Drogi przyszłości są elektryczne

Nowe modele samochodów elektrycznych są wprowadzane na rynek prawie codziennie. Prognozy rynkowe dla BEV (Battery Electric Vehicle) przewidują bardzo silny wzrost w nadchodzących latach. W 2018 roku udział samochodów elektrycznych w rynku wyniósł około 2,5%, a liczba samochodów elektrycznych zbudowanych na całym świecie po raz pierwszy wzrosła do ponad 2 milionów sztuk. Oczekuje się, że do 2030 r. liczba ta wzrośnie dziesięciokrotnie, do 60%, co będzie odpowiadać 20 milionom samochodów sprzedawanych rocznie na całym świecie. Nawiasem mówiąc, obecnie około 80% sprzedaży pojazdów elektrycznych dotyczy pojazdów wyłącznie elektrycznych (BEV).

Wydaje się, że infrastruktura ładowania jest obecnie pomniejszym czynnikiem w projektowaniu i rozwoju modeli samochodów elektrycznych. Jest to jednak co najmniej tak samo ważne, jak same samochody, aby skutecznie wdrożyć koncepcję eMobility.

Około 77 000 stacji ładowania potrzebnych jest do 1 miliona pojazdów elektrycznych, w tym 7000 stacji szybkiego ładowania DC (źródło: Bundesverband Freier Tankstellen -bft). Przy 20 milionach sprzedawanych samochodów rocznie do 2030 roku musiałoby zostać zainstalowanych 140 000 stacji szybkiego ładowania DC. Jest to wyzwanie nie tylko z ekonomicznego, ale również technicznego punktu widzenia. Przede wszystkim kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) odgrywa ważną rolę w ładowaniu pojazdów elektrycznych typu BEV (pojazdy elektryczne z akumulatorem) i HEV (pojazdy hybrydowe z napędem elektrycznym).

CZYM JEST KOMPATYBILNOŚĆ ELEKTROMAGNETYCZNA?

Kompatybilność elektromagnetyczna lub w skrócie EMC dotyczy emisji i odporności produktów podłączonych do sieci zasilającej. Emitowane zakłócenia lub emisje generowane przez przełączanie ze stratami nie mogą przekraczać określonych wartości granicznych. W przypadku wprowadzenia na rynek produktów niezgodnych z wymogami mogą pojawić się problemy podczas pracy z innymi odbiorcami podłączonymi do tej samej głównej sieci energetycznej. Odporność na zakłócenia określa zdolność produktów do wytrzymywania wpływów zewnętrznych bez błędów. Odporność produktów można zweryfikować za pomocą różnych testów, na przykład za pomocą testów odporności typu surge, burst.

Schaffner opracowuje filtry EMC, które zapewniają zgodność z normami emisji. Filtry te są przeznaczone do pracy w zakresie częstotliwości od 9 kHz do 30 MHz w celu tłumienia zakłóceń przewodzonych. Zapobiega to negatywnemu wpływowi na inne urządzenia w otoczeniu. Wszystkie standardowe filtry są zaprojektowane zgodnie z normą IEC 60939-3 („Pasywne jednostki filtrujące do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych”) i innymi normami międzynarodowymi, dzięki czemu są gotowe do użycia w systemie potencjalnego klienta praktycznie od razu.

W przypadku stacji ładowania EV kompatybilność elektromagnetyczna jest szczególnie ważna, ponieważ bez filtrów jakiekolwiek zakłócenia występujące podczas prostowania prądu w stacjach ładowania pracujących bezpośrednio z sieci niskiego napięcia po stronie wejściowej mogą mieć wpływ na całą sieć. Po stronie wyjściowej, tj. po stronie, po której samochód jest ładowany, podstawowe znaczenie ma bezpieczeństwo operatora i interoperacyjność między różnymi stacjami ładowania i producentami samochodów. Dlatego przy projektowaniu filtrów EMC należy wziąć pod uwagę oba czynniki.

WYMAGANIA BEZPIECZEŃSTWA FILTRA DLA STACJI ŁADOWANIA BEV / HEV

Normatywnie kwestia EMC w obszarze stacji ładowania pojazdów jest całkowicie zdefiniowana. Norma IEC 61851-23 definiuje aspekty bezpieczeństwa dotyczące stacji ładowania DC (stacje szybkiego ładowania). W przypadku filtrów EMC szczególnie ważna jest kwestia kondensatorów po stronie DC (strona wyjściowa). Maksymalny rozmiar kondensatora jest przewidziany na 1 uF na wyjściu DC, tzn. z filtrem w układzie, filtr może być wyposażony w pojemność 500 nF na przewodzie dodatnim i ujemnym. Jeśli kilka filtrów jest używanych równolegle, należy odpowiednio zmniejszyć rozmiar. Ponadto rezystory rozładowcze muszą mieć co najmniej 1 MΩ, aby umożliwić pomiar izolacji w systemie. Standardowe filtry firmy Schaffner oferują możliwość dostosowania specyfikacji komponentów w standardowym produkcie w oparciu o istniejące certyfikaty bezpieczeństwa. Typowe filtry DC to modele FN2200 lub FN2211, które można odpowiednio dostosować.

FN2200Q1 * -250-99-R66 * - FN2200 Filtr standardowy dla 250 A z 220 nF
(Q1) kondensatory o podwyższonej rezystancji rozładowania
(R66 - 1,5 MOhm równolegle do kondensatorów X i Y)
FN2211-400-99-C23 * -R99 * - FN2211 Filtr standardowy do 400 A z 500 nF
(C23) kondensatory o podwyższonej rezystancji rozładowania
(R99 - 10 MOhm równolegle do kondensatorów X i Y)
* możliwe inne warianty

Adaptacje są oczywiście również możliwe w przypadku standardowych filtrów AC, ale istnieją różne wymagania dotyczące konstrukcji tych filtrów (pozostają rezystory upływu > 1 M Ohm)

Ogromną zaletą tej modyfikacji standardowego filtra jest to, że uzyskał już certyfikat. Oznacza to, że nawet po modyfikacji wszystkie certyfikaty pozostają ważne, co znacznie skraca czas wprowadzenia produktu na rynek. Jeśli mechanika pozostanie taka sama, próbki gotowe do produkcji seryjnej można szybko udostępnić, a pierwsza dostawa może odbyć się szybko. W firmie Schaffner motto dotyczące jakości brzmi: „First time right“. Skraca to cenny czas oczekiwania naszych klientów na produkcję seryjną.

DOPUSZCZALNE WARTOŚCI EMC DLA STACJI ŁADOWANIA EV

Inna część normy IEC61851-21-2 definiuje wartości graniczne i odpowiadające im ustawienia pomiarowe. Ważne jest, aby upewnić się, że stosowane są prawidłowe symulacje i ograniczenia sieciowe. Po stronie wejściowej (po stronie głównej sieci) należy również określić, w jakim środowisku będzie używany punkt ładowania, tj. czy jest to środowisko przemysłowe (klasa A) czy mieszkalne (klasa B).

Port „CPT” (conductive power transfer) musi być zakończony zgodnie z CISPR 25: 2008, a port wejściowy AC/DC zgodnie z CISPR 16-1-2: 2014. Ograniczenia dla portu wejściowego AC / DC są zgodne ze specyfikacją IEC 61000-6-3, dla portu CPT obowiązują wartości graniczne pokazane na poniższym wykresie dla emisji przewodzonej (między 150 kHz a 30 MHz).

Wartości graniczne CPT zgodnie z IEC 61851-21-2

Ponieważ ważna jest nie tylko funkcjonalność, ale także konstrukcja stacji ładowania, często decydujący jest również rozmiar filtrów EMC. Ponadto czynnik kosztowy odgrywa coraz większą rolę. Cykl życia produktów jest podobny do tego z początku przemysłu fotowoltaicznego. Wszyscy producenci początkowo rozwijają się bardzo szybko i mają niewiele dostępnych zasobów, aby poradzić sobie z tematem filtrów EMC. To często skutkuje zbyt dużymi rozmiarami filtrów. Po pierwszej dużej fali uprzemysłowienia następuje zazwyczaj konsolidacja producentów, a więc także wzrost mocy produkcyjnych. W tej chwili ważną rolę odgrywają również czynniki kosztowe. W momencie konsolidacji musi być dostępne rozwiązanie dla aplikacji, aby klienci mogli być zadowalająco obsłużeni w przyszłości. To rozwiązanie należy również zoptymalizować pod względem kosztów i rozmiaru.

IZOLACJA GALWANICZNA W STACJACH ŁADOWANIA EV

Aby zapewnić bezpieczną pracę stacji ładowania pojazdów elektrycznych, wymagana jest separacja galwaniczna między stroną wejściową i wyjściową, a także zgodność z wymogami i normami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej.

Zastosowanie transformatorów średniej częstotliwości jest szczególnie korzystne w stacjach szybkiego ładowania DC, gdzie i tak do prostowania napięcia sieciowego AC wymagana jest technologia inwerterowa. W porównaniu z konwencjonalnymi transformatorami sieciowymi, można je zaprojektować znacznie bardziej kompaktowo przy tej samej wydajności. Oznacza to, że można je również umieszczać w ograniczonych rozmiarowo stacjach ładowania.

Nasze portfolio filtrów zaspokaja prawie wszystkie potrzeby klientów w kontekście doboru rozwiązania do ładowarek. W zależności od wymagań, chłodzenie może być konwekcją naturalną lub wymuszoną lub nawet można zastosować chłodzenie wodne. Można generować moc w zakresie od dwu do trzycyfrowych wartości kVA. W ramach projektu badawczego we współpracy z Uniwersytetem RWTH Aachen z powodzeniem dostarczono i przetestowano nawet transformator średniej częstotliwości o mocy 5000 kVA do sprzęgania sieci prądu stałego.

ROZWÓJ W DZIEDZINIE ŁADOWANIA EV UKIERUNKOWANY NA POTRZEBY KLIENTA

Bazując na wieloletnim doświadczeniu w technologii ładowania, Schaffner jest w stanie zapewnić kompleksowe rozwiązania dostosowane do potrzeb klienta. Na przykład w stacjach ładowania wysoki pobór mocy przez kondensatory może wystąpić podczas pracy na biegu jałowym. Za pomocą dodatkowych przełączników problem ten można całkowicie wyeliminować i zintegrować filtr. Grupy Schaffner i Astat jednoczą działania, aby zaoferować swoim klientom idealne rozwiązanie - na każdym etapie industrializacji i przy maksymalnej niezawodności dostaw.

Opracowując kompaktowe dławiki skompensowane prądowo, udało się zredukować sygnały zakłóceniowe w samochodzie pomiędzy 80 A i 400 A za pomocą tylko jednego rdzenia magnetycznego.