Основные компоненты зарядной станции для электротранспорта 10…300 кВ

24 мая 2024

Людмила Мельникова (г. Ростов-на-Дону)

На выбор конструкции зарядных станций для электромобилей и других видов электрического транспорта влияет множество факторов: от типа используемого тока, выходной мощности и потребительского назначения до требований региональных технических стандартов. При этом в основе любой зарядной станции для электротранспорта – выпрямители, дискретные IGBT, SiC- MOSFET и другие силовые компоненты, в том числе – производства известных китайских компаний, доступные российским потребителям.

Ключевой принцип, по которому различаются современные электрозарядные станции, заключается в стандарте преобразования энергии: зарядная система АС (alternative current) основана на переменном токе, а система DC (direct current) – на постоянном. Выбранный стандарт зарядной системы напрямую влияет на конструкцию как самой станции, так и электрического транспортного средства.

До недавнего времени наиболее востребованной считалась зарядная система АС, которая требует наличия в автомобиле оборудования для преобразования тока из переменного в постоянный. Такая схема заряда занимает немало времени – процесс восполнения аккумулятора электромобиля может длиться до 22 часов.

Более современная система DC предполагает размещение модуля для трансформации тока в самой зарядной станции (рисунок 1). Благодаря принципиальному отличию в уровне мощности время зарядки аккумулятора электротранспорта в таком случае сокращается до получаса.

Рис. 1. Принцип работы медленных (а) и быстрых зарядных станций (б)

Используемые зарядные системы, оборудование и время самого процесса лежат в основе коммерческой градации зарядных станций для электротранспорта:

• Медленные зарядные станции используют систему АС и подают на зарядные устройства электротранспорта переменный ток до 6 кВт. По сути, это привычные бытовые зарядки, которые подключаются к розетке 110…120 В и рассчитаны на выходной ток 6…8 А – такие устройства до сих пор используются в домашних условиях. Однако восполнять аккумулятор электротранспорта с их помощью придется долго: например, Nissan Leaf будет заряжаться таким образом более 6 часов.
• Средние зарядные станции также используют стандарт АС, но обладают мощностью от 7 до 22 кВт. Это уже специализированные устройства, которые требуют от центральной электросети 220…240 В и обеспечивают на выходе ток до 30А. На текущий момент это самый распространенный вариант зарядной станции для личных электрокаров – в среднем, аккумулятор автомобиля восполняется за 4…5 часов.
• Быстрые зарядные станции чаще всего устанавливают для общественного пользования или в транспортных парках – это устройства системы DC (рисунок 2) мощностью 50…100 кВт. Они потребляют 480 В и способны передать аккумулятору электротранспорта сотни ампер: уже упомянутый Nissan Leaf восполнит уровень заряда всего за полчаса.
• Ультрабыстрые зарядные системы справятся с этой задачей минут за 15-20 – они передают прямой ток DC мощностью от 150 до 300 кВт. 

Рис. 2. Принцип действия быстрых и ультрабыстрых зарядных станций

Также на структуру зарядной станции для электротранспорта влияют действующие в регионе технические стандарты, которые определяют основные компоненты таких устройств и их характеристики, в том числе значения используемого напряжения, тока и формат разъемов (рисунок 3).

Рис. 3. Международные технические стандарты для зарядных станций

Международного единения в этом вопросе пока не достигли: например, в Китае используется стандарт GB/T, в Европе – CharIN, в Японии – CHAdeMO. В зависимости от региона использования электротранспорта, отдельно определяются требования к электробезопасности (например, IEC 60950), которые регламентируют применение электромагнитных и емкостных (VDE V 0844–11) технологий гальванических развязок, а также изоляции цепей с помощью опторазвязок (UL1577).

Структура современной зарядной станции

В зависимости от указанных выше условий разработчики зарядных станций должны выбрать наиболее оптимальный вариант конструкции устройства, который при этом будет отвечать запросам потребителей. Для этих целей чаще всего используется модульный принцип построения зарядной станции, позволяющий спроектировать по типовой схеме устройство в соответствии с конкретными требованиями по выходной мощности, силе тока и другим параметрам.

Основой такого принципа является силовой субмодуль (рисунок 4) с гальванической изоляцией. Например, в основе быстрой зарядной станции на 50 кВт, созданной по этому принципу, лежат три отдельных субмодуля мощностью 16,5 кВт, каждый из которых, в свою очередь, состоит из блоков мощностью 5,5 кВт.

Рис. 4. Субмодуль зарядной станции

При необходимости количество таких субмодулей можно менять – подобный подход позволяет создавать многоуровневые и многофазные комбинации с разными значениями выходной мощности под запрос конкретного заказчика (рисунок 5). Важный момент: в случае выхода из строя одного из модулей система переходит на конфигурацию работы с пониженной мощностью, что дает возможность бесперебойного функционирования устройства до завершения ремонта.

Рис. 5. Зарядная станция из соединенных субмодулей

В зависимости от требований по типу тока, выходной мощности, габаритам и себестоимости устройства, силовая часть зарядной станции для электротранспорта может представлять собой систему из субмодулей на дискретных компонентах (рисунок 6) или на силовых модулях (рисунок 7). В случаях, когда одним из основополагающих параметров зарядной станции становятся ее габариты, оптимальным решением может стать использование субмодулей на основе SiC-компонентов (рисунок 8).

Рис. 6. Субмодуль на дискретных компонентах

Рис. 7. Субмодуль на силовых модулях

Рис. 8. Соединение субмодулей с SiC-компонентами

Модульный принцип также используется для создания зарядного парка из нескольких мощных зарядных станций – в этом случае сами устройства выступают в качестве модулей. В практике для создания такого парка мощностью до 2…3 МВт требуются от 6 до 8 зарядных станций, питание которых обеспечивается с помощью высокоэффективного трансформатора среднего напряжения от 22 до 500 кВ.

Разумеется, в схему зарядной станции, кроме транзисторов, входят десятки защитных компонентов, а также других электромеханических компонентов, в том числе контакторов, конденсаторов, датчиков тока (рисунок 9 и 10).

Рис. 9. Общая схема субмодуля

Рис. 10. Вариант однонаправленного субмодуля мощностью 50 кВт (а), вариант однонаправленного субмодуля мощностью 30 кВт (б), вариант неизолированного субмодуля мощностью 50 кВт (в)

Схемотехнические решения могут варьироваться в зависимости от назначения и требуемой мощности. Однако все варианты могут быть построены как на базе дискретных компонентов, так и на базе силовых модулей с различными топологиями.

Основные компоненты силового модуля для зарядной станции

Одним из принципиальных процессов работы силовой части современной зарядной станции DC для электротранспорта является преобразование переменного тока в постоянный. Варианты этого преобразования могут включать активный выпрямитель или многоимпульсное пассивное выпрямление для соответствия гармоникам тока, удовлетворяющим стандартам.

Для российских потребителей доступен широкий выбор выпрямительных компонентов от ведущих мировых производителей силовых элементов (таблица 1). Наиболее популярны выпрямители с током I_f от 10 до 60 А и напряжением до 650 В в различных исполнениях.

Таблица 1. Выбор выпрямительных компонентов для зарядной станции

В современных зарядных станциях чаще всего используются два типа преобразователей. Для повышения КПД системы, особенно при высоком входном напряжении в качестве транзисторов проектировщики зарядных станций применяют дискретные SiC MOSFET (таблица 2), которые подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В.

Таблица 2. Выбор дискретных SiC MOSFET для зарядной станции

Корпус	Rds(ON), Ом	Id, А	650 В	1200 В
TO-247-4L	20	118	–	CRXQF17M120G1 (CR Micro)
		107	YJD206520NCFGH	–
		97	CRXQF25M065G1(CR Micro)	–
	30	78	–	YJD212030NCFGH
		65	–	AS1M025120T/ANBON
		66	–	YJD212040NCFG2
		60	WSCM035R65T2C	WSCM032R120T2C
		87		WSCM32R120T2B
	40	66	–	CRXQF40M120G2Z (CRMicro)
		63	–	YJD212040NCFG1
		55	–	CRXQF40M120G1 (CR Micro)
		49	CRXQF45M065G1 (CR Micro)	–
	50	60	YJD206550NCFGH	–
			–	AS1M040120T
	60	44	–	YJD212060NCFGH
			–	H1M120Q060
		37	CRXQF60M065G2Z (CR Micro)	–
		30	WSCM060R65T2C (Wayon)	–
	80	28	–	WSCM80R120T2C
		32	–	CRXQF75M120G2Z (CR Micro)
		33	–	YJD212080NCFG1
		36	–	CRXQF80M120G1 (CR Micro)
		44	–	WSCM75R120T2B
	100	32	YJD2065100NCFGH	–
		36	–	AS1M080120T
	120	24	–	YJD2120120NCFGH
	160	18	–	CRXQF160M120G1 (CR Micro)
		17	–	WSCM160R120T2C
	200	16	YJD2065200NCFGH	–
		18	–	AS1M160120T
TO-247-3L	20	118	–	CRXQ17M120G1 (CR Micro)
		107	YJD206520NCTGH	–
		97	CRXQ25M065G1	–
	30	90	–	AS1M025120P
		87	–	WSCM32J120T2B
		78	–	YJD212030NCTGH
		66	–	YJD212040NCTG2
		60	WSCM035J65T2C	–
	40	66	–	CRXQ40M120G2Z (CR Micro)
		63	–	YJD212040NCTG1
		49	CRXQ45M065G1	–
	50	60	YJD206550NCTGH	–
			–	AS1M040120P
	60	44-60	YJD206560NCTGH	YJD212060NCTGH
		37	CRXQ60M065G1 (CR MICRO)	–
	80	44	–	WSCM75J120T2B
		38	–	YJD212080NCTG1
		37	AS1M060065P	–
		36	–	CRXQ80M120G1 (CR Micro)
		33	–	YJD212080NCTGH
		32	–	CRXQ75M120G2Z (CR Micro)
		29	AS2M060065P	–
	100	36	–	AS1M080120P
		32	YJD2065100NCTGH	–
	120	24	–	YJD2120120NCTGH
	160	18	–	CRXQ160M120G1 (CR Micro)
	200	18	–	AS1M160120P
		16	YJD2065200NCTGH	–
TO-252/D2PAK	120	24	–	YJD2120120BGH
	200	19	YJD2065200BGH	–
		18	–	AS1M160120D
	240	13	–	YJD2120240BGH
TO-263	30	60	–	WSCM032MA120T2C
	80	36	–	CRXSP80M120G1
		32	–	CRXSP75M120G2Z
		28	–	WSCM80MA120T2C
	120	24	–	YJD2120120B7GH
	140	18	–	CRXSP160M120G1
	200	19	YJD2065200B7GH	–
	240	13	–	YJD2120240B7GH

В низкочастотных сегментах силовой конструкции зарядной станции (до 20 кГц), при напряжениях питания 1000 В и больше, предпочтительней использовать дискретные IGBT (таблица 3).

Таблица 3. Выбор дискретных IGBT для зарядной станции

Корпус	Ic, А	650 В	1200 В
TO-247-4L	50	DGZ50N65CTS2A	–
	75	DGZC75N65CTH2A	–
	80	NCE80TD65BT4	–
TO-247-3L	25	–	DG25X12T2
		–	CRG25T120BK3SD
		–	DGW25N120CTL
	30	DG30X07T2	–
	40	CRG40T65AK5SD	DG40X12T2
		NCE40TD65BT	DGW40N120CTL
	50	DG50X07T2	–
		CRG50T65AK5SD	–
	60	CRG60T60AK3SD	–
		NCE60TD65BT	–
	75	CRG75T60AK3HD	–
	80	NCE80TD65BT	–

В особо ответственных и критических сегментах силовой цепи рекомендуется использовать высокоинтегрированные MOSFET-модули на основе карбида кремния (SiC), которые отличаются высокой плотностью мощности и быстрой скоростью переключения, а также обеспечивают безопасную работу на высоких частотах. SiC MOSFET-модули (таблица 4) выполнены в разной топологии: полумоста, Н-моста, трехфазного полумоста и Boost-Chopper. 

Таблица 4. Выбор SiC MOSFET-модулей для зарядной станции

Корпус	Топология	1200V
Easy 1B	3-х фазный полумост	MD15FSR120L2SF
	Полумост	DFS36FB12EYQ1
		DFS80FB12EYQ1
		DFS40HF12EYQ1
		DFS12HF12EYQ1
		DFS05HF12EYR1
	Н-мост	DFS40HH12EYQ1
		DFS26HH12EYQ1
	Boost-Chopper*	–
Easy 2B	Полумост	DFS10HF12EZC1
		DFS06HF12EZC1
		DFS04HF12EZC1
	Н-мост	DFS20HH12EZC1
		DFS10HH12EZC1
62mm	Полумост	LWS120H12A8L (BYSM)
		LWS250H12A8L (BYSM)
		LWS400H12A8L (BYSM)
		MD120HFR120C2S
		MD200HFR120C2S
		MD300HFR120C2S
Econodual		DFS400HF12I5B3
		DFS600HF12I5B3
		DFS800HF12I5B3
		LES400H12A8L-2M
		LES650H12A8L-2M

* – 650V P1C065BS200P36 в корпусе Easy 1B.

Силовые пассивные и защитные компоненты модуля для зарядной станции

Для поддержания работы силовой системы и фильтрования частот разного уровня в зарядных станциях, особенно – для звена постоянного тока, используются конденсаторы разных типов, которые различаются как по эксплуатационным характеристикам, так и по степени интеграции с силовыми компонентами (таблица 5). На разных этапах преобразования вида тока конструктивно необходимы DC-LINK-конденсаторы и разнофазовые AC-фильтрующие конденсаторы, конденсаторы для коррекции коэффициента мощности и сопротивления в цепи и так далее

Таблица 5. Выбор конденсаторов для зарядной станции

Тип	FARATRONIC	YZPST	HONGFA	Внешний вид
DC-LINK-конденсаторы на плату 500Vdc~1,2kVdc, 1μF ~140μF	–	+	+
DC-LINK-конденсаторы LowESR и LowESL (<8nH) 500Vdc ~1,5kVdc, 100μF ~6000μF	+	+	–
DC-LINK конденсаторы с болтовым соединением 600Vdc~4kVdc, 24μF ~ 5600μF	+	+	+
Высоковольтные DC-LINK конденсаторы 2kVdc~6kVdc, 1μF ~140μF	+	+	–
Кастомизированные DC-LINK конденсаторы (кастомные габариты и тип выводов)	+	+	–
Снабберные конденсаторы на модуль IGBT 630Vdc ~ 3kVdc, 0.047μF ~ 9.0μF	+	+	+
PFC-конденсаторы коррекции коэффициента мощности 440Vac ~ 690Vac, 50Hz/60Hz, 5kvar ~ 50kvar	+	+	+
AC-фильтрующие конденсаторы 1-фазные 250VAC~850VAC, 50Hz/60Hz, 10μF ~ 600μF	+	+	+
AC-фильтрующие конденсаторы 3-х фазные 230VAC ~ 850VAC, 50Hz/60Hz, 8μF ~ 330μF	+	+	+

При проектировании зарядных станций разработчик может использовать как специализированные предохранители для электротранспорта, так и предохранители общего промышленного применения. В случаях, когда по типу системы зарядной станции необходимо наличие микровыключателя, подойдут предохранители для UPS и хранения энергии, для ультрабыстрой реакции – предохранители для защиты силовых полупроводников (таблица 6).

Важно: возможность использования тех или иных видов предохранителей прописана в региональных стандартах по общей электробезопасности.

Таблица 6. Выбор предохранителей для зарядной станции на примере ассортимента компаний  HOLLY LAND, YZPST, ADLER/ASTM 

В высокоточной системе зарядной станции существенную роль играют коммуникационные элементы – контакторы, силовые и бистабильные реле, которые отличаются форм-факторами, скоростью переключения, напряжением катушки и степенью изоляции.

Вне зависимости от функционала они обязаны соответствовать всем требованиям по прочности, механической долговечности, а также стойкости к рабочим и предельным нагрузкам (таблица 7).

Таблица 7. Выбор контакторов и реле для зарядной станции на примере ассортимента SANYOU

Варианты контакторов	Технические особенности	Внешний вид
Контакторы, силовые и силовые бистабильные реле	1NO, 2NO, до 1кА/1.5кВ 1NO, 1CO, 1NC, до 90А/320VAC 1NO, 1NC, до 200А/240VAC

Для снижения энергопотребления и повышения эффективности работы всей системы зарядной станции необходимо на каждом этапе передачи и трансформации энергии замерять датчиками тока значения с минимальными погрешностями. В такой конструкции используются сразу несколько методов измерения тока, которые различаются по принципам действия: например, шунтовые и дискретные с датчиком Холла – для непрерывного контроля, трансформаторы тока – для определения величины переменного тока с высокой точностью (таблица 8).

Таблица 8. Выбор датчиков тока для зарядной станции

Тип	Интегральные (встроенный шунт, изолированные)	Дискретные (с датчиком Холла)	Трансформаторы  тока	Датчики холла линейные (элемент датчика тока)
Внешний вид
NOVOSENSE	+	–	–	–
MAGNTEK	+	–	–	+
CHEEMI	–	+	+	–
COSEMI	+	–	–	+
ZEMING	–	+	+	–
OSWELL	–	+	+	–
NCR	–	–	+	–
HONGFA	–	+	+	–
MORNSUN	–	+	–	–

Для отвода лишнего тепла от модулей зарядной станции, в зависимости от параметров устройства системы, разработчики используют АС-вентиляторы, работающие на переменном токе, DC-вентиляторы для систем на постоянном токе, а также электронно-коммутируемые ЕС-вентиляторы, которые отличаются компактными размерами и низким уровнем шума при сравнительно высокой мощности.

При необходимости охлаждения устройства по всей площади используются осевые вентиляторы (таблица 9), для охлаждения определенной части устройства – центробежные (таблица 10). Подробнее о использовании разных видов вентиляторов для силовых установок читайте в статье. 

Таблица 9. Выбор осевых вентиляторов зарядной станции

Вид осевого вентилятора	Особенности	Внешний вид
DC	40 mm…Ø254 mm ~ 4…748 CFM 12, 24, 48VDC IP21, IP52, IP55, IP68, GR487
AC	80 mm…Ø300 mm 80 mm…970 mm (all metal) ~ 23…11802 CFM 100…420VAC
EC	60 mm…Ø200 mm ~ 17.5…279 CFM 100…240VAC IP21, IP55, IP68, ATEX

Таблица 10. Выбор центробежных вентиляторов зарядной станции

Вид осевого вентилятора	Особенности	Внешний вид
AC	Ø108 mm…Ø400 mm ~ 20…2355 CFM 115…440VAC IP44
EC	Ø108 mm…Ø400 mm ~ 136…2355 CFM 230VAC IP44

Электромеханика и силовые разъемы

Если выбор конкретного силового компонента для системы субмодулей зарядной станции зависит от технических и монтажных требований, то при определении модели и производителя силовых разъемов электрозарядки (таблица 11) и других элементов электромеханики проектировщик должен ориентироваться, в первую очередь, на технический стандарт, действующий в регионе использования его устройства.

Таблица 11. Выбор зарядных пистолетов для зарядной станции на примере ассортимента Degson, Wain, KLS 

Вид зарядного устройства	Особенности	Внешний вид
Зарядные комплекты и разъемы для подключения батарей	До 500А/1кВ Европейские и азиатские стандарты

Как мы уже упоминали, на текущий момент единого международного формата разъемов для подключения батарей не существует. Однако большинство ведущих производителей силового оборудования подготовили для российского рынка ассортимент зарядных комплектов, подходящих для европейских и азиатских стандартов, а также все необходимые аксессуары для них – высокого качества и по адекватной цене.