeft bijvoorbeeld een IP 65-beschermingsgraad en een bedieningskracht van 20 Newton (N) om onbedoelde bediening te voorkomen.
5. EMI-filters zijn nodig voor de hulpvoedingen in laadstations om interferentie met de werking van de digitale circuits die worden gebruikt voor vermogensbewaking en -regeling te voorkomen. Hulpvoedingen zijn ook nodig om de vermogenshalfgeleiders in het vermogensomzettingsgedeelte van stroom te voorzien. TE's model 6609065-3 is een enkelfasig EMI-filter geschikt voor 6 A bij 250 Vac en 50 of 60 Hz.
6. Tot slot zijn er elektrische oplossingen nodig voor bedrading en paneelidentificatie om montage en onderhoud in het veld te versnellen. Deze labels moeten eenvoudig te installeren en zeer duurzaam zijn. Bijvoorbeeld, TE's PL-027008-2.5-9 is een polyester zelfklevend label ontworpen voor gebruik in schakelkasten zoals EV-laadstations.

Afbeelding 3: Belangrijkste onderdelen die nodig zijn voor wisselstroomladers van Level 2 en Mode 3. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Snel en XFC DC

Op een hoog niveau lijken de soorten componenten die nodig zijn voor Level 2- en Mode 3-wisselstroomladers vergelijkbaar met die van snelle gelijkstroomladers. Er zijn echter enkele subtiele en duidelijke verschillen tussen de twee.

AC-laadstations gebruiken meestal relais voor de stroomregeling, terwijl DC-laders contactors nodig hebben. Hoewel relais en contactors beide schakelaars zijn die een lage spanning zoals 12 Vdc gebruiken om een circuit met een hogere spanning te schakelen, gebruiken de apparaten verschillende contactstructuren die geoptimaliseerd zijn voor verschillende spannings- en stroomniveaus. Relais zijn doorgaans geschikt voor maximaal 600 V, terwijl contactors geschikt zijn voor 800 V en hoger. Bovendien zijn relais meestal beperkt tot tientallen ampères, terwijl er schakelaars verkrijgbaar zijn die honderden ampères kunnen schakelen. De EV200AAANA-contactor van TE bijvoorbeeld is berekend op 900 V en 500 A en is geschikt voor snelle DC-laders.

De signaalconnectors en vermogensweerstanden die gebruikt worden in DC-laders zijn niet dezelfde als die in AC-ontwerpen. DC-laders hebben een complexere besturing, zoals communicatie met het EV-batterijpak, die ontbreekt in AC-ontwerpen. Zowel AC- als DC-laders hebben baat bij het gebruik van bord-naar-bord fine pitch connectors met een 0,050" x 0,050" (1,00 mm x 1,00 mm) middellijn, maar DC-laders kunnen hogere pintellingen vereisen zoals de 30 positie 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP.

Bovendien kunnen de hogere vermogensniveaus in DC-laders profiteren van voedingsweerstanden met aluminium behuizing, zoals de HS-serie van TE. Deze draadgewonden weerstanden zijn zeer stabiel en kunnen een hoog vermogen dissiperen in een beperkte ruimte met een relatief lage oppervlaktetemperatuur. Model HSA1010RJ is bijvoorbeeld geschikt voor 10 Ω ±5% en 10 W. Andere modellen in de serie zijn geschikt voor maximaal 82 kΩ en maximaal 300 W.

Hoewel hetzelfde type noodstopschakelaar vaak kan worden gebruikt voor AC- en DC-laders, kunnen DC-laders in het geval van EMI-filters grotere filters of meer filters nodig hebben, afhankelijk van het ontwerp.

Een ander verschil tussen AC- en DC-laders is dat DC-laders stroomklemmen zoals de ENTRELEC Compact Power Blocks van TE nodig hebben voor de interne stroomdistributie. Het model CBS50-2P is berekend op 150 A en 1 kV.

Afbeelding 4: Snelle DC-laders hebben veel van dezelfde onderdelen nodig als AC-laders van Level 2 en Mode 3, maar er zijn ook enkele subtiele verschillen. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Conclusie

Geavanceerde ontwerpen voor EV-laders zullen van cruciaal belang zijn om de ongerustheid over de actieradius te verminderen en een grootschalige introductie van EV mogelijk te maken. Deze geavanceerde laders zullen hogere spanningen en stromen gebruiken om de laadtijd terug te brengen tot ongeveer 10 minuten, waardoor het opladen van EV's vergelijkbaar wordt met de oplaadtijd voor ICE-voertuigen. Zoals aangetoond hebben ontwerpers een breed scala aan compacte, efficiënte en milieuvriendelijke componenten nodig voor snelle AC- en DC-laders en toekomstige generaties XFC-ontwerpen.