Розумні трансформатори – ключ до ефективної зарядки електрокарів

Станції швидкої зарядки постійного струму (DC), які безпосередньо передають постійний струм до акумуляторів електромобілів, зазвичай групуються в урбанізованих районах, вздовж основних автомагістралей або на територіях великих автопарків та логістичних центрів. Це призводить до нерівномірного розподілу навантаження: поки одні частини мережі залишаються недозавантаженими, інші – зокрема окремі підстанції – перевантажуються, навіть якщо загальна потужність системи теоретично достатня. У контексті глобальної електрифікації транспорту, коли кількість електромобілів зростає експоненційно (за даними Міжнародної енергетичної агенції, до 2030 року їх може бути понад 250 мільйонів), подолання цієї проблеми стає невідкладним. Воно вимагає не просто потужніших, а й “розумніших” рішень у силовій електроніці – пристроїв, які компактні, ефективні та здатні інтегрувати локальні накопичувачі енергії (наприклад, батареї) з відновлювальними джерелами, такими як сонячні панелі чи вітряки. Це не тільки стабілізуватиме мережу, але й сприятиме зменшенню залежності від викопного палива

Твердотільні трансформатори: революція в зарядці електромобілів 

Серед найперспективніших технологій для оновлення електромережі, аби вона витримувала потреби електрифікації транспорту та генерації енергії з відновлюваних джерел, виділяється твердотільний трансформатор (ТТ). На відміну від традиційних трансформаторів, які покладаються виключно на пасивний магнітний зв’язок (де струм у первинній обмотці індукує струм у вторинній через магнітне поле), ТТ використовує передові напівпровідники – матеріали, що контролюють потік електрики за допомогою електронних ключів. Він здійснює підвищення чи зниження напруги через високочастотне перетворення, застосовуючи перемикачі на базі карбіду кремнію (SiC) або нітриду галію (GaN) – матеріалів, які витримують високі температури та напруги, забезпечуючи вищу ефективність і менші втрати енергії порівняно з кремнієвими аналогами. Додатково, цифрове керування дозволяє ТТ динамічно регулювати потік потужності, адаптуючись до змінних умов, наприклад, пікових навантажень чи інтеграції сонячної енергії

Протягом десятиліть інфраструктура зарядки електромобілів базувалася на трансформаторах лінійної частоти (ЛЧТ) – масивних конструкціях з заліза та міді. Вони знижують змінну напругу середнього рівня до низького, перед або після перетворення AC (змінний струм) на DC (постійний струм), який потрібен для акумуляторів. Типовий ЛЧТ може містити сотні кілограмів мідних обмоток і кілька тонн заліза, роблячи його не тільки дорогим, але й проблематичним через глобальний дефіцит цих металів (наприклад, мідь дорожчає через попит на “зелені” технології). Хоча ЛЧТ надійні, вони громіздкі, займають багато місця та менш ефективні, особливо при двосторонньому потоці енергії – наприклад, коли енергія передається з локального сховища (батарей на станції) назад до мережі чи транспортних засобів. На противагу, ТТ значно менші та легші, що полегшує їх установку в обмеженому просторі, наприклад, на міських парковках

Як зробити твердотільні трансформатори ще ефективнішими? 

Більшість багатопортових ТТ, розроблених досі, були надто складними чи дорогими – їхня вартість могла перевищувати ціну ЛЧТ у 5-10 разів. Крім того, залежність від допоміжних акумуляторів збільшувала витрати та знижувала надійність, саме тому переваги ТТ ще не призвели до масового переходу від ЛЧТ

У дослідженні, опублікованому в журналі IEEE Transactions on Power Electronics, дослідники з Індійського інституту науки та Delta Electronics India (обидві установи розташовані в Бангалорі) запропонували інноваційний каскадний багатопортовий ТТ на базі H-моста (CHB). Ця конструкція усуває згадані компроміси, забезпечуючи таку ж кількість напівпровідникових елементів, як у однопортовому перетворювачі, але з кількома незалежно керованими виходами постійного струму. «Наше рішення забезпечує таку ж кількість напівпровідникових приладів, як і однопортовий перетворювач, забезпечуючи при цьому кілька незалежно керованих виходів постійного струму», – пояснює Шашидхар Матапаті, технічний директор Delta Electronics. «Це означає відсутність додаткового акумуляторного накопичувача, додаткових напівпровідникових приладів та додаткової ізоляції середньої напруги»

Команда створила лабораторний прототип потужністю 1,2 кіловата для перевірки концепції, досягнувши вражаючої ефективності 95,3% при номінальному навантаженні. Вони також провели моделювання повномасштабної системи на 11 кіловольт і 400 кіловат, розділеної на два порти по 200 кіловат кожен. Серцем системи є багатообмотковий трансформатор, розміщений на низьковольтній стороні перетворювача. Така конфігурація не потребує дорогої та громіздкої ізоляції середньої напруги та дозволяє балансувати потужність між портами без використання допоміжних батарей. «Попередні багатопортові конструкції на базі CHB потребували кількох батарейних блоків або конденсаторних мереж для рівномірного розподілу навантаження», – зазначають автори в своїй статті. «Ми показали, що можна досягти того ж результату за допомогою простішої, легшої та надійнішої трансформаторної схеми»

Нова стратегія модуляції та керування підтримує коефіцієнт потужності, рівний одиниці, на межі мережі. Таким чином, весь струм, який надходить з мережі, використовується ефективно, без марних коливань між джерелом і навантаженням, які не виконують корисної роботи. Описаний ТТ дозволяє кожному порту постійного струму працювати незалежно: на практиці це означає, що кожен електромобіль, підключений до зарядки, отримує оптимальну напругу та струм, не впливаючи на сусідні порти чи стабільність мережі. Це особливо корисно для станцій з кількома зарядними точками, де різні моделі авто можуть мати різні вимоги до зарядки (наприклад, Tesla та Nissan Leaf першого покоління)

Використовуючи карбід-кремнієві перемикачі, з’єднані послідовно, система може обробляти вхідні сигнали середньої напруги, зберігаючи високу ефективність. Для підключення до мережі на 11 кіловольт потрібно лише 12 каскадних модулів на фазу – приблизно вдвічі менше, ніж у деяких альтернативних модульних багаторівневих конструкціях. Менша кількість модулів означає нижчу вартість, простіше керування та вищу надійність, зменшуючи ймовірність відмов через меншу кількість компонентів

Хоча конструкція все ще на лабораторній стадії, вона може стати основою для нового покоління компактних і економічно вигідних вузлів швидкої зарядки. Усуваючи потребу в проміжному зберіганні акумуляторів, яке додає витрат, складності та необхідності регулярного обслуговування, запропонована топологія може значно продовжити термін служби зарядних станцій для електромобілів. Це не тільки здешевить експлуатацію, але й зробить систему стійкішою до зносу

За словами дослідників, новий перетворювач має ширше застосування, ніж просто зарядка електромобілів 

Будь-яка система, що вимагає перетворення середньої напруги на багатопортову низьку, – наприклад, центри обробки даних (де потрібна стабільна енергія для серверів), інтеграція відновлюваних джерел енергії (сонячні ферми чи вітряки) або промислові мережі постійного струму (виробничі лінії) – може отримати від нього суттєву користь. У контексті глобальних зусиль щодо декарбонізації, такі технології сприяють переходу до стійкої енергетики, зменшуючи втрати та оптимізуючи ресурси

Для енергетичних компаній та операторів зарядних мереж, котрі вже відчувають мегаватний попит від стрімкого зростання електромобілів, цей оптимізований твердотільний трансформатор стане вирішальним інструментом. Він зробить масовий перехід на електротранспорт набагато зручнішим для водіїв, які потребують швидкої зарядки, та менш обтяжливим для самої електромережі. У майбутньому ця технологія прискорить впровадження «розумних» мереж, де енергія розподіляється максимально інтелектуально, мінімізуючи втрати та забезпечуючи найвищу ефективність