Analyse der Ladearchitektur von Elektrofahrzeugen und Sicherheitslösungen

Der globale Markt für Anwendungen zum Laden von Elektrofahrzeugen erfährt ein exponentielles Wachstum

Um die umweltbezogenen Klimaneutralitätsziele verschiedener Regierungen zu unterstützen, verzeichnet der globale Markt für Anwendungen zum Laden von Elektrofahrzeugen derzeit ein exponentielles Wachstum, wobei erwartet wird, dass 250-kW- und 350-kW-Ladegeräte um 33 % zunehmen. Anwendungen für das Laden von Elektrofahrzeugen haben spezifische technische Anforderungen, wie etwa die Notwendigkeit einer ultraniedrigen Isolationskapazität, die typischerweise weniger als 5 pF beträgt, idealerweise 3 pF. Darüber hinaus müssen Designs die Anforderungen an die Common-Mode-Transientenimmunität (CMTI) berücksichtigen. Mit der stetigen Erhöhung der Schaltfrequenz erfordert die neue Generation von Siliziumkarbid (SiC) nun höhere Niveaus der dV/dt-Immunität. Hinsichtlich des Teilentladungsverhaltens muss SiC in der Lage sein, 1200 V zu unterstützen, und in bestimmten Anwendungen könnte dies sogar auf 1500 V steigen.

Außerdem hat sich mit der weit verbreiteten Einführung von Elektrofahrzeugen die Schnellladetechnologie erheblich verbessert. Beispielsweise kann die Gleichstrom-Schnellladetechnologie (DCFC) eine Batterie in kurzer Zeit vollständig aufladen, was den Benutzerkomfort und die Nutzererfahrung steigert.

Daher sind die Forschung und Anwendung von hocheffizienter Batterietechnologie entscheidend. Zum Beispiel hat das Auftauchen neuer Batterietechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien und Feststoffbatterien die Energiedichte und die Lade-/Entladeeffizienz deutlich verbessert.

Um mehr Verbraucher zum Kauf von Elektrofahrzeugen zu bewegen und die Chancen auf dem Markt für Ladestationen zu nutzen, erhöhen Regierungen und Unternehmen ihre Investitionen in die Ladeinfrastruktur. Dazu gehört die Erweiterung der Anzahl von Ladestationen und Ladesäulen, um die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen zu decken. Zudem wird die Anwendung intelligenter Lademanagementsysteme immer verbreiteter, wodurch die Ladeeffizienz maximiert und die intelligente Verwaltung von Ladegeräten ermöglicht wird.

Mit der Entwicklung und Anwendung erneuerbarer Energien beginnen auch Ladeanlagen für Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energiequellen wie Solar-Ladestationen und Windkraft-Ladeeinrichtungen zu integrieren, wodurch die Kohlenstoffemissionen des Ladeprozesses weiter reduziert werden. Darüber hinaus ist die drahtlose Ladetechnologie eine wichtige zukünftige Entwicklungsrichtung. Durch Sensoren und elektromagnetische Felder ist es möglich, Elektrofahrzeuge ohne kabelgebundenes Anschließen zu laden, was die Benutzerfreundlichkeit und die Sicherheit beim Laden erhöht.

Eine umfassende Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge gewährleistet schnelles und sicheres Laden

Die technologische Architektur für das Laden von Elektrofahrzeugen umfasst mehrere wichtige Komponenten und Technologien, darunter das Ladegerät, das Ladesystem zur Steuerung, die Lade-Schnittstelle, das Ladenetzwerk sowie intelligente Systeme und Sicherheitsvorkehrungen für Ladestationen. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass das Laden von Elektrofahrzeugen effizient, effektiv und sicher ist.

Das Ladegerät ist das Gerät, das Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt, um die EV-Batterie zu laden. Zu den Ladegerätetypen gehören Heimladegeräte, öffentliche Ladestationen, Schnellladegeräte und Bordladegeräte. Heimladegeräte werden häufig in Wohnungen oder am Arbeitsplatz verwendet, haben niedrigere Leistungsniveaus und langsamere Ladegeschwindigkeiten. Öffentliche Ladestationen befinden sich an öffentlichen Orten oder in Gewerbegebieten und stehen zur allgemeinen Nutzung zur Verfügung. Schnellladegeräte haben höhere Leistungsabgaben und ermöglichen schnelles Laden, um Effizienz und Komfort zu steigern. Bordladegeräte sind in Fahrzeugen installiert, um die Batterie oder interne elektronische Geräte zu laden.

Das Ladeverwaltungssystem steuert Strom und Spannung während des Ladevorgangs, um ein sicheres Laden und den normalen Betrieb der EV-Batterie zu gewährleisten. Es überwacht die Batterietemperatur, Spannung und Strom und passt die Ladegeschwindigkeit bei Bedarf an, um ein Überladen oder Entladen zu verhindern.

Die Lade-Schnittstelle ist der Verbindungspunkt zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladeausrüstung, normalerweise am Fahrzeugkörper oder Ladeanschluss platziert. Häufige Lade-Schnittstellen umfassen Typ 1, Typ 2, CHAdeMO, CCS und andere Standards, die je nach Region und Fahrzeugtyp variieren können.

Das Ladenetzwerk umfasst Ladestationen, Ladepunkte und Lademanagementsysteme, die die gesamte Ladeinfrastruktur bilden. Intelligente Systeme nutzen Internetkonnektivität, Software und Sensoren, um eine smarte Verwaltung, Fernüberwachung und Nutzerdienste zu ermöglichen, wodurch die Effizienz und der Komfort des Ladesystems verbessert werden.

Ladegeräte sind in der Regel mit Sicherheitsfunktionen ausgestattet, wie beispielsweise Überstromschutz, Überspannungsschutz und Übertemperaturschutz, um Sicherheit und Zuverlässigkeit während des Ladevorgangs zu gewährleisten. Ladesysteme für Elektrofahrzeuge verfügen häufig über Designs für Wasserfestigkeit, Staubbeständigkeit und Brandschutz, um den vielfältigen Anforderungen in unterschiedlichen Umgebungen und Szenarien gerecht zu werden.

Diese Komponenten und Technologien bilden zusammen die technische Architektur für das Laden von Elektrofahrzeugen und stellen die Infrastruktur sowie die Sicherheitsgarantie bereit, die für das Laden von Elektrofahrzeugen notwendig sind. 

Die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit beim Laden von Elektrofahrzeugen ist von großer Bedeutung.

Während des Ladevorgangs müssen mehrere wesentliche Aspekte der Sicherheits- und Schutzarchitektur berücksichtigt und angegangen werden, einschließlich der Sicherheit der Ladeausrüstung, des Batteriesschutzes, des Designs zur Vorbeugung von Feuer und Explosionen, der richtigen Lademethoden, der Ladeumgebung und der Betriebsverfahren, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Ladevorgangs zu gewährleisten.

Hinsichtlich der Sicherheit von Ladegeräten ist es wichtig, qualifizierte und zertifizierte Ladegeräte zu verwenden und beschädigte oder unbefugte Geräte zu vermeiden, um die Sicherheit des Ladevorgangs zu gewährleisten. Regelmäßige Inspektionen und Wartung der Ladegeräte sind ebenfalls entscheidend, um deren ordnungsgemäßen Betrieb und Sicherheitsleistung sicherzustellen, wie zum Beispiel das Überprüfen des Zustands von Ladestationen, Ladekabeln und Schnittstellen.

Die Sicherheit der Batterie ist ebenfalls von größter Bedeutung. Während des Ladevorgangs ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Temperatur und Spannung der Batterie innerhalb sicherer Bereiche bleiben, um Überhitzung, Unterkühlung, Überladung oder Tiefentladung zu vermeiden. Der Einsatz von Ladegeräten, die mit Batterie-Management-Systemen (BMS) ausgestattet sind, ist entscheidend, da diese den Strom und die Spannung während des Ladevorgangs überwachen und regulieren können, um die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten.

Zusätzlich sollte Ladeausrüstung Brandschutz- und Explosionsschutzdesigns integrieren, wie beispielsweise Schutzmaßnahmen gegen Kurzschlüsse, Überlastungen und Überspannungen, um das Risiko von Bränden und Explosionen zu verringern. Die Verwendung feuerbeständiger und explosionssicherer Materialien sowie struktureller Designs erhöht ebenfalls die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Ladeausrüstung.

Darüber hinaus ist es entscheidend, die geeignete Lademethode und das passende Ladegerät basierend auf dem Modell und den Spezifikationen des Elektrofahrzeugs auszuwählen, um Sicherheitsprobleme durch unsachgemäße Lademethoden zu vermeiden. Langfristiges Hochgeschwindigkeitsladen oder übermäßige Entladung sollten vermieden werden, um die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten.

Während des Ladevorgangs ist es wichtig sicherzustellen, dass sowohl die Ladeausrüstung als auch die Batterie sich in einer sicheren Umgebung befinden. Feuchte Bedingungen, hohe Temperaturen oder das Laden in Bereichen mit Explosionsrisiken sollten vermieden werden. Beim Betrieb der Ladeausrüstung ist es entscheidend, konzentriert zu bleiben und die Bedienungsanleitungen zu befolgen, um Sicherheitsrisiken aufgrund von Bedienfehlern oder unsachgemäßer Handhabung zu vermeiden.

Gate-Treiber-DC-DC-Wandler für Elektrofahrzeug-Ladegeräte

Murata hat eine Reihe von Gate-Treiber-DC-DC-Wandlern eingeführt, die speziell für Gate-Treiber-Schaltungen entwickelt wurden, die häufig in Lösungen für erneuerbare Energien, Bewegungssteuerung, Mobilität und Gesundheitswesen eingesetzt werden. Diese Produkte zeichnen sich durch eine extrem niedrige Isolationskapazität von 3pF aus, optimierte duale Ausgangsspannungen für IGBT/SiC- und MOS-Gatetreiber, mit einer maximalen Gleichspannungs-Bindung von 3KV. Sie bieten eine hohe Zuverlässigkeit gegen Teilentladungen und eine hohe Immunität gegenüber dv/dt-Störungen, bis zu 80kV/µS bei 1,6kV. Zu den Hauptprodukten, die sich für Anwendungen in der Ladung von Elektrofahrzeugen eignen, gehören die Serien MGJ1 SIP, MGJ2B, MGJ1/MGJ2, MGJ3/MGJ6, NXE und NXJ.

Die neu eingeführten MGJ1 SIP-Serie und MGJ2B-Serie DC-DC-Wandler von Murata sind ideal für die Versorgung von „High-Side“- und „Low-Side“-Gate-Drive-Schaltungen für IGBT/MOSFET, SiC und GaN in Brückenschaltungen. Durch die Auswahl asymmetrischer Ausgangsspannungen werden optimale Ansteuerniveaus ermöglicht, was zu einer optimalen Systemeffizienz und EMI-Kontrolle führt. Die MGJ1 SIP- und MGJ2B-Serien zeichnen sich dadurch aus, dass sie die hohen Isolations- und dv/dt-Anforderungen erfüllen, die in Brückenschaltungen für Motorantriebe und Wechselrichter häufig anzutreffen sind. Ihre hohe Betriebstemperaturbewertung und robuste Struktur sorgen für eine verlängerte Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Die MGJ1 SIP-Serie und die MGJ2B-Serie bieten beide eine kontinuierliche Barriere-Durchschlagspannung von 2,4 kV sowie Kriech- und Luftstreckenabstände von 6 mm. Die optimierte Ausgangsspannung ist so konzipiert, dass sie die Anforderungen führender IGBT/SiC- und MOSFET-Geräte erfüllt. Die MGJ1 SIP-Serie unterstützt verstärkte Isolation, spezifiziert mit 300 Vrms und 1 W Leistung, während die MGJ2B-Serie verstärkte Isolation, spezifiziert mit 300 Vrms und 2 W Leistung, unterstützt.

Sowohl die MGJ1 SIP-Serie als auch die MGJ2B-Serie bieten optimierte bipolare Ausgangsspannungen für IGBT/MOSFET-, SiC- und GaN-Gatetreiber. Die verstärkte Isolierung entspricht der UL62368-1-Zulassung, wobei die Einhaltung von Standards wie ANSI/AAMI ES60601-1, 1 MOPP/2 MOOP, noch aussteht. Die MGJ1 SIP-Serie wird einem Spannungsfestigkeitstest mit einer Isolationsspannung von 5,2 kVDC unterzogen, während die MGJ2B-Serie bei einer Isolationsspannung von 5,4 kVDC getestet wird. Beide Serien verfügen über eine ultraniedrige Isolationskapazität und unterstützen Eingangsspannungen von 5V, 12V, 15V und 24V.

Die MGJ1-SIP-Serie bietet Ausgangsoptionen wie +6V/-3V, +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-9V, +18V/-2,5V und +20V/-5V. Die MGJ2B-Serie bietet Ausgangsoptionen einschließlich +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-8,7V, +15V/-15V, +17V/-9V, +18V/-2,5V, +18V/-5V3, +20V/-3,5V und +20V/-5V. Beide Serien arbeiten bei Temperaturen bis zu 105°C, mit einer Gleichtakt-Transientenfestigkeit (CMTI), die 200kV/µS übersteigt. Sie unterstützen zudem eine kontinuierliche Barrierespanungsfestigkeit von 2,4kVDC und weisen Charakteristika für Teilentladungsleistung auf, wobei sie SIP-Packungsformfaktoren nutzen.

Fazit

Die Sicherheit beim Laden von Elektrofahrzeugen ist ein entscheidender Aspekt, um den normalen Betrieb von Elektrofahrzeugen und die Sicherheit der Nutzer zu gewährleisten. Dafür ist eine umfassende Berücksichtigung der Sicherheit der Ladeausrüstung, des Batteriemanagements, der Feuer- und Explosionsschutzgestaltung sowie der korrekten Ladevorgänge erforderlich. Eine effektive Berücksichtigung dieser Aspekte kann die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Ladevorgangs verbessern. Die in diesem Artikel beschriebene Architektur und das System für den Sicherheitsschutz beim Laden von Elektrofahrzeugen können mit einer Reihe von DC-DC-Wandlern von Murata umgesetzt werden.