EliteSiC Lösungen für das Laden von Elektrofahrzeugen

Übersicht

Der Boom auf dem EV-Markt hat die Entwicklung verschiedener Industrien vorangetrieben, wobei EV-Ladegeräte zweifellos zu den am stärksten geförderten Anwendungen gehören. Um den wachsenden Bedürfnissen von EV gerecht zu werden, müssen mehr und schnellere Ladeinfrastrukturen geschaffen werden. Gleichzeitig müssen EV-Ladegeräte als entscheidendes Mittel zur Erreichung von Niedrigkohlenstoffzielen effizient gestaltet werden.
 
Der Trend zu höherer Leistung und größerer Effizienz in Ladmodulen wird erwartet. Durch die Verwendung geeigneter Leistungskomponenten und Topologien sowie robuster Steuerungen werden wir mehr Hochleistungsladestationen haben, die Reichweitenangst verringern und die Kohlenstoffemissionen reduzieren.

Leistungswandlungsstufen

Das DC-EV-Ladegerät besteht aus einer klassischen Leistungsverstärkung von AC-DC und DC-DC. Die Vorspannung des DC-Ladegeräts besteht aus einer dreiphasigen Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) im Boost-Modus, die in einer Vielzahl von Topologien (zwei oder drei Level) sowie uni- oder bidirektional implementiert werden kann. Siehe AND90142 - Entmystifizierung der dreiphasigen Leistungsfaktorkorrektur-Topologien um dreifache Level und Beispiel für dreifache Level-PFC-Schaltung zu verstehen. Das Spannungsniveau vom Netz 400 V - 480 V (Dreiphasig) / 110 V – 240 V (Einphasig) wird auf 500 – 1000 V (und höherzielend) hochverstärkt. Eine nachfolgende DC-DC-Isolationsstufe wandelt die Busspannung in die benötigte Ausgangsspannung um. Die Ausgangsspannung stimmt mit den EV-Batteriespannungen überein (typischerweise 400V oder 800V) und muss die Spannungsaufladeprofile abdecken. Daher kann der DC-DC-Ausgangsbereich von 150V bis zu 1000V schwanken. Spezifische Implementierungen können für das Niveau von 400 V oder 800 V optimiert werden.
 
Die Gesamtsystemeffizienz eines DC-EV-Ladegeräts liegt heutzutage bei etwa 95 %, die Hauptverluste entstehen durch die Leistungsverstärkung, Kabel, Transformator. In einem Hochleistungs-System erzeugen selbst 1 % Verluste massive Wärme, daher ist die Verbesserung der Effizienz stets ein Ziel für das Design von Ladegeräten.

DC-Wallbox (Ladegerät)

DC-Wallbox (Ladegerät) wird als Ersatz für traditionelle Niedrigleistungs-AC-Ladegeräte betrachtet, die an Orten wie Parkplätzen, Häusern, Büros usw. installiert werden. Sie muss kompakt, leicht und kostengünstig sein. Der entscheidende Vorteil der DC-Wallbox ist, dass sie die Ladeleistung definiert, anstatt sich auf einen OBC zu stützen. (AC-Ladegerät ist ein einfaches System, das einen Stromzähler und Kommunikationsschnittstellen enthält, ohne eine Hochleistungsumwandlungsstufe.) Mit der Einführung von DC-Wallboxen erwägen einige Hersteller, den OBC aus ihren zukünftigen Elektrofahrzeugen zu entfernen, um die Fahrzeugkosten zu senken. Dies würde jedoch auch Unannehmlichkeiten mit sich bringen, da AC-Ladegeräte nicht verwendet werden können.

Kommunikation

Kommunikation und Konnektivität sind Grundpfeiler von EV-Ladegeräten und erfüllen verschiedene Funktionen: zwischen gestapelten Modulen auf der Leistungsebene, CAN, PLC, RS485, abhängig von Ladegeräte-OEMs. Zwischen Fahrzeug und Ladegerät für die Ladesequenz. CAN oder PLC werden normalerweise verwendet. Externe Konnektivität für Zahlung, Serviceverwaltung, Wartung, Software-Updates, bevorzugte Kommunikationsmethoden sind BLE, Wi-Fi, 4G/5G.

Compliance und Standard

Es gibt weltweit mehrere Standards und Protokolle, die die Anforderungen an das DC-Laden definieren, wie die IEC-61851 / SAE1772, GB/T-Standards und die CHAdeMO-, Combined Charging System (CCS)- oder Tesla Supercharger-Protokolle. IEC 61000-3-2/4 definiert die Begrenzungen von Oberschwingungen in der Leistung.

Diskret vs. Powermodul

Es gibt viele Aspekte, die die Entscheidung des Kunden beeinflussen, aber für Hochleistungsprodukte wird eine Modul-Lösung besonders empfohlen, insbesondere wenn es um den parallelen Einsatz mehrerer diskreter MOSFET/IGBT geht. Der Modulansatz verbessert Aspekte wie die langfristige Leistung, die durch unausgewogene Ströme und Hitze, Schaltzeiten, Verkabelungsanschlüsse usw. verursacht wird. Lesen Sie AND9100 – Parallelschaltung von IGBTs um mehr zu erfahren.