Teknisk artikel af Kevin Keller, Product Line Manager, Onsemi
Elbilerne bliver i dag accepteret i alle former (ren el, hybrid eller lignende) trods den fortsatte bekymring om rækkevidden. Bilproducenterne fortsætter med at gøre rækkevidden med en samtidig reduktion af ladetiden for at imødegå kundernes ”rækkeviddeangst”. Måden, hvorpå elbiler bliver opladede, har i høj grad indflydelse på bilernes anvendelighed. Med et kun begrænset antal højeffekt-ladestationer stoler størstedelen af elbil-ejere på deres onboard-ladere (OBC’er) til opladning af køretøjerne. Af hensyn til OBC-ydelsen bruger designere i stigende grad de nye WBG-teknologier (wide bandgap) som SiC (siliciumcarbid). Vi skal i det følgende se på, hvordan fremskridt inden for halvlederteknologien flytter ladeydelsen til næste niveau.
Man skal i dag skelne imellem de biltyper, som findes på markedet. Hybride modeller kombinerer den interne forbrændingsmotor (ICE) med hybrid elektrisk support (xHEV), mens de ”rene” elektriske køretøjer (xEV) kun bruger batterier. xHEV’erne er igen opdelt som enten ”milde” hybridkøretøjer (MHEV) og fuldt elektriske hybridkøretøjer (FHEV).
MHEV’er bruger primært en intern forbrændingsmotor parret med et relativt lille batteri (typisk 48V). MHEV’erne kan ikke køre elektrisk alene, så elmotoren skal kun minimere brændstofforbruget.
FHEV’er har en øget fleksibilitet, da de sømløst kombinerer forbrændings- og elmotorerne forsynet af et batteri (som regel mellem 100V og 300V). FHEV’er genoplader deres batterier gennem regenerative bremser, så bremseenergien bidrager til effektiviteten.
Alle xEVs, inklusive plug-in hybrider og ”rene” batteridrevne elektriske biler (BEV), har dog regenerative bremser. Men med større batterikapacitet er BEV’erne primært afhængige af deres onboard-ladere til genopladning af deres batterier.
Ladesystemer
Den enkleste lader består kun af et kabel, der forbinder bilens OBC til et vægmonteret netstik (jordbeskyttelse er normalt et krav) Disse praktiske Level1-systemer (eller SAE AC Level1 efter J1772-standarden) findes typisk i hjemmene og ”mormorladerne” er helt ned til 1,2kW hvilket giver omtrent 8km kørsel pr. ladetime. Level2-systemer (eller SAE AC Level2) bruger som regel en trefaset AC-forsyning fra nettet og optræder primært i offentlige eller kommercielle bygninger. Med ladeeffekter op til 22kW, kan man regne med ca. 145km rækkevidde pr. ladetime.
Både Level1 og Level2 leverer AC-spænding til elbilen, så OBC’en skal konvertere AC til batteriernes DC for opladning. For tiden er de fleste installerede ladere i kategorien Level2.
Højeffekt DC-opladere – internt kendt som Level3, SAE Level1 og to DC-ladere eller IEC Mode4-ladere – leverer en DC-spænding, der kan oplade batteriet direkte, så en OBC ikke er nødvendig. Effektniveauet for DC-opladerne spænder mellem 50kW og over 350kW, så man kan oplade til 80 procents batterikapacitet på rundt regnet 15 til 20 minutter. Med henblik på den høje effekt, DC-laderne kræver, stiller infrastrukturen også nye krav til elnettet, så antallet af hurtigladere er endnu ret begrænset.
Mange bilproducenter overgår for tiden fra 400V- til 800V-systemer med det formål at øge elbilens rækkevidde gennem en højere systemeffektivitet og ydelse, hurtigere batteriopladning og lavere vægt af kabler og batterier.
Anatomien i en OBC
En OBC er typisk en totrins konverter med et PFC-trin (Power Factor Correction) fulgt af et isoleret DC/DC-konvertertrin. PFC-trinnet ensretter AC-inputtet og sikrer en power factor >0,9 og genererer en reguleret busspænding til DC/DC-trinnet.
Over de seneste år har der været en betydelig forøgelse i behovet for tovejs-op- og afladesystemer. Disse systemer gør det muligt for elbiler at sende energi tilbage til elnettet fra batteriet – blandt andet for at give en dynamisk balancering af netbelastningen (V2G: vehicle-to-grid) eller to forsyning af andre belastninger i nærområdet (V2L: vehicle-to-load).
Traditionel PFC omfatter en ensretterbro sammen med en boost-konverter. Sidstnævnte løfter spændingsniveauet. En udbygning af dette basale kredsløb er den såkaldte ”interleaved” boost-topologi, hvor multiple konvertertrin er parallelkoblede for at minimere ripple-strømmen og forøge effektiviteten. Disse PFC-topologier bruger typisk siliciumteknologier som super-junction MOSFETs og lav-Vf dioder.
Fremkomsten af WBG-effektteknologier – især SiC – har gjort udvikling af nye designs mulige som følge af deres fremskridt inden for lavere switching-tab, lavere RDS(on), samt en low reverse-recovery body-diode.
Den broløse totempæl-topologi er blevet stadigt mere populær i mellem- til højeffekt PFC-applikationer, typisk 6,6kW og højere. Det viste totempæl-eksempel har halvledere, der switcher langsomt ved netfrekvensen (50- eller 60Hz) samt et hurtigere kredsløb (Q1-Q4), der former strømmen, og stepper spændingen op og arbejder ved en højere frekvens (typisk 65-110kHz) i hårdt-hard-switchet tilstand. Selv om den broløse totempæl-topologi forbedrer effektiviteten betydeligt og minimerer antallet af effektkomponenter, giver den dog en styringsmæssig højere kompleksitet.
DC/DC-trinnet anvender som regel en isoleret topologi med en isolationstransformer og det formål at regulere output-spændingen baseret på batteriets ladestatus. Selv om halvbro-topologier kunne bruges, så bruger de gængse kredsløb i dag DAB-konvertere (dual-active-bridge) som resonanskonvertere (LLC eller CLLC) eller faseskiftede fuldbrokonvertere (PSFB). Resonanskonvertere har med deres mange fordele som et bredt soft-switching driftsområde og tovejs-muligheder samt den lette integration af resonansspolen og transformeren i én samlet effekttransformer meget naturligt fået en stor udbredelse.
SiC i OBC-applikationer
SiC 650V er det foretrukne valg i 400V-batteripakker, men i 800V arkitekturer gør de højere spændinger 1.200V-komponenter til en nødvendighed.
Brugen af SiC i OBC-designs skyldes den fremragende ydelse, specielt i det såkaldte FoM (Figures of Merit). Her udviser SiC flere fordele i deres specifikke RDS(on) pr. arealenhed, i switching-tabene, for reverse-recovery dioden og i breakdown-spændingen. Disse fordele tillader SiC-baserede løsninger at arbejde pålideligt ved højere temperaturer. Ved at anvende de overlegne ydelseskarakteristika, kan man opnå mere effektive men lettere designs. Man kan derfor opnå højere effekter (op til 22kW) med designs, som ville være upraktiske at realisere med traditionelle siliciumbaserede løsninger (IGBT’er eller super-junction).
Selv om en OBC til en højere effekt ikke i sig selv påvirker en elbils rækkevidde, så spiller OBC’en dog en væsentlig rolle i at minimere rækkeviddeangsten gennem en betydelig reduktion af ladetiderne. Effektniveauet i OBC’erne giver hurtigere ladetider. SiC-teknologien spiller en vital rolle i at gøre disse systemer mere effektive og ved at sikre en effektiv konvertering fra elnettet med kun minimalt tab af energi. Resultatet er mere kompakte, lettere og alligevel mere pålidelige OBC-systemer.
