Piikarbidiin perustuvan SiC-tekniikan avulla sähköenergian siirtäminen verkosta sähköautoon voidaan suorittaa hyvällä hyötysuhteella erityisesti korkeilla jännitetasoilla. Piikarbidin ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta voidaan suunnitella entistä kevyempiä ja luotettavampia latausjärjestelmiä kompaktiin kokoon.

Sähköautot ovat saamassa yhä laajempaa hyväksyntää eri muodoissa (hybridi, täyssähkö) niiden toimintasäteeseen edelleen liittyvästä ’ahdistuksesta’ huolimatta. Autoteollisuus jatkaa työskentelyä toimintamatkojen pidentämiseksi ja latausaikojen lyhentämiseksi vähentääkseen käyttöönoton kasvua hidastavia tekijöitä.

Sähköauton lataustapa vaikuttaa merkittävästi ajoneuvon käytettävyyteen ja mukavuuteen. Koska käytettävissä on vain rajallinen määrä suuritehoisia latausasemia, huomattava osa sähköautojen omistajista luottaa edelleen lataamisessa ajoneuvon omaan sisäiseen OBC-laturiin (On Board Charger). OBC:n suorituskyvyn parantamiseksi autonvalmistajat etsivät uusia lataustekniikoita muun muassa piikarbidikytkimistä (SiC).

Seuraavassa tarkastellaan OBC-laturin merkitystä ja sitä, kuinka puolijohdekytkimissä tapahtunut nopea kehitys on vienyt niiden suorituskyvyn aivan uudelle tasolle.

Käyttövoiman vaihtoehdot

Nykyään markkinoilla on laaja valikoima ajoneuvojen käyttövoimajärjestelmiä: yksinomaan polttomoottorilla (ICE) toimivista perinteisistä ajoneuvoista hybridimalleihin, jotka käyttävät polttomoottoria ja sähkövoimaa yhdistettynä (xHEV), aina täysin sähköisiin ajoneuvoihin (xEV) asti. XHEV-ajoneuvot jaetaan vielä kahteen ryhmään: kevythybrideihin (MHEV) ja täyshybrideihin (FHEV).

MHEV-autot luottavat ensisijaisesti polttomoottoriin, mutta niissä on myös pieni akku (yleensä 48 V). Ne eivät kuitenkaan voi toimia pelkästään sähköllä, mutta niiden sähkömoottori auttaa vähentämään hieman polttoaineenkulutusta.

Täyshybridit eli FHEV-autot tarjoavat parannettua joustavuutta, sillä ne voivat saumattomasti yhdistää polttomoottorin ja sähkömoottorin, joka saa virtansa akusta (toimii yleensä 100-300 voltin jännitealueella). FHEV-auto lataa myös akkujaan regeneratiivisen jarrutuksen avulla. Se kerää jarrutuksen aikana muuten hukkaan menevää energiaa talteen hyötysuhteen parantamiseksi.

Kaikki xEV-autot, mukaan lukien lataushybridit ja pelkästään akkua käyttävät sähköautot (BEV), on varustettu regeneratiivisella jarrujärjestelmällä. Suuren akkukapasiteetin vuoksi ne ovat kuitenkin vahvasti riippuvaisia OBC-lataustekniikasta.

Kuva 1. Nykyään on tarjolla monenlaisia sähköautoja: kevythybridi (MHEV), täyshybridi (FHEV), lataushybridi (PHEV) ja pelkästään akkua hyödyntävä täyssähköauto (BEV).

Latausjärjestelmät

Yksinkertaisimmillaan lataamiseen ei tarvita juuri muuta kuin kaapeli, jolla sähköauton OBC-laturi liitetään tavalliseen pistorasiaan (yleensä vaaditaan maasulkusuojaus). Vaikka nämä enimmäkseen asuinrakennuksissa käytettävät Level 1 -tason järjestelmät (tai SAE AC Level 1, kuten standardissa J1772 on määritelty) ovat käteviä, ne toimivat vain noin 1,2 kilowatin teholla ja kykenevät lisäämään ajomatkaa parhaimmillaan noin kahdeksan kilometriä lataustuntia kohden¹).

Tason 2 (tai SAE AC Level 2) järjestelmät sen sijaan syöttävät yleensä kolmivaihevirtaa verkosta, ja niitä nähdään yleisimmin julkisissa rakennuksissa sekä erilaisten liiketilojen yhteydessä. Niiden jopa 22 kilowatin syöttöteholla auton ajomatkaa voidaan lisätä enimmillään yli 140 kilometriä lataustuntia kohden.

Sekä tason 1 että tason 2 laturit syöttävät vaihtovirtaa sähköautolle, joten OBC-laturi on välttämätön, jotta AC-syöttö saadaan muunnettua DC-lähdöksi akun lataamista varten. Suurin osa tällä hetkellä käytettävistä latureista on tason 2 laitteita.

Keskenään vaihtokelpoiset suuritehoiset DC-laturit, jotka tunnetaan nimellä Level 3, SAE Level 1 & 2 DC tai IEC Mode 4, syöttävät tasavirtaa ja voivat ladata akkua suoraan, joten OBC-laturia ei tarvita. Näiden DC-laturien tehotasot vaihtelevat 50 kilowatista yli 350 kilowattiin, mikä mahdollistaa tyhjän akun lataamiseen 80 prosenttiin täydestä varaustasosta jopa 15-20 minuutissa. Ottaen huomioon korkeat tehotasot ja sähköverkon edellyttämät inframuutokset, pikalatauspisteiden määrä on edelleen melko rajallinen, vaikka se kasvaakin nopeasti.

Monet autonvalmistajat ovat parhaillaan siirtymässä 400 voltin akuista 800 voltin akkuihin. Tämän muutoksen päämääränä on laajentaa sähköautojen toiminta-aluetta parantamalla niiden hyötysuhdetta, lisäämällä suorituskykyä, tarjoamalla nopeampaa latausta sekä vähentämällä kaapeleiden ja akkujen painoa.

OBC-laturin rakenne

Tyypillisesti OBC on kaksiasteinen tehomuunnin, jossa on tehokertoimen korjausaste (PFC), jota seuraa eristetty DC-DC-muunnin. On syytä huomata, että eristämätön kokoonpanokin on mahdollinen, mutta sitä käytetään harvoin. PFC-aste tasasuuntaa AC-syötön, varmistaa tehokertoimeksi yli 0,9 ja muodostaa reguloidun väyläjännitteen DC-DC-muuntimelle.

Muutaman viime vuoden aikana kaksisuuntaisten järjestelmien kysyntä on kasvanut merkittävästi. Näiden järjestelmien avulla sähköajoneuvot voivat kääntää tehonsyötön suunnan päinvastaiseksi eli akusta takaisin latauslähteeseen. Tämä tukee useita eri tarkoituksia kuten sähköverkon kuormituksen dynaamista tasapainotusta (V2G: ajoneuvosta verkkoon) tai sähkökatkosten hallintaa (V2L: ajoneuvosta kuormaan).

Perinteisessä PFC-lähestymistavassa käytetään tasasuuntaavaa diodisiltaa yhdessä boost-muuntimen kanssa. Diodisilta muuttaa vaihtojännitteen tasajännitteeksi, minkä jälkeen boost-muunnin nostaa jännitteen tasoa. Tämän peruspiirin paranneltu versio on lomitettu boost-rakenne, jossa useita muunninasteita on kytketty rinnakkain aaltoiluvirran vähentämiseksi ja hyötysuhteen parantamiseksi. Nämä PFC-topologiat hyödyntävät piipohjaisia ratkaisuja kuten superliitos-mosfettejä (SJ-MOSFET) ja alhaisen myötäjännitteen (V_f) omaavia diodeja.

Leveän energiakaistojen välin (WBG) omaavien, erityisesti piikarbidiin perustuvien tehokytkimien ilmestyminen saataville on mahdollistanut uusien suunnittelumenetelmien kehittämisen, koska SiC-kytkimien etuina ovat alhaisemmat kytkentähäviöt, pienempi R_DS(on)-arvo ja nopean elpymisajan omaava runkodiodi.

Ilman siltakytkentää toimiva ns. toteemirakenne on saavuttanut suosiota keski- ja suuritehoisissa PFC-sovelluksissa (tyypillisesti 6,6 kW tai enemmän). Kuva 2 havainnollistaa tätä rakennetta, jossa hidas haara (Q5-Q6) kytkee verkkotaajuudella (50-60 Hz) ja nopea haara (Q1-Q4) muokkaa virtaa, nostaa jännitetasoa ja toimii korkeammalla taajuudella (yleensä 65-110 kHz) kovan kytkennän toimintamuodossa. Vaikka sillaton toteemirakenne parantaa merkittävästi hyötysuhdetta ja vähentää tehokomponenttien määrää, se lisää kytkennän monimutkaisuutta ohjauksen kannalta.

Kuva 2. Sillattomasti kytketty toteemirakenne.

DC-DC-asteessa hyödynnetään yleensä eristettyä topologiaa, jossa käytetään muuntajaa eristämiseen, ja päätavoitteena on säätää lähtöjännitteen tasoa akun varaustilan perusteella. Vaikka puolisilta-rakennetta voitaisiin hyödyntää, vallitsevat ratkaisut perustuvat nykyään pääasiassa DAB-muuntimiin (Dual-Active-Bridge). Näitä ovat esimerkiksi resonanssimuuntimet (LLC, CLLC) ja vaihesiirrettyyn täyssiltaan perustuvat PSFB-muuntimet (Phase-Shifted Full Bridge).

Resonanssimuuntimet ovat viime aikoina saaneet merkittävää huomiota lukuisten etujensa ansiosta. Näitä ovat muun muassa laaja pehmeän kytkennän toiminta-alue, kyky kaksisuuntaiseen toimintaan ja helposti muuntajan yhteyteen integroitava resonanssikela.

Kuva 3. Kaksisuuntainen DC-DC-muunnin mahdollistaa tehon palauttamisen akusta sähköverkkoon kysyntähuippujen aikana.

Piikarbidia OBC-sovelluksiin

Piikarbidipohjaiset 650 voltin SiC-kytkimet ovat ensisijainen valinta 400 voltin akuille. 800 voltin arkkitehtuureissa korkeammat jännitevaatimukset edellyttävät kuitenkin 1200 voltin nimellisjännitteelle suunniteltujen kytkimien käyttämistä.

Piikarbidin ottamista käyttöön OBC-latureissa voidaan perustella sen poikkeuksellisella suorituskyvyllä useiden eri tunnuslukujen suhteen. SiC-kytkimen ainutlaatuisia ominaisuuksia ovat erinomaiset arvot pinta-alaan suhteutetun _RDS(on)-resistanssin, kytkentähäviöiden, runkodiodin elpymisen ja läpilyöntijännitteen suhteen. Näiden etujen ansiosta SiC-pohjaiset ratkaisut voivat toimia luotettavasti myös tavallista korkeammissa lämpötiloissa.

Näitä erinomaisia ominaisuuksia hyödyntämällä voidaan päästä entistä kevyempiin ja energiatehokkaampiin laiteratkaisuihin. Järjestelmissä voidaan yltää yhä korkeampaan tehotasoon (jopa 22 kW), jonka saavuttaminen perinteisillä piipohjaisilla ratkaisuilla (IGBT, SJ-MOSFET) olisi hyvin epäkäytännöllistä.

Vaikka sähköauton tehokkaammalla OBC-laturilla ei ole suoraa vaikutusta ajoneuvon toimintasäteeseen, sillä on tärkeä rooli toimintamatkan synnyttämän ’ahdistuksen’ lieventämisessä, kun latausaikoja voidaan lyhentää merkittävästi. Siksi OBC-laturien tehotasoja halutaan edelleen nostaa nopeamman latauksen saavuttamiseksi.

SiC-tekniikalla on tärkeä tehtävä näiden järjestelmien energiatehokkuuden parantamisessa, kun sähkön siirtäminen verkosta ajoneuvoon voidaan varmistaa hyvällä hyötysuhteella ilman energiahukkaa. Tämän ansiosta voidaan suunnitella entistä kevyempiä ja luotettavampia OBC-latureita kompaktiin kokoon.

Viitteet

¹⁾Lataustuntia kohti pidentyvän ajomatkan arvioinnissa oletetaan, että ajoneuvon energiankulutus on noin 13 kWh/100 km.