W samochodzie elektrycznym wszyscy patrzą na akumulator i zasięg, a mało kto myśli o skrzynce, która w ogóle pozwala ten akumulator naładować. Tymczasem to właśnie ładowarka pokładowa bywa dziś wąskim gardłem: grzeje się, traci sprawność i zajmuje sporo miejsca. Europejski zespół projektu HiPower 5.0 pokazuje, że da się ją zmieścić w trzy razy mniejszej objętości, sięgając po azotek galu i sprytną integrację elementów — a na końcu możesz sprawdzić, jakim typem ładowacza jesteś na co dzień.
Gdy mowa o autach elektrycznych, rozmowa zwykle kręci się wokół baterii, kilometrów na jednym ładowaniu i liczby stacji przy drogach. Jest jednak element, bez którego wtyczka w gniazdku niewiele by dała. To ładowarka pokładowa, w skrócie OBC. Siedzi w samochodzie i zamienia energię pobieraną z sieci na taką, którą akumulator może bezpiecznie przyjąć.
Brzmi jak techniczny drobiazg, ale to właśnie ograniczenia obecnych ładowarek pokładowych hamują rozwój pojazdów elektrycznych. Nad tym problemem pracuje finansowany ze środków UE projekt HiPower 5.0.
Europa ma ambitne cele klimatyczne, a transport jest jednym z kluczowych pól do zmiany. Odpowiada za 28 proc. wszystkich emisji w Unii Europejskiej, a w obrębie samego transportu aż 80 proc. przypada na drogi. Nic dziwnego, że pojazdy elektryczne są tu traktowane jako jedno z najważniejszych narzędzi. Żeby jednak naprawdę się upowszechniły, potrzebują sprzętu, który będzie mniejszy, wydajniejszy i bardziej opłacalny niż dotychczasowy. Ładowarka pokładowa to dobry przykład miejsca, w którym da się sporo poprawić.
Klasyczne ładowarki opierają się na rozwiązaniach krzemowych. Przy rosnącym zapotrzebowaniu na moc zaczynają one tracić sprawność, mocno się nagrzewają i po prostu są za duże. Ładowarki o wysokiej mocy wymagają do tego rozbudowanego chłodzenia, więc trudno je upchnąć w mniejszych pojazdach.
Powstaje błędne koło: chcesz szybciej ładować, potrzebujesz większej mocy, a większa moc oznacza więcej ciepła, więcej chłodzenia i więcej zajętego miejsca. Dla konstruktorów małych aut to poważny kłopot.
Zespół HiPower 5.0 postawił sobie konkretny cel. Opracowywany moduł ma moc 22 kW, a zajmuje około 4 litrów. Dla porównania średnia rynkowa to mniej więcej 12 litrów. Mówimy więc o urządzeniu trzy razy mniejszym przy tej samej klasie zadań.
W samochodzie każdy zaoszczędzony litr ma znaczenie. Mniejsza ładowarka to więcej swobody dla projektantów i szansa, że wydajne ładowanie trafi także do pojazdów, w których dotąd po prostu nie było na nie miejsca.
Sercem rozwiązania są półprzewodniki z azotku galu, oznaczane skrótem GaN. Dostarcza je partner projektu, firma Infineon Technologies. Kluczowe są tu dwukierunkowe przełączniki, czyli takie, które potrafią sterować przepływem prądu w obie strony.
Instytut Fraunhofera ds. Niezawodności i Mikrointegracji IZM, który w projekcie nadzoruje zastosowania motoryzacyjne, pisze w swojej informacji prasowej: „Te monolitycznie zintegrowane, dwukierunkowe przełączniki GaN umożliwiają bardziej wydajną konwersję w mniejszej obudowie…”.
Jest też drugi zysk. Jeden taki przełącznik zastępuje dwa tradycyjne elementy półprzewodnikowe. Mniej części oznacza prostszy układ, a prostszy układ daje inżynierom pole do zupełnie nowych pomysłów technicznych.
Sam lepszy materiał to jednak nie wszystko. Konsorcjum nie skupiło się na dopieszczaniu pojedynczych podzespołów, tylko spojrzało na ładowarkę jako całość. Komponenty są wbudowywane bezpośrednio w płytki drukowane.
Dzięki temu ścieżki elektryczne są krótsze, straty energii mniejsze, a całość zajmuje mniej miejsca. Fraunhofer IZM wnosi do tej części prac doświadczenie w projektowaniu całych systemów, a nie tylko ich fragmentów.
Choć punktem wyjścia jest motoryzacja, projekt sięga dalej, także na morze. Zespół sprawdza, jak ładowarka i pokrewne rozwiązania sprawdziłyby się w żegludze, gdzie zalety azotku galu i innych półprzewodników z szeroką przerwą energetyczną mogłyby zostać wykorzystane jeszcze lepiej. Całość obejmuje sześć przypadków użycia:
Pełna nazwa projektu wylicza, co trzeba połączyć, żeby taka ładowarka powstała: półprzewodniki, integrację i systemy sterowania. To dobra lekcja dla każdego, kto myśli o studiach technicznych. Postęp w elektromobilności nie zależy wyłącznie od wielkich przełomów w bateriach. Często rodzi się w mniej efektownych miejscach, gdzie materiałoznawcy, elektronicy i specjaliści od sterowania muszą wspólnie wycisnąć więcej z każdego centymetra.
Ładowarka pokładowa to niepozorny, ale kluczowy element auta elektrycznego. Rozwiązania krzemowe przy dużej mocy grzeją się, tracą sprawność i zajmują dużo miejsca. Projekt HiPower 5.0 pokazuje, że moduł o mocy 22 kW można zmieścić w około 4 litrach zamiast typowych 12. Pomagają w tym dwukierunkowe przełączniki z azotku galu i wbudowywanie elementów w płytki drukowane. Te same pomysły zespół chce przenieść także na statki, bo zmniejszanie emisji dotyczy nie tylko dróg.
5 pytań · minuta
poleca:
