Odvětví elektromobilismu zaznamenává v současné době prudký rozmach. V souvislosti s tím vyvstává potřeba vývoje nabíjecí infrastruktury. Patrná je mj. také poptávka po nabíječích velkého výkonu v provedení pro přímou zástavbu do vozidla (tzv. „on board“ rychlonabíječe). V takovém případě je na nabíječ kladen požadavek minimálních rozměrů a hmotnosti.
Jádrem nabíječe byl dříve klasický síťový transformátor, dnes je jím většinou výkonový DC/DC měnič (spínaný zdroj) s vysokofrekvenčním impulsním transformátorem. Přítomnost transformátoru je nezbytná z důvodu nutnosti galvanického oddělení výstupu od napájecí sítě.
Zmenšení rozměrů a hmotnosti nabíječe se spínaným zdrojem lze technicky dosáhnout zejména minimalizací rozměrů vinutých součástí silového obvodu (impulsní transformátory, tlumivky). Proto je třeba zvyšovat spínací kmitočet použitého měniče. Běžné nabíječe větších výkonů na bázi spínaných zdrojů používají jako aktivní prvky tranzistory IGBT a spínací kmitočet měniče nepřesahuje 40kHz.
Tento článek popisuje výsledky vývoje rychlonabíječů nové koncepce, které pracují na nezvykle vysokém spínacím kmitočtu 100kHz při výkonech 14kW, 16kW a 45kW. Díky tomu dosahují vysoké hustoty výkonu okolo 700W/kg. Tyto rychlonabíječe byly kompletně vyvinuty a vyrobeny na Ústavu výkonové elektrotechniky a elektroniky FEKT VUT v Brně. Rychlonabíječe s podobně velkým výkonem a malými rozměry dosud nenabízí žádná tuzemská firma.
Koncepce vyvinutých rychlonabíječů
Použití velkého spínacího kmitočtu je ve vyvinuté koncepci umožněno nahrazením relativně pomalých tranzistorů IGBT velmi rychlými vysokonapěťovými tranzistory CoolMOS od firmy INFINEON. Celková doba zapnutí i celková doba vypnutí těchto tranzistorů se pohybuje pouze okolo 100 až 150ns. Proto u nich velký pracovní kmitočet nepředstavuje nepřijatelné přepínací ztráty, přestože je použita jednoduchá topologie s tvrdým spínáním. Komutační ztráty na diodách výstupního usměrňovače jsou eliminovány použitím diod z karbidu křemíku (SiC). Také v primárních silových obvodech jsou použity tyto diody. Standardní „ultrarychlé“ křemíkové diody už v extrémních podmínkách konstrukce neobstojí v souvislosti s problematikou zpětného i dopředného zotavovacího děje.
V koncepci jsou použity jednočinné můstkové propustné měniče. Při nezvykle vysokém spínacím kmitočtu 100kHz (pro desítky kW) je totiž vhodné vyhnout se dvojčinnému měniči, protože realizace spolehlivého odskoku při velmi krátké spínací periodě 10µs by byla komplikací.
V nastíněné koncepci jsou kladeny velké nároky na minimalizaci parazitních indukčností (geometrické uspořádání silového obvodu). Také problematika rozptylu impulsního transformátoru je kritická. Velmi specifický je i návrh budičů výkonových tranzistorů (nutnost potlačování tzv. ringingu, dále nutnost velmi malé parazitní kapacity galvanického oddělení).
V souvislosti s velkým spínacím kmitočtem vznikají rovněž komplikace v oblasti EMC.
Popis a základní technické parametry rychlonabíječů
Základní technické parametry vyvinutých rychlonabíječů jsou v tab. 1.
| Typ nabíječe | RN14-140 | RN16-380 | RN45-450 |
| Nejvyšší trvalý výstupní proud | 100A | 42A | 100A |
| Nejvyšší výstupní napětí | 140V | 380V | 450V |
| Nejvyšší trvalý výstupní výkon | 14kW | 16kW | 45kW |
| Napájení (standardní síť 50Hz) | 3x400V | 3x400V | 3x400V |
| Pracovní kmitočet | 100kHz | 100kHz | 100kHz |
| Hmotnost | cca 25kg | cca 25kg | cca 60kg |
| Rozměry | 37x26x35cm | 37x26x35cm | 37x26x80cm |
Tab. 1. Technické specifikace rychlonabíječů
Vyvinuté funkční vzorky nejsou koncipovány jako „on board“ přístroje, ale jako kompaktní přenosné přístroje, které oproti komerčně dostupným produktům vynikají malými rozměry a malou hmotností.
V eventuálním případě výroby dalších kusů těchto přístrojů by případnými uživateli mohli být provozovatelé elektromobilů, kteří si nepřejí provádět zásahy do vozidla. Pokud by však disponovali těmito přístroji, mohli by je provozovat jednak stacionárně (v místě garážování elektromobilu) a také by je díky malým rozměrům mohli převážet v zavazadlovém prostoru. Plného nabití vybité baterie lze přitom docílit během velmi krátké doby (podle kapacity akumulátoru, obvykle do 1hod). Tím se výrazně zlepšuje operativnost použití stávajících elektromobilů.
Typ RN14-140 byl vyvinut pro konkrétního uživatele elektromobilu Peugeot 106 Electric s akumulátory NiCd. Je vybaven kaskádní regulací napětí s podřízenou proudovou smyčkou (s nastavitelným proudovým omezením). Žádaná hodnota napětí je cca 145V a přepínačem proudového omezení lze nastavit nabíjecí proud 10A, 20A, 50A a 100A. Není tedy nutné nabíjet vždy maximálním výkonem, ale v případě dostatku času pro nabíjení lze výkon omezit (např. z důvodu zabránění nadměrnému zahřívání akumulátoru nebo v případě slabšího jištění trojfázového síťového přívodu). Vzhledem k použité regulační struktuře nemůže samozřejmě dojít k přebití akumulátoru. Přístroj automaticky snižuje nabíjecí proud tak, aby napětí akumulátoru nepřekročilo finální hodnotu. Přístroj je nyní používán uživatelem v testovacím provozu.
Uživatel tohoto nabíječe se věnuje mj. také propagaci elektromobilismu. Tomu byla přizpůsobena i konstrukce nabíječe. Byl opatřen průhledným vrchním krytem (viz Obr. 2), pod nímž mohou zájemci o problematiku vidět komponenty elektronických obvodů nabíječe.
Typ RN16-380 byl uveden do provozu a v současné době probíhají ověřovací testy. Přístroj je tedy těsně před dokončením. Tento rychlonabíječ vznikl v rámci projektu malého elektrického letounu MARABU vyvíjeného Leteckým ústavem FSI VUT (vedení projektu, kompletní mechanické řešení letounu a design) ve spolupráci s naším Ústavem výkonové elektrotechniky a elektroniky FEKT VUT (elektromotor, DC/AC trojfázový střídač s řízením, ovládací prvky, akumulátor s příslušenstvím, nabíječ). Letoun má trakční akumulátor Li-ion vybavený monitorovacími obvody (BMS). Ty slouží při nabíjení jako nadřazený napěťový regulátor a šířkově-pulsně modulovaným signálem dodávají do nabíječky informaci o aktuálním požadovaném nabíjecím proudu. Obvody BMS neregulují pouze celkové napětí akumulátoru, ale zohledňují napětí každého článku (články Li-ion jsou velmi citlivé na přepětí i na podpětí).
Nejvýkonnější typ RN45-450 je opatřen pojezdovými kolečky a rukojetí pro snadnou manipulaci.
V současnosti probíhají první laboratorní testy. Výrobek používá komponenty z již ověřeného typu RN14-140. Celková koncepce je totiž modulární a sériovým nebo paralelním (stavebnicovým) řazením lze měnit výstupní parametry. Nabíječ je primárně určen pro elektromobil Superbel s trakčním akumulátorem na bázi Li-ion. Je proto vybaven regulačními obvody kompatibilními s BMS trakčního akumulátoru tohoto elektromobilu.
Připojení k napájecí síti
Vzhledem k velkým výkonům jsou všechny tři vyvinuté rychlonabíječe určené k napájení z trojfázové sítě 3x400V/50Hz. Spínané zdroje větších výkonů jsou všeobecně vedle vf rušení také zdrojem nf rušení šířeného do distribuční sítě. Jde o klasickou deformaci průběhu síťového napětí, která je způsobena neharmonickým tvarem fázového proudu odebíraného síťovým usměrňovačem se sběrným kondenzátorem. K deformaci fázových napětí pak dochází díky nenulové vnitřní impedanci sítě. Neharmonický fázový proud odebíraný usměrňovačem ze sítě má velkou efektivní hodnotu, na kterou reaguje předřadné jištění sítě. Přitom na odběru činného výkonu ze sítě se podílí pouze efektivní hodnota samotné první harmonické fázového proudu. Vyšší (z hlediska činného výkonu neužitečné) harmonické dotvářející celkový neharmonický průběh proudu jsou příčinou zmíněného rušení. Tím, že zvyšují celkovou efektivní hodnotu fázového proudu, také redukují maximální možný výkon měniče při daném jištění. Účinným, avšak nákladným řešením tohoto problému bývá u velkých měničů použití aktivního síťového usměrňovače (PFC). Jedná se o tranzistorový AC/DC měnič se sinusovou pulsní šířkovou modulací. Fázový proud odebíraný ze sítě je pak harmonický.
Ve vyvinutých rychlonabíječích není aktivní usměrňovač použit, protože koncepce je motivována snahou o maximální jednoduchost. Přesto bylo vhodnou konstrukcí dosaženo malého podílu vyšších harmonických proudu – odborným měřením byla zjištěna výborná hodnota účiníku λ cca 0,96. Fázový proud není sice ideální tj. harmonický, ale nemá charakter vysokých úzkých impulzů, jak bývá charakteristické pro diodové usměrňovače se sběrným kondenzátorem s velkou kapacitou. Naopak má přibližně obdélníkový tvar se střídou 2/3, viz Obr. 6. To je příznivé jednak z hlediska výkonu, který lze ze sítě odebírat a jednak i z hlediska deformace tvaru síťového napětí.
Závěr
Vývoj popisovaných rychlonabíječů byl motivován snahou o minimalizaci rozměrů a hmotnosti.
S použitím nejmodernější technologie v oblasti výkonových spínacích tranzistorů a diod bylo v tohoto směru dosaženo značného úspěchu. Přestože je koncepce poměrně jednoduchá, představuje použití velkého spínacího kmitočtu při velkých výkonech náročné problémy v oblasti výkonové i řídicí elektroniky. Tyto problémy byly však úspěšně vyřešeny.
Při větší sériové výrobě by jistě bylo vhodné přepracovat celkové mechanické uspořádání (pro zjednodušení výroby). Přístroje rovněž dosud neprošly žádným legislativním schvalovacím procesem a nejedná se tedy o komerční produkty.
Karbid křemíku (SiC) a také galium-nitrid (GaN) jsou progresivní materiály pro výkonové spínací polovodiče, které otevírají konstruktérům výkonových spínaných zdrojů nový prostor ke zlepšení poměru výkon/hmotnost resp. výkon/objem. Ukázkou toho je i popsaný vývoj.
Problematikou se hodláme zabývat i nadále. Počítáme s nasazením tranzistorů SiC MOSFET, které dosahují ještě poněkud kratších spínacích časů. Hodláme se zaměřit na vývoj rychlonabíječe „on-board“, pravděpodobně s implementací vodního chlazení.
Vývoj popisovaných rychlonabíječů byl finanančně podpořen grantovým projektem MŠM 0021630516 „Zdroje, akumulace a optimalizace užití elektrické energie“ a grantovým projektem MPO FR-TI1/061 „Application of VUT 001 Marabu for hydrogen fuel cells propulsion“.
Literatura
[1] Vorel, P., Procházka, P., Minárik, V. Powerful fast charger 16kW for electric vehicle. Sborník mezinárodní konference ABAF Brno 2011. ISBN 978-80-214-4310-5
