По мере распространения электромобилей и роста их потребностей в энергии необходимо развивать вспомогательную инфраструктуру, чтобы предоставлять более быстрые, гибкие и эффективные решения для зарядки. Появление мегаваттных зарядных устройств для электромобилей, особенно для коммерческих автомобилей, автобусов и грузового транспорта, требует как высокой мощности, так и компактного, термически оптимизированного и модульного оборудования.
Для решения этой задачи компания onsemi представила на выставке PCIM 2025 революционный зарядный модуль мощностью 100 кВт, что ознаменовало значительный прогресс в развитии инфраструктуры зарядки электромобилей. Эта инновационная разработка появилась в решающий момент, когда автомобильная промышленность стремительно переходит к электрификации, а спрос на более быстрые и эффективные решения для зарядки продолжает расти.
«Это устройство, представленное на стенде onsemi во время недавней выставки и конференции PCIM 2025, является первым зарядным устройством мощностью 100 кВт, появившемся на рынке. Он поддерживает высокое напряжение и имеет двунаправленную топологию, которая позволяет передавать энергию от сети к автомобилю или от автомобиля к электросети, обеспечивая снижение пиковых нагрузок или поддержку электросети», – сказал Дидье Балокко, менеджер по техническому маркетингу компании onsemi.
Предлагаемая конструкция позиционируется как фундаментальный элемент для создания масштабируемых систем быстрой зарядки электромобилей мегаваттного уровня, обеспечивающих самые современные показатели эффективности, плотности мощности и двунаправленной функциональности.
Переосмысление уровней зарядки и требований к ней
Современная зарядка электромобилей включает в себя три основных уровня, каждый из которых определяется мощностью и скоростью. Уровень 1 – самый базовый, он обеспечивает мощность менее 3,4 кВт и до 16 А при умеренной скорости зарядки от 5 до 20 километров в час и подходит для использования ночью в жилых помещениях.
Уровень 2, который обычно используется в бытовых электрощитах и коммерческих станциях, обеспечивает мощность от 3 до 12 кВт, до 80 А и поддерживает скорость зарядки до 60 км/ч. Однако переход на уровень 3 открывает возможности по-настоящему быстрой зарядки.
Эти системы работают при мощности до 500 кВт и токе до 800 А, позволяя электрокарам всего за 15-30 минут во время остановок на шоссе получить запас хода в несколько сотен километров. Это решает одну из основных проблем, связанных с внедрением электромобилей, – время зарядки.
Такие скорости зарядки необходимы для поездок на дальние расстояния, эксплуатации автопарка и будущего электротехнической логистики. 100-киловаттный зарядный модуль предназначен именно для этого пространства и для подключения к более крупным конфигурациям, при этом он по-прежнему служит высокофункциональным автономным быстрым зарядным устройством.
Обзор архитектуры и функционала
В основе зарядного устройства мощностью 100 кВт лежит высокоэффективная платформа преобразования энергии, разработанная для удовлетворения растущего спроса на гибкую, быструю и надежную зарядку электромобилей (рис. 1). Используя передовую технологию onsemi из карбида кремния, система обеспечивает широкий диапазон выходного напряжения постоянного тока, совместимый с существующими аккумуляторными системами для электромобилей нового поколения, включая 400 В, 800 В и новые 1200 В архитектуры.
В этой конструкции используются высокопроизводительные МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC), обеспечивающие замечательный КПД в 97%. Устройство работает от номинального напряжения переменного тока 480 В, генерируя на шине постоянного тока высокое напряжение, обычно составляющее около 1200 В. Последовательный двойной активный мост (DAB) обеспечивает гальваническую развязку и преобразует высоковольтную шину постоянного тока в программируемый диапазон выходного напряжения от 200 В до 1500 В. Такая высокая гибкость выходного напряжения обеспечивает совместимость с широким спектром аккумуляторных систем, включая современные конфигурации на 400 В и 800 В, а также следующее поколение аккумуляторов на 1200 В, устанавливаемых на грузовые автомобили и электромобили.
Блок зарядного устройства поддерживает двунаправленный поток энергии – важнейшую функцию для новых устройств обмена информацией между транспортным средством и электросетью. Обеспечивая возврат энергии из автомобильных аккумуляторов в сеть, система помогает поддерживать стабильность электросети, балансировку нагрузки и варианты использования накопителей энергии, такие как снижение пиковой нагрузки и интеграция возобновляемых источников энергии. Эта двойная функция отличает модуль мощностью 100 кВт от традиционных однонаправленных быстрых зарядных устройств и позиционирует его как базовую технологию для будущих интеллектуальных электросетевых экосистем.
Высокоэффективная силовая электроника на основе карбида кремния
Эффективность является определяющим показателем для современных мощных систем зарядки электромобилей, влияющим на все – от теплотехнического решения до эксплуатационных расходов и воздействия на электросеть. Зарядный блок мощностью 100 кВт оснащен силовыми модулями onsemi нового поколения из карбида кремния (SiC), разработанными для обеспечения исключительной производительности в сложных условиях.
Эти модули на основе SiC обеспечивают компактную конструкцию системы, высокую частоту переключения и минимальные потери проводимости, что делает их идеальными как для подключенных к сети, так и для мобильных платформ быстрой зарядки. Их использование обеспечивает эффективность преобразования энергии, превышающую пиковый КПД на 97,5%, что со временем приводит к снижению потерь энергии, упрощению требований к охлаждению и повышению надежности.
«Когда мы разрабатывали это решение, нашей целью было найти баланс между высочайшей эффективностью в широком диапазоне эксплуатации и реальной технологичностью, - отметил Мохсен Махмудисепер, старший специалист по техническому маркетингу подразделения промышленной энергетики onsemi, который руководил разработкой опытного образца быстрой зарядки постоянным током мощностью 100 кВт. – Выбор наших модулей F2 из SiC отражает стратегическую приверженность производительности, термоустойчивости и масштабируемости для инфраструктуры зарядки электромобилей следующего поколения».
Благодаря выбору модулей TNPC и полумостовых модулей F2 из SiC, система сочетает в себе надежную работу в условиях высокого напряжения с проверенной электрической и тепловой стабильностью. Этот выбор поддерживает более широкую миссию по ускорению внедрения электромобилей с помощью эффективной, гибкой и готовой к использованию в реальных условиях технологии быстрой зарядки.
Усовершенствованное терморегулирование и механическая интеграция
Для поддержания производительности при высоких тепловых нагрузках блок зарядки оснащен специально разработанной системой жидкостного охлаждения. Решение для охлаждения включает в себя изготовленную на заказ холодильную плиту в сборе с насосом для циркуляции жидкости, который проходит непосредственно под силовыми модулями. Конструкция теплообменника внутри холодильной плиты спроектирована таким образом, чтобы усилить турбулентность и обеспечить эффективную передачу тепла между хладагентом (смесью гликоля и воды) и поверхностями блока.
Кроме того, компоненты индуктора встроены под конструкцию охлаждения, что обеспечивает максимальное использование пространства и тепловую связь. Охлаждающая пластина изготовлена из высокопрочного алюминия (HS-Al) и способна отводить тепло, выделяющееся при расходе охлаждающей жидкости от 4 до 10 л/мин, поддерживая рабочие температуры от -40°C до +45°C на входной стороне.
Этот тепловой блок не только обеспечивает надежность и стабильность производительности при экстремальных температурах, но и поддерживает масштабируемое развертывание. Модульность блока (рис. 2) позволяет системным интеграторам подключать параллельно несколько устройств для создания мощных зарядных устройств без необходимости перепроектирования тепловой подсистемы для каждого устройства.
Модульность и масштабируемость
Одним из отличительных преимуществ блока зарядных устройств мощностью 100 кВт является присущая ему модульность. Поскольку автопарки требуют более высокой мощности, особенно при перевозке грузов большого веса, возможность объединения нескольких блоков зарядных устройств в единую систему зарядки становится необходимой.
«Модуль мощностью 100 кВт был разработан как высокопроизводительный автономный блок, так и масштабируемый строительный блок для систем мегаваттного класса, – заявил Мохсен Махмудисепер. – Мы стремились обеспечить гибкость, интероперабельность и эффективность в компактном форм-факторе, что позволило бы легко интегрироваться в коммерческие сети зарядки и сети автопарка».
Такой модульный подход не только упрощает масштабирование энергопотребления, но и повышает резервирование системы, удобство обслуживания. Каждый блок работает полуавтономно и может быть заменен «горячим» способом или модернизирован без ущерба для всей инфраструктуры зарядки.
Это решение создает основу для быстрой зарядки электромобилей следующего поколения за счет интеграции модульной конструкции с мощными силовыми блоками на основе SiC. Оно обеспечивает надежность, тепловые характеристики и развитие инфраструктуры в долгосрочной перспективе.
Преимущества Trench-технологии перед применением планарного карбида кремния
В ходе презентации также обсуждался выбор технологии из карбида кремния. В то время как в текущем проекте используются МОП-транзисторы на основе SiC, в планах предусмотрен переход к устройствам на основе SiC, изготовленным по Trench-технологии. Эта технология обеспечивает более низкое значение RDS(on) и может еще больше повысить эффективность при сохранении возможностей высокочастотного переключения. Однако этот переход требует компромиссов.
Планарные устройства обладают превосходной прочностью, что является важным фактором долгосрочной надежности в суровых условиях среды сетевых распределенных вычислений. Нынешнее поколение зарядных устройств мощностью 100 кВт обеспечивает производительность, сравнимую с предлагаемыми на рынке устройствами по Trench-технологии, но в следующем поколении, скорее всего, будет внедрена оптимизированная Trench-технология, позволяющая повысить эффективность и компактность.
«Этот прототип – большой шаг вперед в нашей стратегии разработки карбида кремния, – сказал Дидье Балокко. –Несмотря на то, что тестирование и подтверждение эффективности еще продолжаются, первые результаты показывают, что эта платформа соответствует нашим целям в отношении производительности, надежности и масштабируемости. Это большой шаг на пути к внедрению наилучшей технологии для быстрой зарядки электромобилей нового поколения и показывает, насколько компания onsemi старается разработать высокоэффективные энергетические решения для меняющейся среды транспортных средств».