ElektroPrůmysl.cz, květen 2012

44 ElektroTrh.cz, květen 2012 Vývoj kompaktních rychlonabíječů pro elektromobily Pavel Vorel, Petr Procházka, Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky, FEKT VUT Brno Úvod Odvětví elektromobilismu zaznamenává v součas- né době prudký rozmach. V souvislosti s tím vyvstává potřeba vývoje nabíjecí infrastruktury. Patrná jemj. ta- ké poptávka po nabíječích velkého výkonu v provedení pro přímou zástavbu do vozidla (tzv. „on board“ rych- lonabíječe). 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 nut- nosti galvanického oddělení výstupu od napájecí sítě. Zmenšení rozměrů a hmotnosti nabíječe se spí- naným zdrojem lze technicky dosáhnout zejména mi- nimalizací rozměrů vinutých součástí silového obvo- du (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 rychlonabí- ječů nové koncepce, které pracují na nezvykle vyso- kém spínacím kmitočtu 100kHz při výkonech 14kW, 16kW a 45kW. Díky tomu dosahují vysoké hustoty vý- konu okolo 700W/kg. Tyto rychlonabíječe byly kom- pletně vyvinuty a vyrobeny na Ústavu výkonové elekt- rotechniky a elektroniky FEKT VUT v Brně. Rychlo- nabíječe s podobně velkým výkonem a malými rozmě- ry dosud nenabízí žádná tuzemská firma. Koncepce vyvinutých rychlonabíječů Použití velkého spínacího kmitočtu je ve vyvinu- té koncepci umožněno nahrazením relativně poma- lých tranzistorů IGBT velmi rychlými vysokonapěťo- vými 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. Komutač- ní 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 dio- dy už v extrémních podmínkách konstrukce neob- stojí v souvislosti s problematikou zpětného i do- předného zotavovacího děje. V koncepci jsou použity jednočinné můstkové propustné měniče. Při nezvykle vysokém spínacím kmitočtu 100kHz (pro desítky kW) je totiž vhodné vy- hnout se dvojčinnému měniči, protože realizace spo- lehlivého odskoku při velmi krátké spínací periodě 10µs by byla komplikací. V nastíněné koncepci jsou kladeny velké nároky na minimalizaci parazitních indukčností (geometrické 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 ELEKTROMOBILITA