Umfassende Hochleistungs-DC-Schnelllade-Lösungen

Die Gleichstrom-(DC)-Schnellladung ermöglicht das Laden von Batterien mit höheren Leistungsstufen und bietet Vorteile wie schnellere Ladegeschwindigkeiten, geringere Verluste und höhere Effizienz. Sie kann Batterien mit großer Kapazität unterstützen und steigert dadurch die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von Elektrofahrzeugen (EVs). Mit der zunehmenden Beliebtheit und Weiterentwicklung von Elektrofahrzeugen ist die Gleichstrom-Schnellladung zur Haupttechnologie in aktuellen Anwendungen der EV-Ladung geworden und verspricht eine vielversprechende Marktentwicklung. Dieser Artikel wird die Entwicklungstrends im Bereich der DC-Ladung sowie die von Arrow Electronics zusammen mit Partnern wie Infineon, ST und anderen eingeführten Lösungen vorstellen.

Die globale Perspektive für DC-Schnellladen ist vielversprechend

Die Marktanalyse zeigt, dass bis 2034 DC-Schnellladegeräte einen Anteil von 33 % am Markt für öffentliche Ladestationen einnehmen werden. In den Vereinigten Staaten beispielsweise umfasst das parteiübergreifende Infrastrukturgesetz das National Electric Vehicle Infrastructure (NEVI)-Programm in Höhe von 5 Milliarden US-Dollar über fünf Jahre.   In Europa, dem Nahen Osten und Afrika (EMEA) ist das Ziel, bis 2030 3,5 Millionen Ladepunkte zu etablieren, mit genehmigten Investitionen in Höhe von 15 Milliarden Euro für alternative Kraftstoff-Infrastruktur, einschließlich elektrischer Schnellladeeinrichtungen entlang eines transeuropäischen Netzwerks.   In der Region Asien-Pazifik schätzt McKinsey, dass der ASEAN-Markt bis 2030 95.000 öffentliche AC-Ladepunkte und 40.000 DC-Ladepunkte benötigen wird. Dies entspricht einem 30-fachen Anstieg gegenüber den aktuellen Zahlen, wobei China über 90 % dieses Marktanteils ausmacht.   DC-Ladeanwendungen werden typische Leistungsbereiche von 50 kW bis 350 kW abdecken. Weltweit erreichte die Anzahl der DC-Lader im Jahr 2023 868.000, ein Anstieg von über 60 % gegenüber 330.000 im Jahr 2022. Laut der Roadmap für 2030 wird in den USA mit 500.000 Schnellladern und in der EU mit 3,5 Millionen Ladepunkten gerechnet, was auf ein erhebliches Wachstumspotenzial des Marktes hinweist.

30-kW-Elektrofahrzeug-Ladegerät Komplettlösungen

eInfochips, eine Tochtergesellschaft von Arrow, ist optimistisch hinsichtlich der Entwicklung des DC-Schnelllademarkts und hat eine 30-kW-Elektrofahrzeug-Ladelösung auf den Markt gebracht. Das DC-Schnellladegerät-Design von eInfochips ist ein intelligenter, vernetzter und zukunftssicherer DC-Lader.   Das DC-Ladegerät von eInfochips verfügt über ein 10-Zoll großes HMI-Display (mit einer Helligkeit von 1000 Nits), das Benachrichtigungen über LEDs und einen Lautsprecher ausgeben kann. Die LEDs zeigen den Stromstatus, Fehler und den Ladestatus an, und es enthält einen 3-W-Lautsprecherausgang für Nutzer-Benachrichtigungen. Die Fernverwaltung erfolgt über EVWER (eine geistige Eigentumsplattform von eInfochips). Das Ladegerät unterstützt die CCS1-/CCS2-Ladestandards, beinhaltet ultrakompakte Energiezähler und ist mit den Standards OCPP 1.6J/ISO15118 für intelligentes Laden/V2G-Anwendungen kompatibel. Es verfügt über integrierte Schutzmaßnahmen gegen Überspannungen, Überstrom, Stromstöße und andere Sicherheitssysteme und hat eine Nennleistung von 30 kW/60 A.   Das DC-Ladegerät von eInfochips ist modular aufgebaut, bestehend aus Leistungsmodulen und SECC-Einheiten. Es unterstützt Eingangsschutzmaßnahmen wie Überspannung/Unterspannung, Übertemperatur, Überstrom, Erdschluss, RCD/CCID-Geräte, Kurzschluss, Stromstöße und Notabschaltung. Der Ausgangsschutz umfasst Übertemperatur, Überstrom, DC-Hochspannung (Ein-/Ausgang), galvanische Trennung und Schutz vor elektrischem Schock (DC-Isolationsüberwachung). Es verfügt über Gigabit-Ethernet- und Wi-Fi-Netzwerk-Schnittstellen und unterstützt OCPP 1.6J-Netzwerkkommunikation, ISO15118, IEC 61851-23, -24 Fahrzeugkommunikation sowie eine CCS1-/CCS2-Ladeschnittstelle mit Energiezählerfunktionen.   Diese umfassende Lösung für das Laden von Elektrofahrzeugen umfasst die Entwicklung von Software/Digitalplattformen mit cloud-unabhängigen Lösungen (Azure, AWS, GCP), die Implementierung fortschrittlicher Ladefunktionen, Benachrichtigungen, Push-Warnungen, Berichterstattung und Dashboards sowie Datenaggregation und Analysen. Sie durchläuft Vorab-Konformitäts- und Zertifizierungstests (CE, FCC, UL, RoHS, REACH), unterstützt Funktionstests, EDVT, Thermotests, mechanische Tests einschließlich IP67, Stoß, Hochdruckreinigung und UV-Strahlung und beinhaltet Qualitätssicherung und Testautomation.   Darüber hinaus unterstützt diese Lösung für das Laden von Elektrofahrzeugen auch die Entwicklung von mobilen/Web-Apps, basierend auf einer webbasierten Multi-Tenant-Plattform, die plattformübergreifende Android-/iOS-App-Entwicklung ermöglicht. Sie umfasst Full-Stack-Design, UI/UX, App-Analysen und mehrsprachige Unterstützung. Im Bereich Firmware-Entwicklung unterstützt sie BSP-Entwicklung/Anpassung/Testing für Betriebssysteme wie Linux, RTOS und Android und ermöglicht Firmware-Anwendungen, OTA-Updates, Cybersicherheit, Gerätetreiber, HAL, Middleware und Bibliotheken.   Die Lösung bietet außerdem Design-to-Manufacturing-Lösungen (Manufacturing as a Service, MaaS), die bei der Fertigungs-/Montagegestaltung, der Komponenten-/Lieferkettennavigation und dem Zugang zu über 15 Vertragsherstellern helfen. Das Hardwaredesign entspricht OCPP-konformen Anforderungen an Elektrofahrzeug-Ladegeräte und unterstützt eingebettete, industrielle, mechanische Designs sowie Komponenten/Bauteillisten, Architektur, PCB-Schematik, Layout, Signalintegrität, Board Bring-up, Prototypendesign, DFA/DFM und weitere Ressourcen. Darüber hinaus bietet sie Management-Dienstleistungen wie Produktlebenszyklusmanagement, Modernisierung von Legacy-Ressourcen, L1/L2/L3-Support, 24x7 NOC, SLA-Management, DevOps/CloudOps usw.

Unterstützung von Hochleistungs-Batteriespannungen über 1200 V DC-Ladelösungen

Da die Batteriespannungen von Elektrofahrzeugen von 400 V auf 800 V steigen, erhöht sich auch die Nennspannung von Leistungsgeräten auf 1200 V und darüber, um die Masse der Kupferdrähte zu reduzieren und die Leistungsdichte zu verbessern. Um diese Nachfrage zu erfüllen, hat Infineon die EVAL-FFXMR20KM1HDR CoolSiC™ MOSFET 2 kV 62 mm SiC MOS Half-Bridge Module Evaluation Board eingeführt, eine Gate-Treiber-Platine, die dazu entwickelt wurde, 62-mm-Module in einer Halbbrückenkonfiguration mit der neuesten CoolSiC™ MOSFET-Technologie von Infineon anzusteuern. Sie integriert den kompakten Gate-Treiber 1ED3890MC12M sowie Boost-Stufen-Bauteile, um die Ausgangsleistung des Treibers zu verbessern, mit Zuverlässigkeit und schneller Steuerbarkeit.   Diese Halbbrücken-Modul-Bewertungsplatine verfügt über ein 62 mm, 2 kV Modul mit CoolSiC™ Trench-MOSFET-Technologie für optimiertes Gate-Driving mit separaten Gate-Anschlüssen für Source und Sink. Sie verwendet den 1ED3890MC12M oder 1ED3890MU12M (X3 digital) Treiber-IC mit I2C-Bus für Parameteranpassungen und unterstützt einen Hardware-Unterspannungsschutz (UVLO – Undervoltage Lockout). Ein geeignetes PCB-Design (Leiterplatten-Design) kann die Erwärmung der Leiterplatte während des Betriebs begrenzen, mit Funktionen wie zweistufiges Abschalten (TLTO – Two-level turn-off) mit einstellbaren Steigungen, Plateauzeit und Plateauniveau, sowie Anpassungen zur Vermeidung negativer Spannungen im Bereich von -5 V bis 0 V. Dieses Gerät ist als Plug-and-Play-Testlösung einsatzbereit und bietet Vorteile wie hohe positive Spannungsanpassungen für hohe Schaltfrequenzen, mit einem PCB-Design zur Begrenzung der Erwärmung während des Betriebs. Es ist geeignet für Anwendungen in der Elektrofahrzeugladung, Photovoltaik und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sowie andere Anwendungsfälle.   Der in dieser Bewertungsplatine verwendete EiceDRIVER™ 1ED38x0Mc12M Enhanced ist ein einkanaliger, 5,7 kV (rms) isolierter Gate-Treiber-IC mit I2C-Anpassbarkeit, geeignet für DESAT, Soft-Off, UVLO, Miller-Klemme und optionalem zweistufigem Abschalten. Dieser Gate-Treiber unterstützt 650 V, 1200 V, 1700 V und 2300 V IGBT-, SiC- und Si-MOSFETs.   Der Gate-Treiber unterstützt eine maximale Ausgangsversorgungsspannung von 40 V (absolut) und typische Spitzen-Ausgangsströme von ±3 A, ±6 A und ±9 A beim Laden und Entladen, geeignet für Hard-Switching oder optionales zweistufiges Abschalten und aktive Miller-Klemme. Der I2C-Bus wird zur Parametereinstellung und Statusregisterabfrage verwendet und unterstützt genaue, einstellbare, temperaturkompensierte VCEsat-Erkennung (DESAT) mit Fehlerausgängen sowie einstellbares sanftes Ausschalten des IGBT nach Detektion der Sättigung. Der Betrieb ist bei hohen Umgebungstemperaturen bis zu 125 °C möglich, mit einer Übertemperaturabschaltung bei 160 °C (±10 °C).   Dieser Gate-Treiber unterstützt eine enge IC-zu-IC-Ausbreitungsverzögerungsanpassung (tPDD, max = 30 ns), mit Unterspannungsschutz an der Eingangs- und Ausgangsseite sowie einer aktiven Abschaltfunktion. Der integrierte ADC-Komparator kann konfigurierbares Feedback oder ein Fehlerabschaltverhalten generieren und bietet eine hohe Gleichtakt-Störspannungsfestigkeit (CMTI) von 200 kV/μs. Er wird in einem platzsparenden DSO-16-Gehäuse mit feinem Raster und großem Kriechabstand (größer als 8 mm) verpackt und ist zertifiziert, um die Anforderungen industrieller Anwendungen gemäß UL 1577 und VDE 0884-11 Sicherheitszertifizierung zu erfüllen.

Komplettlösung für ein 30-kW-Elektrofahrzeug-Ladegerät-Powermodul

ST bietet außerdem eine vollständige 30 kW-Lösung für Elektrofahrzeug-Ladegeräte an, einschließlich des 30 kW Vienna-PFC-Gleichrichter-Referenzdesigns mit digitaler Steuerung – STDES-30KWVRECT. Dieses Referenzdesign ist speziell auf Hochleistungs-Dreiphasen-Active-Front-End (AFE)-Gleichrichter-Anwendungen basierend auf der dreistufigen Vienna-Topologie abgestimmt und stellt eine umfassende digitale Stromversorgungslösung dar.   Mit Nutzung der Komponenten SCTWA90N65G2V-4 und STPSC40H12C erreicht die Plattform eine Spitzenwirkungsgrad von mehr als 98,5 %. Sie verwendet den gemischt-signaligen Hochleistungs-Mikrocontroller STM32G474RE zur vollständigen digitalen Steuerung und ermöglicht so eine umfassende Steuerung des Leistungsfaktors, der Gleichspannung und der Softstartverfahren. Der STDES-30KWVRECT erreicht eine geringe Gesamte harmonische Verzerrung (THD von weniger als 5 % bei voller Last) und einen hohen Leistungsfaktor (höher als 0,99 bei voller Last), während eine hochfrequente kontinuierliche Leitmodusstromregelung (CCM) bereitgestellt wird.   Dieses Referenzdesign umfasst einen Dreiphasen-Dreistufen-Wechselrichter-Gleichrichter, der eine nominale Gleichspannung von 800 V und eine nominale Wechselspannung von 400 V mit einer maximalen Leistung von 30 kW unterstützt. Es bietet dabei einen Leistungsfaktor von über 0,99, Einschaltstromsteuerung, Softstart und eine THD von weniger als 5 % im gesamten Nennbetrieb.   Im Leistungsabschnitt, der auf SiC-MOSFETs und SiC-Dioden basiert, unterstützt es Hochfrequenzbetrieb bei 70 kHz und erreicht eine Effizienz von mehr als 98,5 %. Parallele SiC-MOSFETs ermöglichen höhere Leistungen mit ausgewogenem Stromfluss und reduzieren gleichzeitig Gewicht und Größe passiver Komponenten.   Der Steuerungsabschnitt, basierend auf dem Mikrocontroller STM32G474RE, umfasst Steuerungs- und Überwachungsschnittstellen wie SWD–UART, I²C und DAC sowie einen digitalen 64-Pin-Stromanschluss. LED-Statusanzeigen dienen als Benutzeroberfläche, während vier integrierte Hochleistungs-Operationsverstärker zusätzliche Funktionalitäten bieten.   Zusätzlich hat ST einen 30 kW SiC-MOSFET-DC-DC-Wandler mit dem STM32G4 eingeführt, der sich für Ladegeräte für Elektrofahrzeuge eignet. Dieses digital gesteuerte DC-Lademodul, das 30 kW-Dreiphasen-LLC-Referenzdesign (STDES-30KWLLC), hat eine Nennausgangsleistung von 30 kW, arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 100–300 kHz und unterstützt DC-Eingangsspannungen von 650 VDC – 850 VDC sowie DC-Ausgangsspannungen von 200 VDC – 1000 VDC. Es erreicht eine Spitzenwirkungsgrad von mehr als 98 % und integriert den leistungsstarken 32-Bit-MCU STM32G474. Im PFM-Modus bietet es Eingangsschutzfunktionen wie Unterspannungsschutz (UVP), Überspannungsschutz (OVP) und Überstromschutz (OCP) sowie Ausgangsunterstützung für Überspannungsschutz (OVP) und Überstromschutz (OCP).-   Dieser Wandler, basierend auf 1200-V-SiC-Bauteilen und hohen Schaltfrequenzen, erreicht durch die Nutzung von weniger SiC-MOSFETs eine höhere Effizienz und ermöglicht durch einen einzelnen LLC-Wandler mit breitem Leistungsbereich und hoher Ausgangsspannung höhere Leistungen.   Ein weiteres Angebot von ST ist der 30 kW-Dreiphasen-Vienna-Gleichrichter für Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Er akzeptiert Dreiphaseneingangsspannungen von 345 VAC bis 460 VAC mit Frequenzen im Bereich von 47 Hz bis 63 Hz und einem maximalen Eingangsströmen von 55 ARMS. Die DC-Ausgangsspannung beträgt 800 VDC, die Nennausgangsleistung 30 kW, und er arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 70 kHz bei einer Spitzenwirkungsgrad von mehr als 98,7 %. Im Betrieb unter Volllast beträgt der Leistungsfaktor 0,99, THD liegt unter 5 %, und die Integration des leistungsstarken 32-Bit-MCU STM32G474 ist ebenfalls enthalten. Dieser 30 kW-Dreiphasen-Vienna-Gleichrichter, basierend auf SiC-Bauteilen, erreicht eine höhere Effizienz, äußerst niedrige THD (Gesamte harmonische Verzerrung) und eine niedrigere Designkomplexität.   Ferner steht eine 60 kW-Dreiphasen-Parallellösung im LLC-Design mit digitaler Steuerung für Aufwärmanwendungen zur Verfügung. Sie arbeitet mit DC-Eingangsspannungen von 650 VDC – 850 VDC und DC-Ausgangsspannungen von 200 VDC – 1000 VDC, erzielt eine Nennausgangsleistung von 60 kW und eine Spitzenwirkungsgrad von mehr als 98 %. Wie die anderen Lösungen integriert sie den leistungsstarken 32-Bit-MCU STM32G474 und basiert auf SiC-Bauteilen, wodurch eine höhere Effizienz erreicht wird, während paralleles LLC den Einsatz von weniger SiC-MOSFETs für Hochleistungsanwendungen mit breitem Bereich und hoher Ausgangsspannung ermöglicht.   Die Lösungen von ST basierend auf STM32G4 und SiC tragen zu leistungsstarken Ladegeräten für Elektrofahrzeuge bei, einschließlich Komplettlösungen für PFC und DCDC, um hohe Leistungen zu erreichen. Sie bieten den Kunden auch fortschrittliche Komponenten (SiC-MOSFETs, SiC-Dioden, STGAP, STM32). Die 30 kW-Dreiphasenlösung erzielt einen Spitzenwirkungsgrad von 98 % bei 160 kHz und 700 Vout unter Halblastbedingungen.

Fazit

Die DC-Schnellladung wird in Anwendungen für Elektrofahrzeuge immer wichtiger und entwickelt sich rasant weiter. Sie spielt eine zentrale Rolle in der modernen Technologie von Elektrofahrzeugen. DC-Schnellladesysteme können höhere Ladeleistungen an Batterien liefern und diese im Vergleich zur AC-Ladung schneller aufladen. Diese Weiterentwicklung unterstützt entscheidend die Verbreitung und Weiterentwicklung von Elektrofahrzeugen und verbessert das Benutzererlebnis sowie die Nutzbarkeit insgesamt. Die in diesem Artikel beschriebenen Lösungen werden den Prozess der Entwicklung von DC-Schnellladeprodukten für Kunden beschleunigen. Für weitere Informationen zu diesen Technologien wenden Sie sich bitte direkt an Arrow, um mehr technische Details zu erfahren und zu besprechen, wie diese Lösungen in Ihre Projekte integriert werden können.