Betere EV laders door modulaire vermogenselektronica
Betere EV laders door modulaire vermogenselektronica
Het maken van een nieuw (vermogenselektronica) product is een zeer arbeidsintensief en duur proces. Het traject van eerste ontwerp tot diverse prototypes vormt een groot deel van de totale productkost. Om deze kosten te drukken introduceren we modulaire ontwerpen. Via modulaire ontwerpen kunnen we hogere vermogensniveaus bereiken zonder dat een volledig nieuw ontwerp nodig is. Dit doen we door gebruik te maken van vooraf ontworpen blokken. Naast 'modulariteit in ontwerp' en 'modulariteit in productie' is er echter ook het concept van 'modulariteit in gebruik'. Ons doel was om alle drie soorten modulariteit te bereiken voor vermogenselektronica die wordt gebruikt in laders voor elektrische voertuigen.
De grootste moeilijkheid bij een modulaire aanpak zijn de kosten van de componenten. Een enkele converter van 200kW gebruikt minder componenten dan 4 convertors van 50kW. Om te bepalen bij welke vermogensniveaus modulaire ontwerpen kosteneffectief zijn en resulteren in een hogere efficiëntie of levensduur hebben we een hulpmiddel ontwikkeld. In de figuur hieronder staat een voorbeeld van 200kW AFE-gelijkrichterontwerpen met één module (niet modulair) versus 2-5 modules (verschillende niveaus van modulariteit):
In dit specifieke geval bleek de optie met 5 gelijkrichters van 40kW de beste, met 52% lagere kosten en 31% minder vermogensverlies vergeleken met de niet-modulaire optie (1x200kW). De kosten van twee 100kW modules heeft dezelfde kosten, maar heeft een slechtere efficiëntie dan de niet-modulaire oplossing.
Gevalideerde oplossing
Zodra het ideale aantal modules is geïdentificeerd, zijn er verschillende andere uitdagingen bij het ontwerpen van modulaire vermogenselektronica, die we als volgt hebben aangepakt in ons verkleinde modulaire AFE-prototype:
- We hebben 3 identieke modules gebouwd.
- Elke module is een complete zelfstandige omvormer met hardware, sensoren en regelaars.
- We hebben een gelijke stroomverdeling tussen de modules bereikt, zoals te zien is in de gemeten stromen in de afbeelding hieronder, ondanks onnauwkeurigheden bij de fabricage (5-10% afwijking in inductiewaarden).
- Het aanpassen van het aantal modules voor een hogere efficiëntie vereist een soepel in- en uitschakelen van modules tijdens bedrijf, wat is bereikt zoals weergegeven in deze figuur:
Conclusie
Een modulaire benadering van vermogenselektronica kan op vele manieren voordelig zijn: hogere betrouwbaarheid, verbeterde efficiëntie, lagere kosten, schaalbaarder en flexibeler ontwerp. Het positieve effect van het gebruik van modulaire vermogenselektronica is echter afhankelijk van de toepassing: elk vermogensniveau en elke toepassing vereist een ander aantal modules.
Via onze tool kunnen we het optimale aantal modules en het ontwerp van de modulaire vermogenselektronica bepalen voor jouw specifieke toepassing en gebruikersvoorkeuren. Bovendien levert hardwarematige validatie van de oplossing een tastbaar bewijs van het concept en pakken we zo de uitdagingen van modulaire systemen aan.
