כיצד להתגבר על אתגרי התכנון של תשתית טעינה מהירה ויעילה עבור EV

פתרונות טעינת רכבים חשמליים (EV) זקוקים למגוון טכנולוגיות המרת הספק כדי לתמוך בתכני זרם חילופין (AC) עבור מטענים ביתיים ומשרדיים, ומערכות טעינה מהירה של זרם ישר (DC) עבור טעינה בנסיעות ממושכות בכביש. המכנה המשותף לכל סוגי מטעני EV הוא הצורך במגוון מגעים, ממסרים, מחברים ורכיבים פסיביים הנחוצים כדי לתמוך במתחים ובזרמים הגבוהים, כמו גם לספק את התכנים הקומפקטיים והנצילות הגבוהה הדרושים לתמיכה בתשתית טעינת EV מהירה יותר, בטוחה יותר, קטנה יותר, יעילה יותר וגמישה יותר.

תכנון מטעני EV יעילים וגמישים דורש מגוון של התקנים קומפקטיים במתח גבוה. התקנים אלה חייבים לספק התנגדויות חשמליות נמוכות עם פעולה אמינה ובטוחה. במקרים מסוימים התקנים אלו זקוקים גם לחיי מיתוג חשמלי ארוכים כאשר הם חשופים לסביבות פעולה קשות. כמה מהתקני בטיחות, כמו מתגי כיבוי חירום, נדרשים להיות בעלי תקן IP67. אחרים, כמו מסנני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), בלוקי הדקים ומגעים, חייבים להיות בעלי הרשאות ביצועים בינלאומיות ספציפיות.

מאמר זה מספק סקירה כללית של תכנים של מטעני EV‏ AC‏ ו-DC‏ וכמה תקנים אזוריים קשורים. הוא סוקר את הצורך במטעני EV בעלי הספק גבוה יותר ובוחן את העתיד של טעינה מהירה ביותר (XFC‏). המאמר מסיים בהצגה קצרה של שימושים עבור מגעים, ממסרים, מחברים, נגדי הספק, מתגים, מסנני EMI ומערכות חיברורים של בלוקי הספקת-כוח במערכות טעינת EV וכולל קישורים למוצרים לדוגמה של TE Connectivity‏.

תקנים אזוריים

קיים מגוון של תקנים המגדירים טעינת EV‏ AC‏ ו-DC‏. לכל אזור יש גישה משלו. בצפון אמריקה, SAE J1772 מתאר שלוש רמות של טעינת EV, בעוד ש-IEC 61851‏ משמש באירופה ומפרט ארבעה אופני טעינה. התקן בסין הוא GB/T 20234 עבור טעינת AC ו-DC כאחד, בעוד שביפן קיים תקן של מכון מחקר כלי-רכב של יפן (JARI‏) עבור טעינת AC ו-CHAdeMO‏ עבור טעינת DC. טעינת AC משמשת בדרך כלל עד סביבות kW‏ 22‏, בעוד שטעינת DC מספקת יותר הספק. בנוסף, טעינת AC דורשת מטען מובנה (OBC), בעוד שמטעני DC מתחברים ישירות למארז הסוללות (איור 1). השוואה קצרה של תקני הטעינה בצפון-אמריקה ובאירופה תספק הקשר לפרק הבא על תכנים ומקרי שימוש של מטענים.

איור 1‏: טעינת AC המשתמשת ב-OBC, בעוד שטעינת DC מזרימה אנרגיה ישירות לסוללה. (מקור תמונה: TE Connectivity)

בצפון אמריקה ישנן שתי רמות של טעינת AC‏. רמה 1 משתמשת בשקע קיר כדי לספק עד kW‏ 1.9‏, בעוד שרמה 2 משתמשת בתחנת טעינה של עד kW‏ 19.2‏. מטעני רמה 1 משמשים בעיקר בבתי מגורים, בעוד שמטעני רמה 2 משמשים במערכים למגורים ולמסחר. באירופה ישנם שלושה אופני טעינת AC. אופן 1 הוא כמו רמה 1‏ בצפון אמריקה, בעוד שאופן 3 הוא כמו רמה 2‏ בצפון אמריקה. באירופה יש גם סוג ביניים, אופן 2, המשתמש בתקע קיר כמו אופן 1 אך מוסיף מעגלי הגנה לכבל המחבר המאפשר לו לספק הספק כפול.

מהיר זה לא מספיק

מטעני AC מהירים, כמו רמה 2‏ בצפון אמריקה ואופן 3‏ באירופה, מהירים יותר מהחלופות הלוקחות בין 10 עד 12 שעות לטעינה מלאה של EV. עם זאת, מטען AC מהיר עדיין יכול לקחת מספר שעות כדי להטעין מארז סוללות מרוקנות, והוא שימושי במקרים שבהם מכונית תחנה במשרד, בבית או במיקום אחר לפרק-זמן ממושך. אך זה עדיין לא מספיק מהיר כדי להפחית באופן משמעותי את חרדת הטווח בקרב נהגי EV.

זו הסיבה שפותחו מטעני AC בהספק גבוה אופן 3‏ ומטעני DC ברמה 4‏. קצב הטעינה עבור טעינת DC מהירה תלוי בכמה זרם זמין מהמטען ובמתח של מארז הסוללות. מטעני DC‏ מהירים פותחו תחילה עבור מארזי סוללות של V‏ 400‏. כדי להשיג טעינה של 80% עם V‏ 400‏, מטען של A‏ 200‏ צריך בערך 50 דקות. העלאת הזרם ל-A‏ 350‏ היא מאתגרת, אך פעולה זו יכולה לספק טעינה של 80% של מארז V‏ 400‏ ב-29 דקות בערך. למרות שהעלאת הזרם מקצרת את זמן הטעינה הנדרש, צריך עוד יותר מזה כדי להפוך טעינת EV לחלופה יעילה-בזמן לעומת שיטות תדלוק אחרות. היעד הוא זמן טעינה של 10 דקות בערך - אותו הזמן הדרוש למילוי מיכל הדלק של רכב מנוע בעירה פנימית (ICE‏).

השלב הבא של טעינת DC‏ מהירה יהיה טעינה מהירה ביותר (XFC‏). כדי להגיע ל-XFC, מתחי מארז הסוללות עולים מ-V‏ 400‏ ל-V‏ 800‏, עם מארזים של kV‏ 1‏ באופק. טכנולוגיית מטען XFC מפותחת כדי לספק kV‏ 1‏ ב-A‏ 350‏ עד A‏ 500‏, תוך קיצור זמני הטעינה ל-10 דקות או פחות. עם החידושים ב-XFC, חרדת הטווח תהפוך לעניין של העבר.

בנוסף לפיתוח טכנולוגיית XFC, המתכננים עובדים על תכנים קומפקטיים ונצילות גבוהה כדי לתמוך בטעינת EV בטוחה יותר, קטנה יותר, יעילה יותר וגמישה יותר. זה דורש רכיבים מתקדמים ותכנים מתקדמים.

איור 2: דרושים רכיבים מתקדמים כדי לפתח פתרונות טעינה קומפקטיים יותר ובעלי הספק גבוה יותר עבור רכבים חשמליים. (מקור תמונה: TE Connectivity)

שימוש בחללים צרים

תכני מטעני XFC מפותחים באמצעות מוליכים-למחצה של סיליקון קרביד (SiC) וגאליום ניטריד (GaN) המספקים פתרונות המרת הספק קומפקטיים עם נצילות גבוהה. עם זאת, המרת הספק היא רק מרכיב אחד בתכנון מטען EV.

מטעני EV זקוקים למחברי לוח ואותות קומפקטיים וחסונים עבור בקרה וניטור. הם זקוקים לממסרים חוסכי מקום וממתגי-זרם (Contactor‏) היכולים להתמודד עם המתח הגבוה יותר הקשור למשטרי טעינה מהירים יותר. נגדי הספק במטענים חשמליים זקוקים לעמידות בידוד גבוהה, טמפרטורת משטח נמוכה, ביצועים מעולים של מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות (TCR), יכולת פיזור הספק גבוה במקום מוגבל ומבנה חסין-אש.

ספקי-כוח עזר ומעגלים אחרים תלויים במסנני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) קומפקטיים כדי למנוע הפרעות למעגלי הלוגיקה, בקרה וניטור. כדי לעמוד בסביבות קשות נחוצים מתגי כיבוי חירום עם דירוג IP65 ודי כוח הפעלה כדי למנוע מיתוג שלא במתכוון.

מטעני AC‏ רמה 2‏ / אופן 3‏

הרשימה הבאה מפרטת כמה רכיבים עיקריים הנדרשים בעת תכנון מטעני AC‏ רמה 2‏ ואופן 3‏. המספרים ברשימה תואמים למספרים המעוגלים באיור 3 למטה.

1. ממסרי הספק, כמו סדרת T92‏ של TE, משמשים כמתג הראשי בתחנות טעינה AC. ממסרים אלו עם שני-קטבים ודרך-יחידה (DPST‏) אלו הם בעלי דירוג של עד A‏ 50‏ ומתוכננים עבור שימוש בטמפרטורות קיצוניות. דגם T92HP7D1X-12‏ ממוטב עבור ביצועים תרמיים מעולים ומדורג עבור A‏ 50‏ ו-VAC‏ 600‏ עד C‏°‏85‏.
2. יש צורך במחברי לוח ואותות כמו סדרת ה-Dynamic Mini‏ של TE כדי לתמוך בחיבוריות הספקת-כוח ואותות PCB‏ פנימית. מחברים אלה כוללים מנגנון נעילה פוזיטיבית נשמעת כדי להקל על ההתקנה והתחזוקה בשטח. הם מדורגים לפעולה מ- 40°C- עד 125°C‏+ כדי לתמוך בדרישות של התקנות טעינת AC. לדוגמה, לדגם 1-2834461-2‏ יש 12 מיקומים על קו מרכז של 0.071 אינץ' (1.8 מ"מ).
3. נגדי הספק חשובים עבור ניטור, ניהול והבטחת פעולה בטוחה. הם חייבים להיות בעלי התנגדות בידוד גבוהה, ערכי TCR נמוכים של ppm/°C‏ 300‏, עליית טמפרטורת פני שטח נמוכה ומבנה חסין-אש. סדרת SQ‏ של TE, כמו דגם SQPW51R0J‏ של Ω‏ 1‏ %‏5‏± W‏ 5‏, מתאימה לשימוש במטעני AC.
4. מתג עצירת חירום הוא חשוב לבטיחות של מטען AC. TE מציעה את מתג עצירת חירום סדרת PBE16‏ בגרסות עם תאורה וללא-תאורה. מתגים אלה עומדים בדרישות IEC 60947-5-1‏ ו-IEC 60947-5-5‏. לדוגמה, דגם PBES16L1CR‏ הוא בדירוג IP65 עם כוח הפעלה של 20 ניוטון (N) כדי למנוע הפעלה שלא במתכוון.
5. יש צורך במסנני EMI עבור ספקי-כוח עזר בתחנות טעינה כדי למנוע הפרעה לפעולת המעגלים הדיגיטליים המשמשים לניטור ובקרה של ההספק. יש צורך בספקי-כוח עזר גם כדי לספק כוח עבור מוליכים-למחצה להספק במקטע של המרת הספק. דגם 6609065-3‏ של TE הוא מסנן EMI חד-פאזי בדירוג של A‏ 6‏ ב-VAC‏ 250‏ ו-50 או 60 הרץ.
6. לבסוף, דרושים פתרונות חשמליים עבור חיווט וזיהוי פאנלים כדי להאיץ את ההרכבה והתחזוקה בשטח. תוויות אלה חייבות להיות קלות להתקנה ועמידות ביותר. לדוגמה, ה-PL-027008-2.5-9‏ של TE הוא תווית דביקה מפוליאסטר המתוכננת עבור שימוש בארונות חשמל כמו תחנות טעינת EV‏.

איור 3: רכיבי מפתח הדרושים למטעני AC ברמה 2 ואופן 3. (מקור תמונה: TE Connectivity)

מטעני DC‏ מהירים ו-XFC‏

מרמה גבוהה, סוגי הרכיבים הדרושים למטעני AC ברמה 2 ואופן 3 נראים דומים לאלה המשמשים במטעני DC‏ מהירים. עם זאת, ישנם כמה הבדלים ברורים בין השניים.

תחנות טעינת AC משתמשות בדרך כלל בממסרים עבור בקרת ההספק, בעוד שמטעני DC זקוקים לממתגי-זרם (Contactor‏). למרות שממסרים וממתגי-זרם הם שניהם מתגים המשתמשים במתח נמוך כמו Vdc‏ 12‏ כדי למתג מעגל מתח גבוה יותר, ההתקנים משתמשים במבני מגעים שונים המותאמים לרמות המתח והזרם השונות. ממסרים מדורגים בדרך כלל עבור עד V‏ 600‏, בעוד שממתגי-זרם מדורגים עבור V‏ 800‏ ומעלה. בנוסף, ממסרים מוגבלים בדרך כלל לעשרות אמפר, בעוד שקיימים ממתגי-זרם המסוגלים למתג מאות אמפר. לדוגמה, ממתג-זרם EV200AAANA‏ של TE מדורג ל-V ‏ 900‏ ו-A‏ 500‏, והוא מתאים עבור מטעני DC‏ מהירים.

מחברי האותות ונגדי ההספק המשמשים במטעני DC אינם זהים לאלה המשמשים בתכני AC. מטעני DC כוללים בקרה מורכבת יותר כמו תקשורת עם מארז סוללות ה-EV שאינה קיימת בתכני AC‏. גם מטעני AC וגם מטעני DC נהנים משימוש במחברי לוח-ללוח עם פסיעה קטנה וקו מרכז של 0.050 אינץ' x‏ 0.050 אינץ' (1.00 מ"מ x‏ 1.00 מ"מ), אך מטעני DC עשויים לדרוש מספר פינים גבוה יותר כמו 30 המיקומים של 1MM-R-D15- VS-00-F-TBP‏.

בנוסף, רמות ההספק הגבוהות יותר במטעני DC יכולות להפיק תועלת מנגדי הספק בבית מאלומיניום כמו סדרת HS‏ של TE. נגדי חוט מלופף אלה הם יציבים מאוד ויכולים לפזר הספק גבוה במקומות מוגבלים עם טמפרטורת פני שטח נמוכה יחסית. לדוגמה, דגם HSA1010RJ‏ מדורג עבור Ω‏ 10‏ ±‏%‏5‏ ו-W‏ 10‏. דגמים אחרים בסדרה מדורגים עבור עד kΩ‏ 82‏ ועד W‏ 300‏.

למרות שניתן להשתמש באותו סוג של מתג כיבוי חירום עבור מטעני AC ו-DC, במקרה של מסנני EMI, מטעני DC עשויים להזדקק למסננים גדולים יותר או ליותר מסננים בהתאם לתכן.

הבדל נוסף בין מטעני AC ו-DC הוא שמטעני DC דורשים בלוקי הדקים להספק כמו ENTRELEC Compact Power Blocks‏ של TE עבור פילוג הספקת-כוח פנימית. דגם CBS50-2P‏ מדורג עבור A‏ 150‏ ו-kV‏ 1‏.

איור 4‏: מטעני DC מהירים זקוקים לרבים מאותם הרכיבים כמו מטעני AC ברמה 2 ואופן 3, אך ישנם גם כמה הבדלים קלים. (מקור תמונה: TE Connectivity)

סיכום

תכני מטעני EV‏ מתקדמים יהיו קריטיים להפחתת חרדת הטווח ואפשור פרישה בקנה-מידה גדול של רכבים חשמליים (EV‏). מטענים מתקדמים אלו ישתמשו במתחים ובזרמים גבוהים יותר כדי לקצר את זמן הטעינה לכ-10 דקות, ובכך להפוך אותו לדומה לזמן התדלוק של רכבים עם מנוע בעירה פנימית. כפי שהוצג, המתכננים זקוקים למגוון רחב של רכיבים קומפקטיים, יעילים ועמידים לסביבה עבור מטעני AC ו-DC מהירים ועבור דורות עתידיים של תכני XFC‏.