Napěťové úrovně rostou. Palubní dobíjení vyřeší karbid křemíku

Navzdory přetrvávajícím obavám o jejich dojezd se elektrovozidla (EV) těší většímu zájmu, a to v různých podobách, jako hybridní, čistě elektrická a tak dále. Výrobci zde i nadále pracují na prodloužení dojezdu a také kratší době potřebné k nabíjení, aby se tak vypořádali s touto výraznou překážkou zabraňující masivnějšímu rozšíření. Způsob nabíjení EV přitom výrazně ovlivňuje použitelnost vozidla, ale i pohodlí posádky. Počet výkonných nabíjecích stanic bývá v provozu omezen, takže je spousta vlastníků EV stále závislá na svých palubních nabíječkách (OBC). Aby mohli výrobci zlepšit související parametry, obracejí se k novým technologiím, jako je karbid křemíku (SiC). V článku se zaměříme na význam OBC, včetně způsobu, jak díky pokroku v oblasti polovodičových spínačů posunout jejich vlastnosti na novou úroveň.

Na trhu dnes máme celou řadu pohonných systémů, od vozidel výhradně se spalovacími motory (ICE) přes hybridní modely, které vsadily na ICE ve spojení s elektřinou (xHEV), až po čisté elektromobily (xEV). V případě xHEV dále rozlišujeme dva druhy: MHEV (mild hybrid electric vehicles) a FHEV (full hybrid electric vehicles).

Činnost MHEV se primárně odvíjí od spalovacího motoru, přičemž dále zahrnuje i malou baterii, obvykle na 48 V. Výhradně na elektřinu MHEV sice nepoběží, ale elektromotor zde pomáhá při mírném snižování spotřeby. FHEV naproti tomu nabízí větší flexibilitu, protože hladce spojí ICE s elektromotorem, který bude napájen z baterie v obvyklém pracovním rozsahu od 100 do 300 V. FHEV své články rovněž dobíjí na základě regeneračního brzdění, kdy za účelem rostoucí efektivity získává v takovém případě energii.

Veškeré xEV, včetně plug-in hybridů a čistě elektrických vozů BEV (battery electric vehicles), mají zmíněný způsob brzdění k dispozici. Kvůli větším kapacitám baterií bude ale pro tyto vozy při nabíjení klíčová právě OBC.

Obr. 1  Různé typy elektrovozidel, které se dnes používají, zahrnují MHEV, FHEV, PHEV a také BEV

Nejjednodušší forma nabíječky – to je trochu víc než jen kabel, kterým u EV připojíme OBC k síťové zásuvce (obvykle se vyžaduje zemní ochrana). Zatímco to bude i praktické, tyto převážně rezidenční systémy úrovně 1 (nebo SAE AC Level 1 dle definice standardu J1772) pracují přibližně na 1,2 kW a při hodině nabíjení zajistí dojezd až osm kilometrů (pozn.: odhadovaný dojezd, který nám zajistí hodina dobíjení, předpokládá u vozidla spotřebu energie 0,21 kWh na jednu míli, resp. 13 kWh / 100 km). Systémy na úrovni č. 2 (nebo SAE AC Level 2) zpravidla využijí vícefázového napájení ze střídavé sítě a obvykle je nalezneme ve veřejných budovách či komerčních provozech. Díky úrovním výkonu až 22 kW lze každou hodinou nabíjení prodloužit dojezd až o 145 km.

Nabíječky v obou zmíněných úrovních zprostředkují pro EV střídavé napájení, takže OBC hraje během převodu AC vstupu na DC výstup, vhodný k nabíjení baterie, zásadní roli. Většina nabíječek používaných v tuto chvíli je na zmíněné druhé úrovni.

Výkonné DC nabíječky známé zaměnitelně též jako Level 3, SAE Level 1 a 2 DC charger nebo IEC Mode 4 charger zprostředkují na výstupu DC napětí a baterii dokážou nabíjet přímo, čímž také vylučují potřebu OBC. Výkonově se takové DC nabíječky pohybují od 50 kW do 350 kW, takže baterii lze nabít na 80% kapacitu přibližně za 15–20 minut. Počet rychlých dobíjecích stanic je ale navzdory svižnému rozvoji stále relativně malý. Důvodem se stávají vysoké úrovně výkonu a také změny v infrastruktuře vyžadované na straně rozvodné sítě.

Řada výrobců automobilů nyní přechází z 400V na 800V baterie. Smyslem je prodloužit dojezd EV díky lepší účinnosti systému, rostoucímu výkonu, svižnějšímu nabíjení a také klesající hmotnosti kabelů či baterií.

Anatomie OBC

Nabíječka OBC je obvykle řešena jako dvoustupňový měnič se stupněm PFC pro korekci účiníku, následovaný odděleným stupněm DC/DC měniče. Stojí za zmínku, že konfigurace bez izolace je sice možná, ale používá se jen zřídka. Blok PFC usměrňuje střídavé napájení, zajišťuje účiník větší než 0,9 a vyrábí regulované napětí pro DC/DC stupeň.

V uplynulých několika letech jsme zaznamenali výrazný nárůst požadavků na obousměrné systémy. V případě elektromobilů to bude znamenat obrácený tok energie z baterie zpět ke zdroji, kdy tím sledujeme i různé cíle, jako je dynamické vyrovnávání zatížení v síti (V2G: vehicle-to-grid) nebo ošetření při výpadku proudu (V2L: vehicle-to-load).

Tradiční přístup s PFC zde zahrnuje usměrňovací diodový můstek ve spojení se zvyšujícím měničem. Usměrňovací můstek má za úkol převádět střídavé napětí na stejnosměrné, zatímco se od zvyšujícího měniče dále očekává rostoucí napěťová úroveň. Rozšířenou verzí tohoto základního zapojení bude prokládaná zvyšující topologie, kde máme paralelně spojeno více stupňů měniče, abychom tak omezili proudové zvlnění a zlepšili též účinnost. Zmíněné topologie PFC zpravidla využívají křemíkových technologií, třeba u „super-junction“ MOSFETů a diod s nízkým úbytkem V_f.

Nástup výkonových spínačů se širokým zakázaným pásem (WBG), zejména pak v případě SiC, umožnil vývoj nových řešení, které těží z výhod, jako jsou menší spínací ztráty, nižší odpor R_DS(on) a také vlastnosti vestavěné diody, pokud jde o zotavení v závěrném směru.

Ve světě aplikací PFC o středním až vysokém výkonu, typicky 6,6 kW a více, získala popularitu bezmůstková topologie „totem-pole“. Způsob řešení nám ilustruje obr. 2. Máme zde pomalou větev (Q₅–Q₆) spínající na síťovém kmitočtu 50–60 Hz a také rychlou větev (Q₁–Q₄) pro tvarování proudu, zvyšování napětí a provoz na vyšší frekvenci, typicky 65 až 110 kHz, v režimu s tvrdým spínáním. Pravda, zmíněná topologie zásadně zvyšuje účinnost a snižuje i počet výkonových součástek, na druhou stranu ale přináší komplikace při řízení.

DC/DC stupeň obvykle používá oddělenou topologii s transformátorem, kdy hlavní cíl spočívá v regulaci výstupního napětí v závislosti na stavu nabití baterie. Lze sice použít i topologie s polovičním můstkem, nicméně převažující řešení se v současné době spoléhají především na měniče DAB (dual-active-bridge), jako jsou rezonanční struktury (např. LLC, CLLC) nebo měniče PSFB (phase-shifted full bridge). Rezonanční měniče, obzvláště pak LLC a CLLC, nedávno získaly obrovskou pozornost díky svým četným výhodám, včetně širokého provozního rozsahu pro měkké spínání, schopnosti obousměrné činnosti a také snadné integrace rezonanční indukčnosti a transformátoru do jediného prvku tohoto druhu.

Obr. 2  Topologie „bridgeless totem-pole“

SiC v aplikacích OBC

Pro 400V sady baterií bývají upřednostňovanou volbou obvykle 650V součástky SiC. V případě architektur pracujících s 800 V si již ale rostoucí napěťové požadavky vyžádají nasazení 1200V součástek.

Zavedení technologií SiC v oblasti OBC lze přisoudit jejich výjimečným vlastnostem napříč různými kritérii (FOM). SiC se pyšní specifickým R_DS(on) vztaženým na plochu, spínacími ztrátami, vlastní diodou (reverse recovery) a také průrazným napětím. Řešení na bázi karbidu křemíku proto mohou pracovat spolehlivě i za vyšších teplot. Pokud zmiňované vynikající charakteristiky využijeme, dopracujeme se k účinnějším návrhům s ještě nižší hmotností. Systémy proto mohou dosahovat vyšších úrovní výkonu (až 22 kW), které by byly s využitím tradičních křemíkových řešení (IGBT či super-junction) nerealistické.

Nabíječky OBC o vyšším výkonu v elektrovozidlech sice nemusí mít přímý vliv na dojezdovou vzdálenost, nicméně hrají klíčovou roli při řešení obav z nedostatečného dojezdu, protože výrazně zkracují dobu potřebnou k nabíjení. Úrovně výkonu se v případě OBC zvyšují, aby tak umožnily svižnější dobíjení. Technologie na bázi karbidu křemíku zde přitom hrají zcela zásadní roli, když u zmiňovaných systémů definují ještě větší účinnost a zajišťují při napájení ze sítě efektivní konverzi, aniž by se plýtvalo energií. Ve výsledku proto můžeme navrhovat kompaktnější, lehké a také spolehlivé systémy OBC.

Obr. 3  Obousměrné DC/DC řešení umožňuje v případě špičkových nároků vracet výkon zpátky do sítě