Voedingen voor EV-laadstations

Ook de lader vraagt om een voeding

Naarmate het aantal elektrische voertuigen (EV’s) toeneemt, is er een groeiende behoefte om efficiëntere laders te creëren die voertuigen sneller dan voorheen kunnen opladen. Daarbij moeten ze een steeds grotere actieradius hebben en daardoor een grotere batterijcapaciteit, waardoor de ontwikkeling van steeds betere snellaadoplossingen nodig is om voertuigen snel te kunnen laden.

Laadstations kunnen worden onderverdeeld in DC en AC laadstations, waarbij DC-laadstations een groter volume hebben en sneller kunnen laden, terwijl AC-laadstations kleiner zijn, maar minder snel laden. Beide soorten laders hebben naast de netspanning ook een gelijkspanning nodig voor de elektronica die gebruikt wordt voor het regelen van de laadstroom en alles wat er nog meer aan elektronica in de laadpaal zit. De energie voor het laden van de accu wordt bij AC-laders immers direct vanuit het AC-net betrokken en bij DC-laders vanuit AC-DC-omzetters die veel vermogen kunnen leveren bij gelijkspanningen van 400 V en meer.
Bij het ontwerpen van de stroomvoorziening voor laadstations wordt u geconfronteerd met meerdere uitdagingen en eisen zoals de eis dat de voeding overweg moet kunnen met schommelingen van de netspanning en bestand moet zijn tegen hoge spanningspieken.
Doordat de laadpalen buiten staan in weer en wind en vooral de zon een behoorlijk probleem kan zijn, moeten de gebruikte voedingen bestand zijn tegen grote temperatuurverschillen en verschillen in vochtigheid van de lucht. Ook moet hij een minimale ruimte in beslag nemen. Met name voor de kleine AC-laders is dit van belang omdat die steeds kleiner worden. Voedingen voor printmontage moeten daarbij naast klein zijn, ook tegen hoge temperaturen kunnen. Een ware uitdaging voor de ontwikkelaars van dit soort voedingsmodules.

Voedingen voor AC-laders
De meest voorkomende typen AC-laders in Europa zijn zogenaamde L2-laders die werken op 208…240 V_AC . Deze laders zijn te vinden op veel openbare locaties, waaronder supermarkten, hotels, winkelcentra en parkeergarages of als privé-lader bij mensen thuis. Een gemiddelde EV kan met dit soort laders binnen 8 uur of minder volledig zijn opgeladen.
Omdat de DC-voeding in de lader slechts de elektronica hoeft te voeden en niet de laadstroom moet leveren, zien we bij dit type laders een grote vraag naar compacte AC/DC-voedingsmodules voor PCB-montage. Typische vermogens gaan van 5 W tot 60 W, meestal met 12 V_DC of 24 V_DC als uitgangsspanning.
Voedingsspecialist Elipse heeft voor deze laders een aantal AC/DC-voedingsmodules die voldoen aan alle nieuwe normen, waaronder IEC62368, EN60335 voor huishoudelijke apparaten en de EN61558 (afbeelding 1). Daarnaast hebben ze ook DC/DC converters voor printmontage, al dan niet geïsoleerd, met enkele of dubbele uitgangen. Deze omzetters zijn beschikbaar in SIP, DIP, SMD of DFN met typische uitgangsspanningen van 3,3 V, 5 V, 12 V tot 48 V.
Als het gaat om niet-geïsoleerde schakelende regelaars, zien we een trend naar miniaturisatie. Enkele zeer populaire typen van Elipse zijn de ultracompacte K78’s, met een breed ingangsbereik en uitgangsstroom tot 3000 mA (afbeelding 2). Ook veel gebruikt in laadstations zijn voedingen met CAN-, RS-485- en RS232-naar-Ethernet-tranceivers, die stroom en communicatie combineren in 1 module. Deze zijn zo compact geworden als een simpele chip op de print.
In laadstations met hogere vermogensniveaus of meerdere uitgangen zien we het gebruik van DIN-rail voedingen, open-frame voedingen of closed-frame voedingen. De MORNSUN LM150-23xx is bijvoorbeeld een serie van 150 W schakelende voedingen met een ultra breed ingangsbereik van 85…305 V_AC . Met een hoge isolatiespanning van 4000 V_AC is deze productlijn speciaal ontworpen om te voldoen aan de stroomvoorzieningsbehoeften in EV-laadtoepassingen, met name voor het voeden van de MCU van laadsystemen.
De MORNSUN LM150-12M1224 is een ander voorbeeld van een serie gesloten schakelende voedingen voor DC-laadstations. Deze productserie is goedgekeurd voor de IEC/EN/UL62368 veiligheidsnormen en heeft een uitgangsspanning die kan worden geschakeld tussen 12 V en 24 V.

Voedingen voor DC- en V2G-laden
Naast de AC-laders zijn er ook DC-laders die een hoge gelijkspanning leveren – typisch 400 VDC/ 800 VDC, om rechtstreeks de accu’s te laden in het voertuig. Dit scheelt extra vermogenselektronica in de auto. Dit type laders is duurder dan AC-laders, maar ze kunnen een veel hoger vermogen leveren en zijn daardoor sneller.
Het spreekt voor zich dat in dit soort laders zware AC-DC voedingen nodig zijn. Uiteraard is er in een DC-lader ook de nodige elektronica aanwezig om het geheel te sturen en te controleren plus de voeding die dit deel van energie voorziet. Dit is een vergelijkbare voeding als in een AC-lader die ook hier moet werken onder dezelfde omgevingscondities.
Nu landen en regeringen overschakelen van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energiebronnen, zien we een grotere vraag naar batterijen voor thuisgebruik in het algemeen en auto’s op batterijen die kunnen helpen om het elektriciteitsnet in evenwicht te brengen en te ondersteunen. Als we de AC/DC-lader nu bidirectioneel maken, dan hebben we een bidirectionele converter, oftewel een Vehicle To Grid ‘V2G Charger’. Dit betekent een AC/DC-lader om de EV-batterijen op te laden en een DC/AC-omvormer die de EV-batterijen kan gebruiken om het AC-net te voeden. Op die manier kunt u de auto ’s nachts opladen wanneer de piekvraag op het elektriciteitsnet meestal laag is. Overdag of tijdens piekvraag zou je de accu van de auto via de V2G-oplader kunnen gebruiken als stroombron voor het AC-net, net als een thuisaccu.
Toekomstige woningen kunnen een integratie zijn van zonnepanelen, thuisbatterijen, een V2G-oplader en de EV elektrische auto. Tijdens piekbelasting kunnen de thuisbatterij en de EV-batterijen worden gebruikt om het AC-net te voeden. Overdag kunnen de zonnepanelen de thuisaccu verder opladen. Op deze manier maakt u optimaal gebruik van beschikbare power backups om uiteindelijk te besparen op elektriciteitskosten (afbeelding 3).

De normen
CHAdeMO is een snellaadmethode voor elektrische voertuigen die tot 62,5 kW bij 500 V_DC en 125 A gelijkstroom leveren via een speciale elektrische connector. Een herziene CHAdeMO 2.0-specificatie maakt tot 400 kW bij 1000 V_DC en 400 A gelijkstroom mogelijk.
CHAdeMO werd in 2010 voorgesteld als een wereldwijde industriestandaard door een groep bedrijven bestaande uit Tokyo Electric Power Company (TEPCO), Nissan, Mitsubishi, Fuji Heavy Industries (nu Subaru Corporation) en Toyota. De norm is opgenomen in de IEC61851-23, -24 (laadsysteem en communicatie) en de IEC 62196-standaard als configuratie AA.
Concurrerende normen zijn onder meer het Combined Charging System (CCS) – gebruikt door de meeste Duitse en Amerikaanse autofabrikanten en de Tesla Supercharger, hoewel Tesla een adapter heeft geleverd om opladen met een CHAdeMO-oplader mogelijk te maken.
CHAdeMO publiceerde zijn protocol voor voertuig-naar-net-integratie in 2014 en vanaf januari 2022 is CHAdeMO nog steeds het enige gestandaardiseerde oplaadprotocol dat V2G/V2X definieert.

Het zware werk
Zoals al gezegd zijn er voor DC-laders zware AC-DC-omzetters nodig die een hoge spanning en een grote stroom kunnen leveren om zo de accu’s heel snel te kunnen laden. Hetzelfde geldt voor V2G-chargers. Door de ervaring die Elipse heeft met voedingen voor de elektronica in de laders, weten ze wel hoe AC-DC- en DC-AC-omzetters opgebouwd moeten worden om te kunnen overleven in laders die 24/7 intensief gebruikt worden. Ook hier zijn de invloeden van weer en wind waartegen de omzetters bestand moeten zijn, van essentieel belang.
Omdat standaardvoedingen voor dit segment nog niet bestaan, helpt Elipse met de vervaardiging van omzetters op klantenspecificatie of gaat op basis van de vereisten op zoek naar een andere oplossing. Dit Belgische bedrijf kan dus zowel de laagvermogen voedingen en omvormers verzorgen voor de AC-laders als de zware high voltage voedingen voor DC- en V2G-laders.