Coraz większa popularność pojazdów elektrycznych (EV) i wzrost ich zapotrzebowania na energię wiąże się ze zmianą infrastruktury w celu lepszego dostosowana do aktualnych potrzeb. Ładowanie pojazdów użytkowych, takich jak autobusy czy ciężarówki, wymaga zarówno dostarczania dużej mocy, jak i kompaktowego i zoptymalizowanego termicznie sprzętu. Taki 100 kW moduł do szybkiego ładowania pokazała na targach PCIM 2025 Expo & Conference firma onsemi.

– Jest to pierwszy w historii 100-kilowatowy modułem ładowania, który został zaprezentowany na rynku. Posiada on zdolność pracy dla wysokich napięć i dwukierunkową topologię, która umożliwia przesyłanie mocy z sieci do samochodu lub z samochodu do sieci, umożliwiając ograniczanie szczytowego poboru mocy lub obsługę sieci — powiedział Didier Balocco, kierownik ds. marketingu technicznego onsemi.

100-kilowatową modułową ładowarkę można było również obejrzeć 12 czerwca podczas Arrow MultiSolution Day w Centrum Olimpijskim w Warszawie. Na zdjęciu Kavya Mani Kumbakonam Vasudevan i Rafał Moskal z onsemi. Fot. Agnieszka Kubasik

Projekt jest pozycjonowany jako podstawowy element składowy skalowalnych systemów szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych na poziomie megawatów, oferując większą wydajność, gęstość mocy i dwukierunkową funkcjonalność.

Podstawowe parametry 100kW moduły ładowania (źródło : prezentacja onsemi)

Poziomy ładowania i wymagań

Nowoczesne ładowanie pojazdów elektrycznych obejmuje trzy główne poziomy, każdy zdefiniowany mocą i szybkością ładowania.

Poziom 1 – najbardziej podstawowy – zapewnia poniżej 3,4 kW i do 16 A przy skromnej szybkości ładowania od 5 do 20 kilometrów na godzinę, odpowiedni do użytku domowego w nocy. Szybkość ładowania określa się zasięgiem pojazdu po jednej godzinie ładowania.

Poziom 2 – typowy dla domowych ładowarek ściennych zwanych wallbox i stacji komercyjnych – od 3 do 12 kW, do 80 A, ładowanie do 60 km/h.

Poziom 3 – umożliwia szybkie uzupełnienie zasięgu setek kilometrów w ciągu zaledwie 15 do 30 minut podczas postojów na autostradzie – zapewnia moc do 500 kW i 800 A. Takie prędkości ładowania są niezbędne do podróży na duże odległości, operacji flotowych i przyszłości logistyki elektrycznej.

Moduł o mocy 100 kW został zaprojektowany z myślą o równoległym łączeniu w większe konfiguracje, a jednocześnie pełni funkcję wysoce funkcjonalnej samodzielnej szybkiej ładowarki.

Architektura i przegląd funkcji

Sercem 100-kilowatowego modułu ładowarki jest platforma konwersji mocy o wysokiej wydajności. Wykorzystując zaawansowaną technologię system zapewnia szeroki zakres napięcia wyjściowego DC, kompatybilny z obecnymi i przyszłymi systemami akumulatorów trakcyjnych pojazdów elektrycznych, w tym architekturami 400 V, 800 V i powstającymi 1200 V.

W tej konstrukcji zastosowano wysokowydajne tranzystory MOSFET z węglika krzemu (SiC), osiągając wydajność 97%. Działają one przy nominalnym napięciu wejściowym 480 V AC, generując magistralę wysokiego napięcia DC o wartości typowo około 1200 V. Kolejny stopień DAB (Dual Active Bridge) zapewnia izolację galwaniczną i przekształca magistralę wysokiego napięcia DC na programowalny zakres napięcia wyjściowego od 200 V do 1500 V. Ta szeroka elastyczność napięcia wyjściowego zapewnia kompatybilność z szeroką gamą systemów akumulatorowych, w tym z dzisiejszymi konfiguracjami 400 V i 800 V, a także z akumulatorami nowej generacji o napięciu 1200 V, stosowanymi w pojazdach użytkowych i elektrycznych ciężarówkach.

Sposób, w jaki ładowarka 100 kW wpisuje się w strukturę ładowania megawatowego. Źródło: onsemi

Moduł ładowarki obsługuje dwukierunkowy przepływ mocy — kluczową funkcję dla nowych zastosowań typu vehicle-to-grid (V2G). Umożliwiając przesyłanie energii z akumulatorów pojazdów z powrotem do sieci, system pomaga wspierać jej stabilność, równoważenie obciążenia i zastosowania związane z magazynowaniem energii, takie jak wyrównywanie szczytów zapotrzebowania i integracja z systemami energii odnawialnej. Ta podwójna funkcjonalność odróżnia ładowarkę o mocy 100 kW od tradycyjnych jednokierunkowych szybkich ładowarek i pozycjonuje ją jako podstawową technologię dla przyszłych ekosystemów inteligentnych sieci energetycznych. W takiej sytuacji pojazd może być traktowany jako dodatkowy bank energii.

Uproszczony schemat podstawowych bloków mocy 100-kilowatowego modułu ładowania. Źródło: prezentacja onsemi “100kW Brick for MegaWatt DC Charging”

Wysokowydajna elektronika mocy z wykorzystaniem węglika krzemu

Wydajność jest kluczowym parametrem nowoczesnych systemów ładowania pojazdów elektrycznych o dużej mocy, mającym wpływ na wszystko, od projektu termicznego po koszty eksploatacji i obciążenie sieci.

Zastosowane moduły SiC umożliwiają kompaktową konstrukcję systemu, pracę z wysoką częstotliwością przełączania i minimalne straty przewodzenia, dzięki czemu idealnie nadają się zarówno do platform szybkiego ładowania podłączonych do sieci, jak i mobilnych. Ich zastosowanie zapewnia sprawność konwersji mocy przekraczającą 97,5% sprawności szczytowej — jest to punkt odniesienia, który przekłada się na mniejsze straty energii, uproszczone wymagania dotyczące chłodzenia i zwiększoną niezawodność w czasie.

– Podczas opracowywania tego rozwiązania skupiliśmy się na zrównoważeniu najnowocześniejszej wydajności w szerokim zakresie działania z rzeczywistą możliwością produkcji — powiedział Mohsen Mahmoudysepehr, starszy specjalista ds. marketingu technicznego w dziale zasilania przemysłowego w onsemi, który kierował pracami nad demonstratorem szybkiego ładowania prądem stałym o mocy 100 kW.

Dzięki zastosowaniu modułów T-NPC i Half-Bridge F2 SiC do PFC i DAB DC/DC system łączy w sobie solidną odporność na wysokie napięcie ze sprawdzoną stabilnością elektryczną i termiczną.

Zaawansowane zarządzanie temperaturą i integracja mechaniczna

Aby utrzymać wydajność przy wysokich obciążeniach termicznych, ładowarka została wyposażona w specjalnie zaprojektowany system chłodzenia cieczą. Płyta chłodząca z obiegiem płynu przechodzi bezpośrednio pod modułami zasilającymi. Konstrukcja wymiennika ciepła została zaprojektowana w taki sposób, aby zwiększyć turbulencję i usprawnić wymianę ciepła między płynem chłodzącym (mieszanką glikolu i wody) a powierzchniami modułów.

Dodatkowo elementy indukcyjne stosowane w stopniu PFC są zintegrowane pod konstrukcją chłodzącą, co pozwala maksymalnie wykorzystać przestrzeń i sprzężenie termiczne. Płyta chłodząca, wykonana z wytrzymałego aluminium (HS-Al), jest w stanie rozpraszać ciepło wytwarzane przy natężeniu przepływu płynu chłodzącego od 4 do 10 l/min, obsługując temperatury robocze od -40°C do +45°C po stronie wlotowej.

Ten układ termiczny nie tylko zapewnia niezawodność i stałą wydajność w ekstremalnych temperaturach, ale także umożliwia skalowalne wdrożenia. Modułowa konstrukcja pozwala integratorom systemów na równoległe łączenie wielu jednostek w celu tworzenia zespołów ładowania o dużej mocy bez konieczności przeprojektowywania podsystemu termicznego dla każdej aplikacji.

Rysunek poglądowy i zdjęcia zmontowanego modułu 100kW ładowarki. Źródło: onsemi

Modułowość i skalowalność

Ponieważ floty pojazdów wymagają coraz większej mocy, zwłaszcza w transporcie ciężkim, możliwość połączenia wielu modułów ładujących w jeden system ładowania staje się niezbędna.

– Moduł 100 kW został zaprojektowany zarówno jako wysokowydajna jednostka samodzielna, jak i skalowalny element składowy systemów klasy megawatowej. Skupiliśmy się na zapewnieniu elastyczności, interoperacyjności i wydajności w kompaktowej obudowie, umożliwiającej płynną integrację z komercyjnymi i flotowymi sieciami ładowania – powiedział Mohsen Mahmoudysepehr.

Modułowe podejście nie tylko upraszcza skalowanie mocy, ale także zwiększa redundancję systemu, łatwość konserwacji i serwisowania. Każdy moduł działa częściowo niezależnie i można go wymieniać lub modernizować bez wpływu na całą infrastrukturę ładowania.

– Ten prototyp stanowi duży krok naprzód w naszej strategii dotyczącej węglika krzemu. Chociaż nadal trwają dalsze testy i walidacje, pierwsze wyniki pokazują, że platforma ta spełnia nasze cele w zakresie wydajności, niezawodności i skalowalności. Jest to duży krok w kierunku zapewnienia najlepszej technologii do szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych nowej generacji i pokazuje, jak bardzo firma onsemi jest zaangażowana w opracowywanie wysokowydajnych rozwiązań zasilających dla zmieniającego się środowiska mobilności – powiedział Didier Balocco.

100kW moduł stanowi demonstrator możliwości technologicznych onsemi jako producenta podzespołów mocy na bazie węglika krzemu. Nie jest to produkt handlowy. Każdy producent podobnych systemów ładowania dla pojazdów elektrycznych może uzyskać od onsemi wsparcie techniczne, w tym dokumentację.

Źródło: informacje prasowe