Energiespeichersysteme zur Beschleunigung der Entwicklung von Schnellladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge einsetzen

Laut den Markttrends werden Elektrofahrzeuge (EVs) einen zunehmenden Marktanteil erobern und schließlich Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ersetzen. In Zukunft werden DC-Schnellladestationen die Tankstellen ersetzen oder integrieren, die von erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft betrieben werden. Ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen wird die Möglichkeit sein, Fahrzeuge in weniger als 15 Minuten aufzuladen. Dieser Artikel untersucht die Rolle von Energiespeichersystemen in der Infrastruktur für das schnelle Laden von Elektrofahrzeugen und stellt verwandte Lösungen von ADI vor. 

Der Automobilmarkt erfährt eine rasante Transformation, mit Prognosen, die ein explosionsartiges Wachstum bei den Verkäufen von Elektrofahrzeugen vorhersagen - bis 2025 sollen 10 Millionen Einheiten erreicht werden und bis 2040 mehr als 50 Millionen, wenn der Gesamtfahrzeugabsatz voraussichtlich 100 Millionen erreicht. Das bedeutet, dass bis 2040 50% aller verkauften Fahrzeuge voll elektrisch sein werden.

Um die steigende Nachfrage nach EV-Ladungen zu decken, sind lokale Netzleistungsspitzen von über 1 MW erforderlich, was die bestehende Infrastruktur überfordern könnte. Es werden erhebliche Investitionen notwendig sein, um Übertragungsleitungen und zentrale Kraftwerke zu modernisieren, um die erhöhte Grundlast bewältigen zu können. Da diese Last impulsiv ist, muss sie mit der intermittierenden Energie aus erneuerbaren Quellen wie Solar- und Windenergie kombiniert werden.

Energiespeichersysteme bieten eine elegante Lösung für diese Herausforderung. Durch die Speicherung elektrischer Energie in Batterien mittels Elektronen- und Chemieverfahren kann diese Energie genutzt werden, um das Laden von Elektrofahrzeugen zu verbessern, das Netz zu stabilisieren, indem Leistungsspitzen geglättet werden, oder um während eines Stromausfalls als Notstromversorgung zu dienen.

Für den Bedarf an EV-Ladung kann langsames Übernachtladen zu Hause mit einfachen Wandboxen oder, für Haushalte mit Solargenerationssystemen und Speicherbatterien, mit mehrkilowatt DC-Ladegeräten erreicht werden. Wenn E-Fahrzeuge unterwegs sind, kann schnelles Laden über öffentliche Ladesäulen oder super schnelles Laden an zukünftigen Tankstellen erreicht werden.

In einer Zukunft, die durch intermittierende Leistungsanforderungen geprägt ist, stellt die Integration von Elektrofahrzeugen und intermittierenden Energiequellen wie Solar- und Windenergie in das Netz Herausforderungen dar. Beispielsweise erfordern intermittierende Lasten wie Elektrofahrzeuge aufgerüstete Übertragungsleitungen, um höhere Leistungsspitzen zu bewältigen.

Unter Berücksichtigung aller potenziellen Anwendungen wird prognostiziert, dass der Markt für Energiespeichersysteme bis 2045 über 1.000 GW in der Stromerzeugung und 2.000 GWh in der Kapazität übersteigen wird, ein dramatischer Anstieg im Vergleich zu den heutigen 10 GW/20 GWh. Innerhalb dieses Wachstums stellen Energiespeichersysteme für die EV-Ladeinfrastruktur eine enorme Marktchance dar.

Private und öffentliche AC-Ladeinfrastruktur, obwohl einfach, ist leistungslimitiert. Level 1 AC-Ladegeräte arbeiten bei 120 V mit einer maximalen Leistung von 2 kW, während Level 2-Ladegeräte 240 V und 20 kW erreichen. In beiden Fällen übernimmt das Onboard-Ladegerät die AC-zu-DC-Umwandlung. Wandboxen AC-Ladestationen funktionieren mehr als Mess- und Schutzgeräte denn als Ladegeräte. Aufgrund von Kosten-, Größen- und Gewichtsbeschränkungen sind Onboard-Ladegeräte für Autos normalerweise unter 20 kW bewertet.

Im Gegensatz dazu ermöglicht das DC-Laden eine leistungsstärkere EV-Ladung. Level-3-Ladegeräte sind für bis zu 450 V DC und 150 kW ausgelegt, während die neuesten Supercharger (entspricht Level 4) über 800 V und 350 kW hinausgehen. Aus Sicherheitsgründen ist das Spannungsgrenzwert auf 1.000 V DC festgesetzt, wenn der Ausgabestecker mit dem Fahrzeug verbunden ist. Bei DC-Ladegeräten erfolgt die Leistungsumwandlung im Ladepfosten, und die DC-Ausgabe verbindet den Pfosten direkt mit der Fahrzeugbatterie, wodurch das Bordladegerät überflüssig wird und Platz und Gewicht gespart werden. Während dieser Übergangsphase, in der die EV-Ladeinfrastruktur weiterhin fragmentiert ist und je nach Region/Land variiert, beinhalten die meisten E-Fahrzeuge jedoch ein kleines 11 kW-Bordladegerät, um bei Bedarf das Laden über AC-Steckdosen zu ermöglichen.

In modernen Leistungselektronik-Designs erzielen Wandler, die auf Siliziumkarbid (SiC) Leistungsmosfets basieren, hohe Effizienz. Im Vergleich zu Silizium-isolierten Gate-Bipolartransistoren (IGBTs) verbessern sie die Effizienz um 5% (bei maximaler Last) bis 20% (bei Teillast). Beispielsweise reduziert ein 500 kW Photovoltaik-Wechselrichter mit 5% höherer Effizienz die Verluste um 25 kW oder erhöht die Leistung um 25 kW - dies entspricht dem Energieverbrauch von fünf Haushalten oder der Leistung einer großen Wärmepumpe, die im Sommer Warmwasser bereitstellt oder ein Ladegebäude kühlt.

Für Gleichstrom-Ladesäulen und Ladegeräte für Energiespeichersysteme sind zwei Designansätze möglich: die Verwendung großer monolithischer Leistungswandler mit einer Leistung von über 100 kW oder viele kleine Wandler mit einer Leistung von 25 kW bis 50 kW parallel. Beide Lösungen haben Vor- und Nachteile. Heute bevorzugt der Markt viele kleine Wandler aufgrund von Skaleneffekten und vereinfachtem Design. Ein intelligentes Energiemanagementsystem ist jedoch essenziell.

Selbst bei diesen DC-DC-Wandlern bietet der Wechsel von Silizium-IGBTs zu SiC-MOSFETs erhebliche Effizienzgewinne, Platzersparnis und Gewichtsreduktion, wenn auch zu einem etwas höheren Preis - derzeit 25% mehr, mit der Erwartung, innerhalb der nächsten fünf Jahre auf 5% zu sinken. Die Effizienzgewinne allein können diese Kostensteigerung ausgleichen. In einem PFC-Wechselrichter bedeutet eine Effizienzsteigerung von 5% bei 1 MW eine Einsparung von 50 kW, insgesamt 250 kW über das gesamte System. Dies entspricht dem Hinzufügen eines zusätzlichen Ladepfahls oder einer besseren Anpassung des Energieverbrauchs an die tatsächliche Lastanforderung.

Das Ansteuerungsverfahren für SiC-MOSFETs ist entscheidend für die Erreichung der erforderlichen Schaltfrequenz, die die Systemgestaltungskosten (beeinflusst durch die MOSFETs, die Spulen und die Induktivitäten) mit der Effizienz ausgleicht. Entwickler zielen auf Schaltfrequenzen zwischen 50 kHz und 250 kHz ab. Die Anforderungen an Gate-Treiber werden strenger, insbesondere in Bezug auf kürzere Ausbreitungsverzögerungen und verbesserten Kurzschlussschutz.

Um den Anforderungen von Leistungantriebsanwendungen gerecht zu werden, bietet ADI den ADuM4136, einen isolierten Gate-Treiber mit fortschrittlicher iCoupler®-Technologie. Diese Isolierung ermöglicht eine gemeinsame Modus-Frequenzimmunität (CMTI) von 150 kV/µs, wodurch SiC-MOSFETs mit Hunderten von kHz angesteuert werden können. Mit Funktionen wie Sättigungsschutz für die Fehlerverwaltung können Entwickler einzelne oder parallele SiC-MOSFETs bis zu 1.200 V zuverlässig antreiben. Der ADuM4136 ist optimiert für das Ansteuern von IGBTs und unterstützt unipolare oder bipolare Sekundärversorgungen, einschließlich negativer Gate-Ansteuerung, falls erforderlich.

Ein isolierter Gate-Treiber benötigt eine Stromversorgung. Die Kombination aus dem ADuM4136 Gate-Treiber und dem LT3999 Push-Pull-Controller bildet einen rauscharme, hocheffiziente Baustein für das Management von SiC-MOSFETs. Der LT3999 steuert eine bipolare isolierte Stromversorgung für den ADuM4136. Sein ultra-niedriges EMI-Rauschdesign und die Schaltfrequenz von bis zu 1 MHz ermöglichen eine kompakte und kostengünstige Lösung. 

Der LT3999 enthält zwei strombegrenzte Leistungsschalter mit 1 A, die phasengleich umschalten. Der Tastgrad ist programmierbar, um die Ausgangsspannung anzupassen. Die Schaltfrequenz kann bis zu 1 MHz eingestellt und mit einer externen Uhr synchronisiert werden, um eine präzise harmonische Steuerung zu ermöglichen. Der Betriebsbereich der Eingänge wird mit präzisen Unterspannungs- und Überspannungsabschaltungen konfiguriert. Im Abschaltmodus sinkt der Versorgungstrom auf unter 1 µA. Eine benutzerdefinierte RC-Zeitkonstante bietet eine einstellbare Soft-Start-Funktion durch Begrenzung des Einschaltstroms beim Start. Der LT3999 ist in einem 10-Pin-MSOP oder einem 3 mm × 3 mm DFN-Gehäuse mit freiliegendem Anschluss erhältlich.

Für eine genaue Überwachung kann ein Multi-Cell-Batteriemonitor-IC (bis zu 18 Zellen) mit einem Gesamtmessfehler unter 2,2 mV verwendet werden, wie der LTC6813-1. Alle 18 Zellen können in 290 µs gemessen werden, mit niedrigeren Datenaufnahmegeschwindigkeiten zur Geräuschreduzierung verfügbar. Sein Messbereich von 0 V bis 5 V passt zu den meisten Batterietypen. Mehrere Batteriestapel-Monitore können in Reihe geschaltet werden, um gleichzeitig lange Hochspannungs-Batteriestrings zu überwachen. Jeder Monitor verfügt über eine isolierte serielle Schnittstelle (isoSPI) für schnelle, HF-sichere Kommunikation über lange Distanzen. Mehrere Geräte werden mit einer einzigen Host-Prozessor-Verbindung in Reihe geschaltet, und die Reihenschaltung arbeitet bidirektional, um die Kommunikationsintegrität auch im Falle eines Fehlers sicherzustellen. Das IC kann direkt vom Batteriestapel oder einer isolierten Versorgung betrieben werden. Es umfasst passive Zellenausgleichung mit individueller PWM-Duty-Cycle-Steuerung, einen integrierten 5-V-Regler, neun allgemeine I/O-Leitungen und einen Ruhemodus, der den Stromverbrauch auf 6 µA reduziert.

Um Systemrauschen zu reduzieren, bevor es die Leistung des BMS beeinträchtigt, verwendet der Konverter des Stackmonitors eine Sigma-Delta (Σ-Δ) Topologie mit sechs vom Benutzer auswählbaren Filteroptionen für rauschende Umgebungen. Der Σ-Δ-Ansatz reduziert von Natur aus EMI und Transientenrauschen, indem mehrere Proben pro Umwandlung gemittelt werden. In ADI’s Portfolio stellen die LTC681x- und LTC680x-Familien den Stand der Technik bei Batterie-Stack-Monitoren dar, wobei der 18-Kanal LTC6813 ein herausragendes Beispiel ist.

Die Bewältigung der Herausforderungen zukünftiger DC-Schnellladeinfrastrukturen wird von Stromumwandlungs- und Energiespeichersystemen abhängen. Die Lösungen von ADI für Energiespeichersysteme gewährleisten das zuverlässige Erfassen, Messen, Verbinden, Interpretieren, Sichern und Versorgen aller physikalischen Phänomene und erzeugen zuverlässige und robuste Daten für fortschrittliche Algorithmen. In der EV-Ladeinfrastruktur werden diese Algorithmen die Umwandlung von erneuerbarer Energie in nutzbare Energie optimieren und die Systemeffizienz verbessern.