MoReSiC – stacja ładowania pojazdów z silnikiem elektrycznym oparta na elementach z węglika krzemu

Samochody z silnikiem elektrycznym odgrywają istotną rolę w procesie dekarbonizacji energetyki. Coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin oraz mająca miejsce w wielu państwach Europy odpowiednio nakierowana polityka podatkowa zachęca konsumentów do szukania alternatywy dla samochodów z silnikiem spalinowym. Użytkowanie pojazdów z silnikiem elektrycznym niesie z sobą wiele problemów, do najistotniejszych z nich poza ceną można zaliczyć ich ograniczony zasięg oraz niski poziom gotowości infrastruktury elektroenergetycznej do ich ładowania. Problemy te mogłyby zostać w znacznej mierze rozwiązane dzięki budowie infrastruktury opartej na stacjach szybkiego ładowania, zdolnych naładować pojazd nawet w kilkanaście minut. Niestety, stacje te wymagają dostarczenia dużych energii, w stosunkowo krótkim czasie, co stanowi niemałe wyzwanie dla systemu elektroenergetycznego. Należy nadmienić, że problemy te będą się pogłębiać wraz ze zwiększaniem ilości użytkowanych samochodów z silnikiem elektrycznym. Kolejnym wyzwaniem stojącym przed systemem elektroenergetycznym jest zachowanie wymaganych wskaźników jakości energii elektrycznej w kontekście pozyskiwania jej z OZE, przede wszystkim z paneli fotowoltaicznych oraz wiatraków. Produkcja energii elektrycznej przez te źródła jest w znacznej mierze nieprzewidywalna i zależna od warunków atmosferycznych, co utrudnia zachowanie jej wymaganych wskaźników jakości.  Stacje szybkiego ładowania wyposażonych w magazyny energii mogą w znacznym stopniu ograniczyć ten problem. W systemie takim magazyn energii może być ładowany w trakcie dużej podaży energii elektrycznej w momencie jak jest ona stosunkowo tania np. podczas wzmożonej produkcji energii elektrycznej przez OZE, co również pozytywnie wpłynie na jej jakość. Natomiast rozładowywanie magazynu może odbywać się w momencie, kiedy podaż energii w systemie elektroenergetycznym jest niewystarczająca.

Stacja Szybkiego Ładowania (MoReSiC)

            Rosnące zapotrzebowanie rynku na stacje szybkiego ładowania oraz postęp technologiczny w budowie półprzewodnikowych elementów mocy, przede wszystkim tranzystorów z węglika krzemu, wymaga prowadzenia badan na wyżej wymieniony temat. Odpowiedzią na to jest realizowany przez firmę Markel wspólnie z Politechniką Warszawską oraz Norges Teknisk-naturvitenskapelige Universitet projekt naukowo-badawczy MoReSiC (ang. Modularized, Reconfigurable and Bidirectional Charging Infrastructure for Electric Vehicles with Silicon Carbide Power Electronic). Schemat systemu został pokazany na rysunku 1. System MoReSiC składa się z falownika napięcia sprzęgającego sieć elektroenergetyczną ze wspólną szyną napięcia stałego, nieizolowanego przekształtnika DC/DC obsługujący magazyn energii oraz z izolowanych przekształtników DC/DC obsługujących akumulatory pojazdów z silnikiem elektrycznym. Wszystkie przekształtniki zostaną wykonane w topologiach trójpoziomowych, umożliwiających dwukierunkowy przepływ energii. Systemem zarządza jeden, wspólny dla wszystkich układów sterownik, nadzorujący przepływ energii pomiędzy poszczególnymi układami.

Zastosowanie topologii trójpoziomowych w miejsce klasycznych – dwupoziomowych umożliwia uzyskanie lepszej jakości przetwarzanej energii oraz zmniejszenie maksymalnych napięć występujących na półprzewodnikowych elementach mocy. Trójprzewodowa, symetryczna sieć DC o napięciu +/- 750 V umożliwi podłączenie klasycznych przekształtników DC/DC o napięciu roboczym 750 VDC oraz przekształtników trójpoziomowych o napięciu roboczym 1500 VDC w ramach jednego, zintegrowanego systemu. Proponowane rozwiązanie w porównaniu ze standardowymi dwuprzewodowymi, pozwala na pracę wysokonapięciowych magazynów energii i jednocześnie umożliwi współpracę ze standardowymi ładowarkami samochodowymi. Aby zmaksymalizować wydajność systemu i gęstość przetwarzanej mocy, w systemie zostaną wykorzystane tranzystory wykonane w technologii SiC o klasie napięciowej 1,2 kV.  Istotnym parametrem całego systemu jest jego modułowość, z którą wiąże się budowa modułów mocy wchodzących w skład poszczególnych przekształtników, w ramach takiej samej lub zbliżonej konstrukcji. W znacznym stopniu poprawia to elastyczność tworzenia takiego lub podobnego systemu, który może mieć zbliżone parametry i jedynie część funkcji oraz składać się z tych samych modułów mocy. W ramach systemu przewiduje się maksymalną moc falownika oraz przekształtnika nieizolowanego na poziomie 20 kW oraz maksymalną moc przekształtnika izolowanego (moc ładowania baterii pojazdu) na 40 kW.  Przewiduje się również, że znamionowa sprawność przekształtników wyniesie nie mniej niż 97% dla układu izolowanego oraz nie mniej niż 98% dla układu nieizolowanego oraz falownika.

Rys. 1 Schemat ideowy szybkiej stacji ładowania z magazynem energii.

Istotnym zagadnieniem realizowanego projektu jest odpowiednie sterowanie wszystkimi przekształtnikami w poszczególnych trybach pracy. Sterowanie przepływem energii przy efektywnym wykorzystaniu wszystkich elementów systemu wymaga zastosowania zaawansowanych algorytmów sterowania. Jest to szczególnie istotne w kontekście współpracy systemu z wysokonapięciowym magazynem energii oraz siecią elektroenergetyczną, która daje możliwość nie tylko zmniejszenia maksymalnej mocy wejściowej falownika, ale również doładowanie magazynu przy możliwie najniższej cenie energii oraz pracy w przypadku braku zasilania z sieci elektroenergetycznej.

Głównym zadaniem firmy Markel w realizowanym projekcie jest budowa uniwersalnego bloku mocy opartego o tranzystory SiC MOSFET pozwalającego na osiągnięcie najlepszych możliwych parametrów dla wszystkich przekształtników.

Podsumowanie

            Projekt naukowo-badawczy MoReSiC ma na celu zbadanie możliwości konwersji energii elektrycznej przez stację ładowania pojazdów z silnikiem elektrycznym. W stacji tej zostaną wykorzystane moduły mocy zbudowane na bazie tranzystorów z węglika krzemu. System będzie wyposażony w magazyn energii i poza ładowaniem pojazdów elektrycznych odpowiedzialny będzie za zarządzanie energią, w taki sposób, aby zminimalizować jego negatywny wpływ na sieć elektroenergetyczną oraz przetworzyć energię możliwie najefektywniej. Informacje o realizowanym projektu są aktualizowane wraz z postępem prac badawczych i zamieszczane na stronie internetowej: https://markel.pl/projekty/