18 příloha časopisů Elektro a Automa 2012 perspektivy elektromobility 1. Úvod Problematika rychlého nabíjení trakčního akumulátoru je jeden z důležitých vývojových okruhů v perspektivním oboru, pro který se ujal název elektromobilita. Realizace stacionárního nabíječe s velkým výstupním výkonem (desítky kilowattů), ovšem se značnými rozměry a hmotností, je v současné době technicky standardní záležitostí. Jádrem nabíječe byl dříve klasický síťový transformátor, nyní je jím většinou výkonový měnič DC/DC (spínaný zdroj) s vysokofrekvenčním impulsním transformátorem. Přítomnost transformátoru je nezbytná z důvodu nutnosti galvanického oddělení výstupu od napájecí sítě. Dosud běžné nabíječe větších výkonů na bázi spínaných zdrojů používají jako aktivní polovodičové součástky tranzistory IGBT. Spínací kmitočet měniče nepřesahuje 40 kHz. V poslední době je však v odvětví elektromobilismu patrná poptávka po nabíječích velkého výkonu v provedení pro trvalé zabudování do vozidla (tzv. on board). To s sebou přináší požadavek co nejmenších rozměrů a hmotnosti. Lze toho technicky dosáhnout zvýšením spínacího kmitočtu měniče, což umožňuje zmenšit rozměry vinutých součástí silového obvodu (impulsní transformátory, tlumivky). Tento článek seznamuje s vývojem nové řady rychlonabíječů, které pracují na nezvykle vysokém spínacím kmitočtu 100 kHz při výkonech 14 kW, 16 kW a 38 kW. Jedná se o progresivní řešení přinášející právě zmíněnou výhodu malých rozměrů.Rychlonabíječe byly vyvinuty a kompletně vyrobeny v Ústavu výkonové elektrotechniky a elektroniky FEKT VUT v Brně. Rychlonabíječe s podobně velkým výkonem a s tak malými rozměry dosud nenabízí žádná tuzemská firma. Ani v zahraničí tyto výrobky nepatří mezi standardní zboží na trhu.2. Koncepce vyvinutých rychlonabíječůElegantním řešením, jak docílit velkého spínacího kmitočtu s jednoduchou topologií s tvrdým spínáním je nahrazení relativně pomalých tranzistorů IGBT velmi rychlými vysokonapěťovými tranzistory MOSFET. V měniči jsou použity tranzistory CoolMOS od firmy Infineon Technologies AG. Celková doba zapnutí i celková doba vypnutí těchto tranzistorů se pohybuje pouze okolo 100 až 150 ns. Proto u nich vysoký pracovní kmitočet nepředTab. 1. Základní technické parametry rychlonabíječů Typ nabíječe RN14-140 RN16-380 RN38-380 Nejvyšší trvalý výstupní proud 100 A 42 A 100 A Nejvyšší výstupní napětí 140 V 380 V 380 V Nejvyšší trvalý výstupní výkon 14 kW 16 kW 38 kW Napájení (standardní síť 50Hz)3×400 V 3×400 V 3×400 V Pracovní kmitočet 100 kHz 100 kHz 100 kHz Hmotnost asi 25 kg asi 25 kg asi 60 kg Rozměry 370×260×350 mm 370×260×350 mm 370×260×800 mm Vývojová řada přenosných rychlonabíječů pro elektromobily Pavel Vorel, Petr Procházka Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky, FEKT VUT Brnostavuje nepřijatelné přepínací ztráty, na rozdíl od tranzistorů IGBT. Komutační ztráty na diodách výstupního usměrňovače jsou eliminovány použitím progresivních diod na bázi karbidu křemíku (SiC). Tyto diody musí být použity i v primárních silových obvodech. Nejrychlejší standardní křemíkové diody (tzv. ultrarychlé) totiž v extrémních podmínkách konstrukce neobstojí s ohledem na komutační jevy při vysokých kmitočtech. Nepříznivě totiž působí příliš dlouhá doba zotavení ve zpětném i přímém směru (reverse recovery time, forward recovery time).Při nezvykle vysokém spínacím kmitočtu 100 kHz (pro výkon desítek kilowattů) je výhodné vyhnout se použití dvojčinného měniče (realizace spolehlivého odskoku (dead-time) při spínací periodě 10 ms by byla komplikací). V koncepci používáme jednočinné můstkové propustné měniče. Zmíněná koncepce klade speciální požadavky na konstrukci budičů. Je nutné potlačit parazitní vf oscilace řádu desítek megahertzů (ringing) v obvodu řídicí elektrody a kolektoru výkonového tranzistoru. Další nezbytností je zajistit velmi malou parazitní kapacitu galvanického oddělení řídicího obvodu. Také vznikají komplikace v oblasti elektromagnetické kompatibility (souvisí rovněž se zmíněnými parazitními oscilacemi). Velké nároky jsou kladeny na geometrické uspořádání silového obvodu pro minimalizaci parazitních indukčností. Rovněž problematika rozptylu impulsního transformátoru je důležitá.3. Popis a základní technické parametry rychlonabíječůRychlonabíječe jsou realizovány jako funkční vzorky za účelem ověření koncepce v reálném provozu. Mechanicky nejsou řešeny jako „on board“ přístroje pro zástavbu do elektromobilu, ale jako kompaktní přenosné přístroje, které oproti komerčně dostupným produktům vynikají malými rozměry a malou hmotností.Základní technické specifikace rychlonabíječů jsou v tab. 1. Rychlonabíječ RN14-140 (obr. 1) byl vyvinut pro konkrétního uživatele elektromobiObr. 1. Rychlonabíječ RN14-140 a) čelní pohled), b) průhledný vrchní kryt a)b)