Soluzioni ad alta tensione per stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici

Soluzioni ad alta tensione per stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici

Astratto

La ricarica rapida trasferisce centinaia di kilowatt alla batteria di un veicolo elettrico in pochi minuti e i componenti ad alta tensione all'interno della stazione devono gestire l'ondulazione, le perdite di commutazione e il calore. Questo articolo illustra l'architettura di alimentazione di una stazione di ricarica rapida, i requisiti elettrici di ogni stadio ad alta tensione, le modalità di guasto segnalate sul campo e come selezionare e validare i componenti ad alta tensione per una ricarica pubblica affidabile.

1. Contesto applicativo: kilowatt in minuti

Nell'ambito della mobilità elettrica, le stazioni di ricarica rapida erogano energia misurata in centinaia di kilowatt anziché in kilowatt, consentendo di ricaricare una batteria da 100 kWh in pochi minuti anziché in ore. La stazione converte l'energia di rete attraverso un front-end PFC, un convertitore DC-DC ad alta tensione e un'interfaccia di gestione della batteria. La fisica del trasferimento di potenza determina l'architettura: per trasferire grandi quantità di energia in modo efficiente, la tensione viene aumentata in modo che la corrente rimanga gestibile.

Il bus CC ad alta tensione tra gli stadi del convertitore trasporta l'intera potenza di carica e i componenti presenti su tale bus determinano l'efficienza, l'ondulazione e l'affidabilità della sessione di carica.

2. Requisiti tecnici

2.1 PFC e filtraggio a onda quadra. Lo stadio PFC modella la corrente di rete e il condensatore del bus assorbe l'ondulazione di commutazione. Il condensatore deve sopportare la corrente di ondulazione RMS senza surriscaldarsi:

2.2 Accumulo di energia CC-CC. Lo stadio DC-DC isolato immagazzina energia tra i cicli di commutazione e la fornisce al veicolo. Il condensatore deve mantenere la tensione di alimentazione durante ogni periodo di commutazione:

2.3 Resistenza termica. Gli armadi di ricarica funzionano all'aperto a temperature ambiente fino a 55 °C e i componenti devono dissipare le loro perdite senza derive. Un basso ESR e un coefficiente di temperatura stabile mantengono stabile la linea:

Figura 1 — Catena di alimentazione di una stazione di ricarica rapida per veicoli elettrici e posizione dei componenti HVC.

3. Punti critici riscontrati dagli ingegneri (feedback dal campo)

4. Confronto dei componenti: opzioni per la fase di ricarica

5. Selezione e soluzione HVC

6. Caso di studio di ingegneria

Un gestore di stazioni di ricarica ha riscontrato che le sue unità da 350 kW riducevano la potenza al 60% nei pomeriggi caldi e interrompevano le sessioni a causa di picchi di tensione sul bus. Le immagini termiche hanno mostrato che i condensatori elettrolitici del bus funzionavano al limite. La riprogettazione ha sostituito il banco di condensatori del bus con dischi HVCAP in parallelo e ha aggiunto uno stadio di accumulo HVCT8G:

Due scoperte si sono rivelate importanti al di là dei semplici numeri. In primo luogo, il mantenimento della tensione del bus entro un'ondulazione dell'1.4% ha eliminato le interruzioni del BMS, consentendo il completamento di ogni sessione e aumentando di conseguenza il fatturato giornaliero della stazione, di pari passo con l'utilizzo. In secondo luogo, il bus a temperatura inferiore ha eliminato il guasto dovuto all'essiccazione dei condensatori elettrolitici, e il piano di manutenzione è passato dalla sostituzione trimestrale dei condensatori a un'ispezione annuale. L'aggiornamento ha inoltre semplificato la gestione della stazione: poiché il banco di condensatori ceramici non si secca, la sostituzione programmata dei condensatori del bus è stata eliminata dal piano di manutenzione e la minore temperatura di esercizio ha ridotto il carico sul condizionatore d'aria del cabinet, diminuendo in modo significativo il consumo energetico parassita della stazione. Per l'operatore, il guadagno in termini di affidabilità si è tradotto direttamente in un aumento del tempo di attività: la disponibilità della stazione ha superato per la prima volta il 99%, il dato che l'operatore di rete monitora per decidere dove costruire il prossimo sito. Lo stesso set di componenti è ora la distinta base standard per tutte le nuove stazioni, consentendo al team acquisti di negoziare un unico contratto anziché tre.

7. Considerazioni sulla progettazione

• Margine di tensione: Valutare i componenti del bus almeno del 20% al di sopra della potenza nominale della rotaia per far fronte alle variazioni di carico e ai transitori di rete.
• Budget Ripple: Calcola l'ondulazione RMS dal pattern di commutazione del convertitore e dimensiona il banco di conseguenza, aggiungendo un margine.
• Percorso termico: Assicurare un flusso d'aria adeguato o un sistema di dissipazione del calore per il banco bus e verificare la temperatura del punto più caldo a piena potenza.
• Effetto di polarizzazione CC: Per i dielettrici di Classe II, tenere conto della perdita di capacità alla tensione di polarizzazione di lavoro.
• Disposizione parallela: Utilizzare sbarre collettrici simmetriche in modo che i condensatori in parallelo distribuiscano uniformemente la corrente di ondulazione.
• convalida: Eseguire un ciclo di carica a piena potenza alla massima temperatura ambiente e misurare ondulazione, temperatura e deriva.

8. Riferimenti

• IEC 61851-1:2017, Sistema di ricarica conduttiva per veicoli elettrici — Parte 1: Requisiti generali.
• IEC 60270:2000, Tecniche di prova ad alta tensione — Misure di scariche parziali.
• P. Horowitz e W. Hill, L'arte dell'elettronica, 3ª ed., Cambridge University Press, 2015.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• Scheda tecnica del condensatore con terminali a vite HVC HVCT8G, Condensatore HVC 2024.
• HVC HVD Diodo ad alta tensione Scheda tecnica, condensatore HVC, 2024.