Πώς να γίνουν οι μελλοντικοί σταθμοί φόρτισης πιο αποτελεσματικοί, εξαιρετικά αξιόπιστοι και ασφαλέστεροι
Η παγκόσμια υιοθέτηση υβριδικών και ηλεκτρικών οχημάτων εξαρτάται από το δίκτυο των διαθέσιμων σταθμών EV ταχείας φόρτισης. Οι χρήστες δεν θέλουν να ξεμείνουν από επιλογές όταν πρέπει να επαναφορτίσουν τα οχήματά τους.
Η ευρεία υιοθέτηση εξαρτάται επίσης από τη μείωση του χρόνου φόρτισης, με στόχο οι χρόνοι φόρτισης των EV να πλησιάζουν τον χρόνο που απαιτείται για μια συμβατική πλήρωση ορυκτών καυσίμων. Αυτή η απαίτηση ορίζει ότι οι σταθμοί φόρτισης υψηλής ισχύος έχουν ισχύ φόρτισης άνω των 50 kW και η πρόκληση είναι ότι αυτοί οι τύποι σταθμών γρήγορης φόρτισης είναι σχετικά πιο ακριβοί.
Δεδομένης της αυξανόμενης σημασίας των σταθμών ταχείας φόρτισης, της ζήτησης για υψηλότερα επίπεδα ισχύος και της σημαντικής επένδυσης για την παροχή και των δύο, είναι σημαντικό οι σχεδιαστές συστημάτων φόρτισης EV να σχεδιάζουν αυξημένη απόδοση, αξιοπιστία και ασφάλεια.
- Αποδοτικότητα. Τα συστήματα γρήγορης φόρτισης DC πρέπει να μετατρέπουν την ισχύ αποτελεσματικά. Είναι σημαντικό να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες μετατροπής ισχύος για να διασφαλιστεί η μέγιστη παροχή ισχύος για τη φόρτιση των μπαταριών του οχήματος, με ταυτόχρονη μείωση της συσσώρευσης θερμότητας.
- Αξιοπιστία. Μετά την εγκατάσταση, ο εξοπλισμός φόρτισης EV πρέπει να λειτουργεί αξιόπιστα για τουλάχιστον δέκα χρόνια, ακόμη και σε πολύ σκληρές εξωτερικές συνθήκες, για να διασφαλιστεί αποδεκτή απόδοση της επένδυσης.
- Ασφάλεια. Πάνω απ’ όλα, η ασφάλεια των χρηστών είναι πρωταρχικής σημασίας. Μέχρι πρόσφατα, το κοινό δεν είχε πρόσβαση σε ρεύμα υψηλότερο από αυτό που είναι διαθέσιμο από τις πρίζες στα σπίτια του. Η εμφάνιση των σταθμών φόρτισης DC το άλλαξε αυτό, καθιστώντας διαθέσιμα 400 έως 1.000 V DC. Οι φορτιστές EV πρέπει να προστατεύουν τους καταναλωτές από την απειλή ηλεκτροπληξίας και άλλους κινδύνους.
Αποδοτικότητα
Οι ημιαγωγοί ισχύος μετατρέπουν την ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος στην ισχύ συνεχούς ρεύματος που απαιτείται για την επαναφόρτιση των μπαταριών ενός οχήματος. Η συσκευή ημιαγωγού ισχύος ελέγχει τη φόρτιση μεταβαίνοντας για να ταιριάζει με το επίπεδο φόρτισης με αυτό που απαιτεί η μπαταρία του οχήματος, κάτι που φυσικά προκαλεί απώλειες ισχύος με τη μορφή θερμότητας. Αυτή η θερμότητα μπορεί να δημιουργήσει προκλήσεις μηχανικής σε μια εφαρμογή φόρτισης EV.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η χρήση προηγμένων συσκευών που βασίζονται σε τεχνολογίες SiC και GaN στη μετατροπή ισχύος είναι λογική. Σε σύγκριση με τις συσκευές πυριτίου, παρέχουν εξαιρετικά γρήγορη εναλλαγή που οδηγεί σε μικρότερες απώλειες ισχύος.
Τα SiC MOSFET που συνδυάζουν υψηλές τάσεις λειτουργίας και γρήγορες ταχύτητες μεταγωγής είναι πλέον διαθέσιμα, ένας συνδυασμός που δεν συναντάται με τα παραδοσιακά τρανζίστορ ισχύος. Οι εφαρμογές φόρτισης αυτοκινήτων πρέπει να λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες και να διαθέτουν χαμηλή αντίσταση πύλης, χαμηλή χωρητικότητα εξόδου, χαμηλή φόρτιση πύλης και εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση. Οι σχεδιαστές σταθμών φόρτισης προτιμούν συσκευές που προσφέρουν υψηλή πυκνότητα ισχύος και μειώνουν το μέγεθος και το βάρος των εξαρτημάτων, μειώνοντας το κόστος και τις απαιτήσεις χώρου.
Αξιοπιστία
Οι σταθμοί φόρτισης DC είναι ακριβοί σε σύγκριση με φορητές συσκευές που έχουν κατασκευαστεί για τρία έως πέντε χρόνια ζωής, επομένως οι τελικοί χρήστες τους χρειάζονται λειτουργικούς για περισσότερο από δέκα χρόνια ώστε να έχουν αποδεκτή απόδοση επένδυσης. Το κόστος περιεχομένου ημιαγωγών κυμαίνεται από 350 $ σε φορτιστές AC έως πάνω από 3.500 $ σε ένα σύστημα φόρτισης 350 kW. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η σωστή προστασία κυκλώματος είναι τόσο σημαντική: θα διατηρήσει την αξιόπιστη λειτουργία για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Οι ημιαγωγοί συνήθως κατασκευάζονται από πυρίτιο ή καρβίδιο του πυριτίου και έχουν χαμηλή θερμική αντοχή, καθιστώντας τους έτσι πολύ ευαίσθητους σε ηλεκτρικές απειλές. Πρέπει να προστατεύονται από υπερένταση με ασφάλειες.
Ενώ οι συμβατικές ασφάλειες μπορούν να προστατεύσουν τις περισσότερες συσκευές, απαιτούνται εξειδικευμένες ασφάλειες DC υψηλής ταχύτητας για την προστασία των MOSFET, IGBT, θυρίστορ και διόδων που χρησιμοποιούνται σε μετατροπείς ισχύος (ανορθωτές, μετατροπείς κ.λπ.). Και λειτουργούν πολύ γρήγορα σε σύγκριση με τις παραδοσιακές ασφάλειες εισόδου AC.
Η υπέρταση είναι άλλη μια απειλή για τους ευαίσθητους ημιαγωγούς. Για παράδειγμα, ένας φορτιστής EV κοντά σε μια βιομηχανική εγκατάσταση που χρησιμοποιεί μεγάλους κινητήρες μπορεί να παρουσιάσει υπερτάσεις στην παροχή ρεύματος που προκαλούνται από την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση αυτών των κινητήρων. Επιπλέον, οι κεραυνοί κοντά στο σταθμό φόρτισης έχουν ως αποτέλεσμα ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που μπορεί να προκαλέσει κύμα τάσης στις γραμμές τροφοδοσίας της γειτονιάς που θα μπορούσε να διαδοθεί στον φορτιστή μέσω των γραμμών εισόδου εναλλασσόμενου ρεύματος. Για να απορροφήσει αυτή την ενέργεια, ο σταθμός φόρτισης πρέπει να χρησιμοποιεί προστασία υπέρτασης για να αποτρέψει τη ζημιά στα ευαίσθητα ηλεκτρονικά που κάνουν τον φορτιστή να λειτουργεί.
Ασφάλεια
Οι δύο μεγαλύτερες απειλές για την ασφάλεια ενός σταθμού φόρτισης EV είναι η ηλεκτροπληξία και το υπερβολικό ρεύμα. Η ηλεκτροπληξία είναι συνήθως αποτέλεσμα σφάλματος γείωσης.
Ηλεκτρικό σοκ
Ένα σφάλμα γείωσης είναι μια ακούσια επαφή μεταξύ ενός ενεργοποιημένου αγωγού και της γείωσης ή του πλαισίου του εξοπλισμού. Η βλάβη της μόνωσης είναι ο τυπικός ένοχος. Επίσης, η σκόνη και η υγρασία μπορεί να προκαλέσουν ακούσιες οδούς για την ηλεκτρική ενέργεια. Τα υγρά και σκονισμένα περιβάλλοντα, όπως αυτά που βρίσκονται γύρω από εξοπλισμό εξωτερικού χώρου, απαιτούν επιμέλεια στο σχεδιασμό.
Απαιτείται προστασία από γείωση εναλλασσόμενου ρεύματος στην πλευρά εισόδου του σχεδιασμού για την προστασία των εξαρτημάτων από ζημιά και των καταναλωτών από ηλεκτροπληξία εάν το πλαίσιο ή το περίβλημα του εξοπλισμού ενεργοποιηθεί. Μια συσκευή προστασίας από σφάλματα γείωσης χρησιμοποιεί έναν μετασχηματιστή ρεύματος στους αγωγούς φάσης για να διασφαλίσει ότι όλο το ρεύμα που προέρχεται από την πηγή επιστρέφει στους ίδιους αγωγούς ή διαβάζει το ρεύμα στη σύνδεση μεταξύ του ουδέτερου μετασχηματιστή και της γείωσης. Ένα σφάλμα γείωσης οπουδήποτε στο σύστημα θα επιστρέψει ρεύμα μέσω αυτής της διαδρομής.
Ομοίως, απαιτείται προστασία γείωσης στην πλευρά εξόδου, έτσι ώστε όταν ένας καταναλωτής παίρνει ένα ακροφύσιο ικανό 1.000 V, η λαβή ή το πλαίσιο να μην ενεργοποιείται. Ένα μόνιτορ γείωσης DC είναι εγκατεστημένο στην πλευρά εξόδου για να ανιχνεύει τυχόν διαρροή γείωσης και να διακόπτει αμέσως την τροφοδοσία. Καθώς η πλευρά εξόδου δεν είναι γειωμένη, η οθόνη σφαλμάτων γείωσης εξαρτάται από μια μονάδα αναφοράς γείωσης μεταξύ των δύο διαύλων για να δημιουργήσει ένα ουδέτερο σημείο, το οποίο χρησιμοποιείται ως αναφορά για τον εντοπισμό σφαλμάτων γείωσης χαμηλής στάθμης.
Υπέρταση
Από τη φύση τους, οι σταθμοί φόρτισης οχημάτων συνδέονται με τροφοδοτικό που έχει υψηλό διαθέσιμο ρεύμα σφάλματος. Τα ηλεκτρικά σφάλματα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που ξεκινούν σφάλματα γείωσης, μπορούν να αντλήσουν υψηλό ρεύμα που μπορεί να είναι πολύ καταστροφικό, να καταστρέψει εξαρτήματα, να προκαλέσει πυρκαγιές, ακόμη και να προκαλέσει περιστατικό λάμψης τόξου – ένα είδος έκρηξης που θα μπορούσε να τραυματίσει ή να σκοτώσει οποιονδήποτε στέκεται πλησίον.
Επιλέξτε τις ασφάλειες με βάση την ικανότητα διακοπής, την ονομαστική τους ικανότητα με βάση το κανονικό ρεύμα λειτουργίας και τα χαρακτηριστικά της καμπύλης χρόνου-ρεύματος. Οι “ασφάλειες περιορισμού ρεύματος” λειτουργούν γρήγορα σε περίπτωση υπέρτασης υψηλής τιμής, το οποίο περιορίζει το μέγιστο ρεύμα διέλευσης.
Αν δεν διακοπεί γρήγορα, ακόμη και μέτρια υπέρταση μπορεί να υπερθερμάνει τα εξαρτήματα του συστήματος, καταστρέφοντας τη μόνωση και τους αγωγούς. Ωστόσο, η χειρότερη ζημιά θα είναι τα πολλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, τα οποία είναι επιρρεπή σε υπερβολικά ρεύματα χαμηλής τιμής.
Κάντε την προστασία κυκλώματος μια πρόβλεψη, όχι μια εκ των υστέρων σκέψη, στη σχεδίαση σταθμών φόρτισης DC
Οι σημερινές συσκευές προστασίας κυκλωμάτων περιλαμβάνουν πολλές διαφορετικές τεχνολογίες, η καθεμία με συγκεκριμένες λύσεις εφαρμογής στο μυαλό. Ενώ πολλές συσκευές μπορεί να λειτουργούν, η επιλογή ενός στοιχείου με την ιδανική τεχνολογία για την εφαρμογή είναι καλύτερη.
Σε ένα σύστημα φόρτισης συνεχούς ρεύματος, οι δίοδοι καταστολής μεταβατικής τάσης (TVS) υψηλής ισχύος ή τα βαρίστορ μεταλλικού οξειδίου (MOV) προσφέρουν συνήθως τον καλύτερο τύπο καταστολής. Συχνά προσδιορίζονται άλλα είδη προστατευτικών – όπως σωλήνες εκκένωσης αερίου (GDT), προστατευτικά θυρίστορ και βαρίστορ πολλαπλών στρωμάτων (MLV) ή συνδυασμοί συσκευών καταστολής.
Όταν προστατεύετε ευαίσθητα κυκλώματα, είναι σημαντικό να γνωρίζετε τον χρόνο που χρειάζεται ένας παροδικός καταστολέας για να αρχίσει να λειτουργεί. Για παράδειγμα, εάν ο καταστολέας είναι βραδείας δράσης και εμφανιστεί μια μεταβατική ταχεία άνοδος στο σύστημα, η τάση στο προστατευμένο φορτίο μπορεί να αυξηθεί και να προκαλέσει σοβαρή ζημιά πριν ξεκινήσει η καταστολή.
