Ladegeräte für Elektrofahrzeuge stellen auf bidirektionale Designs um

Die Verbraucher verlangen auch schnellere Ladezeiten für Batterien mit höherer Kapazität. Diese Nachfrage führt zu einer Erhöhung der Betriebsspannung der Batterien von 400V auf 800V, beginnend bei Hochleistungsfahrzeugen.

Die für EV-Ladegeräte erforderliche Leistung kann sehr unterschiedlich sein. Anwendungen mit geringer Leistung für Elektroroller oder Mini-EVs können weniger als 2kW von einer einphasigen Stromversorgung benötigen. Anwendungen mit mittlerer Leistung für Fahrzeuge wie das Model 3 von Tesla oder den Chevy Volt können bis zu 6,6kW aus einer einphasigen Stromversorgung brauchen. Anwendungen mit hoher Leistung für Sport-EVs erfordern zunehmend dreiphasige Designs, die bis zu 22kW leisten können.

Da die Betriebsspannungen und Batteriekapazitäten weiter steigen, wechseln die Entwickler von unidirektionalen Ladesystemen - bei denen der Strom vom Netz zum Ladegerät und dann zum Akku des Fahrzeugs fließt - zu bidirektionalen Systemen, bei denen der Strom in beide Richtungen fließen kann. Abbildung 1 zeigt in lila die Bereiche, in denen bidirektionale Systeme auf den Markt kommen.

Warum der Wechsel zu bidirektionalen On-Board-Ladegeräten (OBC)? Ein Elektrofahrzeug, das mit einer Batterie mit ausreichender Kapazität ausgestattet ist, kann als Energiespeichersystem (ESS) fungieren und eine Vielzahl von Vehicle-to-Other -Anwendungen ermöglichen. Diese können unter der Kategorie V2X (Vehicle to Everything) zusammengefasst werden und schließen folgende Anwendungen ein:

• V2L (Vehicle to Load) - DC/DC oder DC/AC zum Aufladen von E-Bikes und Scootern sowie zur Stromversorgung von Campingausrüstung.
• V2G (Vehicle to Grid) - AC/DC/AC für Netzausgleich/Energiesparen und OBCs.
• V2H (Vehicle to Home) - AC/DC/DC für ein intelligentes Zuhause (Autarkie: Netz + Solar + Batterie + EV).
• V2V (Vehicle to Vehicle) - DC/DC für Flottenbatterieausgleich/Konditionierung (kaskadierbar).

In diesen Anwendungsfällen kann die Energieübertragung in beide Richtungen erfolgen. Daher geht die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge von unidirektionalen zu bidirektionalen Designs über, sowohl für die OBCs im Fahrzeug als auch für die stationäre Ladestation. Um batteriebetriebene Fahrzeuge kosteneffizient zu machen, müssen beide Arten von Ladegeräten so effizient und wirtschaftlich wie möglich sein.

Bidirektionale EV-Ladesystemblöcke

Ein Design für ein bidirektionales EV-Ladegerät erfordert eine bidirektionale AC/DC-Versorgung. Diese besteht in der Regel aus einer bidirektionalen Power Factor Correction (PFC), gefolgt von einem isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandler. Bei OBC wird zusätzlicher Wert auf eine hohe Leistungsdichte und einen maximalen Wirkungsgrad gelegt, um den verfügbaren Platz optimal zu nutzen und das Gewicht zu minimieren. Der Entwickler kann nicht die bewährten Standardbausteine für ein bidirektionales Ladegerät verwenden. Für die PFC-Schaltung reicht die traditionelle Boost-Topologie nicht aus, da sie nicht bidirektional ist. Die Umstellung auf eine Totem-Pole-Topologie löst das Problem.

Für eine hohe Effizienz und ein geringes Rauschen muss die Totem-Pole-PFC-Schaltung im Continuous Conduction Mode (CCM) arbeiten. Dies erfordert die Verwendung von Leistungsbauelementen aus Siliziumkarbid (SiC). SiC-Bauteile weisen einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand (RDS[on]) auf, was zu geringen Schalt- und Leitungsverlusten führt. Daher ist SiC ideal für Schaltanwendungen mit hohen Strömen. Was ist mit dem DC/DC-Wandler? Ein LLC-Resonanzwandler ist seit langem eine beliebte Wahl für die DC/DC-Wandlerstufe in einem leistungsstarken, hocheffizienten Ladegerät, aber auch dies ist eine unidirektionale Topologie. Ein bidirektionaler CLLC-Resonanzwandler wird für die DC/DC-Stufe bevorzugt, da er eine hohe Effizienz mit einem breiten Ausgangsspannungsbereich sowohl im Lade- als auch im Entlademodus kombiniert.

Der CLLC verwendet Soft-Switching für höchste Effizienz: Nullspannungsschaltung (zero voltage switching, ZVS) auf der Primärseite und ZVS kombiniert mit Nullstromschaltung (zero current switching, ZCS) auf der Sekundärseite. Auch hier führt der Wechsel zur SiC-Technologie zu einer Verbesserung der Effizienz.

Abbildung 2 zeigt eine repräsentative bidirektionale Leistungsstufe für eine dreiphasige Ladeanwendung. Dieses Design erfordert 14 Leistungstransistoren. Es handelt sich um eine isolierte Topologie, sodass die Leistungstransistoren mit isolierten Gate-Treibern und DC/DC-Stromversorgungen gepaart sind.

RECOM bietet ein umfassendes Angebot an isolierten DC/DC-Wandlern für Schaltanwendungen mit hoher Leistung, unabhängig davon, ob Silizium-IGBTs, SiC-MOSFETs oder neue Technologien wie GaN-HEMTs verwendet werden.

Module für Batterieladeanwendungen: Der Rest der Geschichte

Natürlich umfasst ein EV-Ladesystem viel mehr als die oben erwähnte PFC-Schaltung und die CLLC-Blöcke. Während die Leistungsumwandlungsstufen auf der Multi-kW-Ebene mit den neuesten Topologien und Halbleitertechnologien immer besser werden, müssen auch alle anderen Stromversorgungen den Anforderungen des EV-Ladegeräts in Bezug auf Effizienz und Wert entsprechen. Wie Abbildung 1 zeigt, enthält ein komplettes Design eine Vielzahl weiterer Stromversorgungsblöcke: isolierte und nicht isolierte DC/DC-Wandler für Mikrocontroller, HMI-Funktionen und einen Wireless-Block, eine Hilfsstromversorgung und eine AC/DC-Stromversorgung für Relais und Schütze.

Es gibt noch weitere Überlegungen. Ladeboxen und Ladestationen werden häufig in Umgebungen der Over Votlage Category III (OVC III) installiert, in denen es aufgrund von Blitzeinschlägen zu erheblichen Spannungseinbrüchen, Überspannungen und Transienten kommen kann, denen die Stromversorgungen ebenfalls standhalten müssen. Außerdem können die Temperaturschwankungen extrem und die verfügbare AC-Spannung dreiphasig 480VAC oder 277VAC sein. Alle AC/DC-Module, DC/DC-Wandler und andere Blöcke müssen in dieser Umgebung zuverlässig arbeiten.

Unabhängig davon, ob das Design hohe oder niedrige Leistungspegel erfordert, bietet RECOM eine Reihe von AC/DC-Modulen, DC/DC-Wandlern und Schaltreglern mit niedrigem Stromverbrauch an, die den Anforderungen von Batterieladeanwendungen entsprechen - von EV-Ladegeräten bis hin zum Laden mit niedrigem Stromverbrauch in tragbaren Produkten. RECOM kann hochzuverlässige, kundenspezifische Batterieladegeräte, Conditioner und bidirektionale Inverter liefern, die auf bewährten Plattformdesigns von dreiphasigen AC-Stromversorgungen mit einer Leistung von bis zu 30 kW oder sogar mehr bei parallel geschalteten Einheiten basieren.

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