Умные трансформаторы – ключ к эффективной зарядке электрокаров

Станции быстрой зарядки постоянного тока (DC), непосредственно передающие постоянный ток аккумуляторам электромобилей, обычно группируются в урбанизированных районах, вдоль основных автомагистралей или на территориях крупных автопарков и логистических центров. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки: пока одни части сети остаются недозагруженными, другие – в частности, отдельные подстанции – перегружаются, даже если общая мощность системы теоретически достаточна. В контексте глобальной электрификации транспорта, когда количество электромобилей растет экспоненциально (по данным Международного энергетического агентства, к 2030 году их может быть более 250 миллионов), преодоление этой проблемы становится безотлагательным. Оно требует не просто более мощных, но и более «умных» решений в силовой электронике – устройств, компактных, эффективных и способных интегрировать локальные накопители энергии (например, батареи) с возобновляемыми источниками, такими как солнечные панели или ветряные мельницы. Это не только будет стабилизировать сеть, но и будет способствовать уменьшению зависимости от ископаемого топлива

Твердотельные трансформаторы: революция в зарядке электромобилей 

Среди наиболее перспективных технологий для обновления электросети, чтобы она выдерживала потребности электрификации транспорта и генерации энергии из возобновляемых источников, выделяется твердотельный трансформатор (ТТ). В отличие от традиционных трансформаторов, которые полагаются исключительно на пассивную магнитную связь (где ток в первичной обмотке индуцирует ток во вторичном через магнитное поле), ТТ использует передовые полупроводники – материалы, контролирующие поток электричества с помощью электронных ключей. Он осуществляет повышение или понижение напряжения через высокочастотное преобразование, применяя переключатели на базе карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN) – материалов, которые выдерживают высокие температуры и напряжения, обеспечивая более высокую эффективность и меньшие потери энергии по сравнению с кремниевыми аналогами. Дополнительно, цифровое управление позволяет ТТ динамически регулировать поток мощности, адаптируясь к изменяющимся условиям, например пиковым нагрузкам или интеграции солнечной энергии

В течение десятилетий инфраструктура зарядки электромобилей базировалась на трансформаторах линейной частоты (ЛЧТ) – массивных конструкциях из железа и меди. Они снижают напряжение среднего уровня до низкого, перед или после преобразования AC (переменный ток) в DC (постоянный ток), который необходим для аккумуляторов. Типичный ЛЧТ может содержать сотни килограммов медных обмоток и несколько тонн железа, делая его не только дорогим, но и проблематичным из-за глобального дефицита этих металлов (например, медь дорожает из-за спроса на «зеленые» технологии). Хотя ЛЧТ надежны, они громоздки, занимают много места и менее эффективны, особенно при двустороннем потоке энергии – например, когда энергия передается из локального хранилища (батарей на станции) обратно в сеть или транспортные средства. В противоположность ТТ значительно меньше и легче, что облегчает их установку в ограниченном пространстве, например, на городских парковках

Как сделать твердотельные трансформаторы еще более эффективными? 

Большинство многопортовых ТТ, разработанных до сих пор, были слишком сложными или дорогими – их стоимость могла превышать цену ЛЧТ в 5-10 раз. Кроме того, зависимость от вспомогательных аккумуляторов увеличивала расходы и снижала надежность, поэтому преимущества ТТ еще не привели к массовому переходу от ЛЧТ

В исследовании, опубликованном в журнале IEEE Transactions on Power Electronics, исследователи из Индийского института науки и Delta Electronics India (оба учреждения расположены в Бангалоре) предложили инновационный каскадный многопортовый ТТ на базе H-моста (CHB). Эта конструкция устраняет упомянутые компромиссы, обеспечивая такое же количество полупроводниковых элементов, как в однопортовом преобразователе, но с несколькими независимо управляемыми выходами постоянного тока. «Наше решение обеспечивает такое же количество полупроводниковых приборов, как и однопортовый преобразователь, обеспечивая при этом несколько независимо управляемых выходов постоянного тока», — объясняет Шашидхар Матапати, технический директор Delta Electronics. Это означает отсутствие дополнительного аккумуляторного накопителя, дополнительных полупроводниковых приборов и дополнительной изоляции среднего напряжения

Команда создала лабораторный прототип мощностью 1,2 киловатт для проверки концепции, достигнув поразительной эффективности 95,3% при номинальной нагрузке. Они также провели моделирование полномасштабной системы на 11 киловольт и 400 киловатт, разделенной на два порта по 200 киловатт каждый. Сердцем системы является многообмоточный трансформатор, расположенный на низковольтной стороне преобразователя. Такая конфигурация не требует дорогостоящей и громоздкой изоляции среднего напряжения и позволяет балансировать мощность между портами без использования вспомогательных батарей. «Предыдущие многопортовые конструкции на базе CHB нуждались в нескольких батарейных блоках или конденсаторных сетях для равномерного распределения нагрузки», – отмечают авторы в своей статье. «Мы показали, что можно достичь того же результата с помощью более простой, более легкой и надежной трансформаторной схемы»

Новая стратегия модуляции и управления поддерживает коэффициент мощности, равный единице, на границе сети. Таким образом, весь ток, поступающий из сети, используется эффективно, без бесполезных колебаний между источником и нагрузкой, не выполняющих полезную работу. Описанный ТТ позволяет каждому порту постоянного тока работать независимо: на практике это означает, что каждый электромобиль, подключенный к зарядке, получает оптимальное напряжение и ток без влияния на соседние порты или стабильность сети. Это особенно полезно для станций с несколькими зарядными точками, где разные модели авто могут иметь разные требования к зарядке (например, Tesla и Nissan Leaf первого поколения)

Используя карбид-кремниевые переключатели, соединенные последовательно, система может обрабатывать входные сигналы среднего напряжения, сохраняя высокую эффективность. Для подключения к сети на 11 киловольт требуется всего 12 каскадных модулей на фазу – примерно вдвое меньше, чем в некоторых альтернативных многоуровневых модульных конструкциях. Меньшее количество модулей означает более низкую стоимость, более простое управление и более высокую надежность, уменьшая вероятность отказов из-за меньшего количества компонентов

Хотя конструкция все еще находится на лабораторной стадии, она может стать основой для нового поколения компактных и экономически выгодных узлов быстрой зарядки. Устраняя потребность в промежуточном хранении аккумуляторов, которое придает затраты, сложности и необходимость регулярного обслуживания, предложенная топология может значительно продлить срок службы зарядных станций для электромобилей. Это не только удешевит эксплуатацию, но и сделает систему более устойчивой к износу

По словам исследователей, новый преобразователь имеет более широкое применение, чем просто зарядка электромобилей 

Любая система, требующая преобразования среднего напряжения в многопортовое низкое, – например, центры обработки данных (где требуется стабильная энергия для серверов), интеграция возобновляемых источников энергии (солнечные фермы или ветряные мельницы) или промышленные сети постоянного тока (производственные линии) – может получить от него существенную пользу. В контексте глобальных усилий по декарбонизации такие технологии способствуют переходу к устойчивой энергетике, уменьшая потери и оптимизируя ресурсы

Для энергетических компаний и операторов зарядных сетей, уже испытывающих мегаваттный спрос от стремительного роста электромобилей, этот оптимизированный твердотельный трансформатор станет решающим инструментом. Он сделает массовый переход на электротранспорт гораздо более удобным для водителей, нуждающихся в быстрой зарядке, и менее обременительным для самой электросети. В будущем эта технология ускорит внедрение «умных» сетей, где энергия распределяется максимально интеллектуально, минимизируя потери и обеспечивая наивысшую эффективность