डीसी चार्जिंग पावर आर्किटेक्चर: एसी इनपुट से वाहन की बैटरी तक

डीसी फास्ट चार्जर को अक्सर केवल एक पावर रूपांतरण प्रणाली के रूप में देखा जाता है: एसी पावर चार्जर में प्रवेश करती है, डीसी पावर उत्पन्न होती है, और वाहन की बैटरी चार्जिंग कनेक्टर के माध्यम से इसे प्राप्त करती है।

व्यवहार में, आंतरिक संरचना अधिक जटिल होती है। पावर रूपांतरण, डीसी वितरण, स्विचिंग, सुरक्षा, संवेदन, नियंत्रण, सहायक पावर और संचार सभी को एक साथ काम करना होता है। सिस्टम के किसी एक हिस्से में खराबी पूरे चार्जिंग पथ के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती है।

घटकों के चयन के लिए, इसका अर्थ यह है कि चार्जर को अलग-अलग भागों के संग्रह के बजाय एक संपूर्ण विद्युत संरचना के रूप में माना जाना चाहिए।

डीसी चार्जर के अंदर मुख्य पावर पाथ

एक सामान्य डीसी चार्जिंग सिस्टम को निम्नलिखित पावर पाथ के माध्यम से देखा जा सकता है:

एसी इनपुट → एसी/डीसी पावर रूपांतरण → डीसी बस → डीसी वितरण → स्विचिंग और सुरक्षा → चार्जिंग इंटरफ़ेस → वाहन बैटरी

प्रत्येक चरण का एक अलग विद्युत कार्य होता है।

एसी इनपुट चरण ग्रिड पावर प्राप्त करता है और रूपांतरण प्रणाली के लिए आवश्यक परिस्थितियाँ प्रदान करता है। पावर मॉड्यूल, पावर सेमीकंडक्टर, चुंबकीय घटक और नियंत्रण सर्किट आने वाली ऊर्जा को परिवर्तित और विनियमित करने के लिए एक साथ काम करते हैं।

इसके बाद उत्पन्न डीसी पावर को डीसी बस पर एकत्रित किया जाता है और फिर चार्जिंग आउटपुट में वितरित किया जाता है। वहां से, स्विचिंग और सुरक्षा घटक पावर पाथ को नियंत्रित करते हैं और वाहन को नियंत्रित कनेक्शन प्रदान करते हैं।

चार्जिंग कनेक्टर चार्जर और वाहन के बीच अंतिम विद्युत इंटरफ़ेस है। इसलिए यह केवल एक यांत्रिक कनेक्शन होने के बजाय पावर आर्किटेक्चर का एक हिस्सा है।

एसी इनपुट पावर पथ की शुरुआत से कहीं अधिक है

एसी इनपुट स्टेज आगे आने वाली हर चीज के लिए परिचालन स्थितियों को निर्धारित करता है।

रूपांतरण चरण के भीतर, पावर मॉड्यूल और सेमीकंडक्टर उपकरण मुख्य ऊर्जा रूपांतरण का कार्य संभालते हैं, जबकि इंडक्टर और अन्य चुंबकीय घटक फ़िल्टरिंग, ऊर्जा भंडारण और धारा नियंत्रण में सहायता करते हैं। पावर आईसी और नियंत्रण सर्किट स्विचिंग और विनियमन का प्रबंधन करते हैं।

ये घटक स्वतंत्र रूप से कार्य नहीं करते हैं। इनकी विद्युत विशेषताएँ दक्षता, तापीय व्यवहार, नियंत्रण स्थिरता और डाउनस्ट्रीम डीसी बस पर लगाई गई आवश्यकताओं को प्रभावित करती हैं।

यही कारण है कि फ्रंट एंड पर कंपोनेंट का चयन डीसी आउटपुट की आवश्यकताओं से पूरी तरह अलग नहीं किया जा सकता है। रूपांतरण चरण का वोल्टेज, करंट, स्विचिंग स्थितियां और पावर लेवल, ये सभी चार्जर आर्किटेक्चर के बाकी हिस्सों को प्रभावित करते हैं।

डीसी बस क्यों महत्वपूर्ण है?

एसी/डीसी रूपांतरण के बाद, डीसी बस चार्जर की विद्युत वितरण प्रणाली का केंद्रीय बिंदु बन जाती है।

मॉड्यूलर चार्जर में, कई पावर रूपांतरण मॉड्यूल एक ही डीसी बस को बिजली प्रदान कर सकते हैं। यह बस फिर एक या अधिक चार्जिंग आउटपुट को बिजली वितरित करती है और चार्जर के भीतर सहायक सर्किट को भी बिजली की आपूर्ति कर सकती है।

इससे डिजाइन संबंधी कई बातों पर विचार करना आवश्यक हो जाता है।

डीसी बस को अपेक्षित विद्युत भार को संभालते हुए उपयुक्त वोल्टेज स्थिरता बनाए रखनी होती है। बसबार, कनेक्टर और अन्य चालक तत्वों का चयन वास्तविक धारा और पर्यावरणीय परिस्थितियों के अनुसार किया जाना चाहिए। लेआउट भी विद्युत प्रतिरोध, ऊष्मा उत्पादन और उपयोगिता को प्रभावित करता है।

इसलिए डीसी बस केवल पावर मॉड्यूल और आउटपुट के बीच का एक कनेक्शन नहीं है। यह इस बात का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है कि चार्जर के अंदर ऊर्जा को कैसे एकत्रित, वितरित और नियंत्रित किया जाता है।

मॉड्यूलर पावर का मतलब स्वतंत्र पावर पाथ नहीं है

कई डीसी चार्जर लचीली बिजली क्षमता प्रदान करने या विभिन्न आउटपुट कॉन्फ़िगरेशन का समर्थन करने के लिए कई पावर मॉड्यूल का उपयोग करते हैं।

हालांकि, ये मॉड्यूल अंततः एक ही विद्युत संरचना के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं। इनके आउटपुट को समन्वित करना आवश्यक है, और डीसी बस को संयुक्त परिचालन स्थितियों के अनुरूप होना चाहिए।

यह बात मल्टीपल आउटपुट वाले चार्जर्स में विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाती है। अलग-अलग वाहनों के बीच पावर का आवंटन करते समय प्रत्येक आउटपुट के लिए उचित सुरक्षा और नियंत्रण बनाए रखना आवश्यक हो सकता है।

इसलिए, इस आर्किटेक्चर में कॉमन डीसी बस और अलग-अलग आउटपुट पाथ दोनों का ध्यान रखना आवश्यक है। कनेक्टर, स्विचिंग कंपोनेंट, सुरक्षा उपकरण और सेंसिंग एलिमेंट सभी इस वितरण संरचना का हिस्सा बन जाते हैं।

स्विचिंग और प्रोटेक्शन के अलग-अलग काम हैं।

स्विचिंग और प्रोटेक्शन की चर्चा अक्सर एक साथ की जाती है, लेकिन वे अलग-अलग कार्य करते हैं।

एक डीसी कॉन्टैक्टर नियंत्रित विद्युत कनेक्शन और अलगाव प्रदान करता है। इसका उपयोग चार्जर के संचालन क्रम के अनुसार उच्च-धारा डीसी पथ को स्थापित या डिस्कनेक्ट करने के लिए किया जा सकता है।

फ्यूज का उद्देश्य अलग होता है। यह ओवरकरंट से सुरक्षा प्रदान करता है और पावर पाथ में किसी खराबी के परिणामों को सीमित करने में मदद करता है।

इनका चयन वास्तविक सिस्टम मापदंडों पर निर्भर करता है, जिसमें ऑपरेटिंग वोल्टेज, निरंतर धारा, दोष की स्थिति, स्विचिंग आवश्यकताएं और लोड की विशेषताएं शामिल हैं।

चार्जर की संरचना मॉड्यूलर होने के साथ यह अंतर और भी महत्वपूर्ण हो जाता है। पूरे चार्जर के लिए एक ही घटक को चुनने के बजाय, पावर पाथ में उपयुक्त बिंदुओं पर सुरक्षा पर विचार किया जाना चाहिए।

इस चार्जर में एक लो-वोल्टेज साइड भी है।

डीसी चार्जर के अंदर मौजूद सारी विद्युत ऊर्जा सीधे वाहन तक नहीं पहुंचती है।

कंट्रोल बोर्ड, संचार सर्किट, निगरानी उपकरण, शीतलन प्रणाली, रिले और अन्य सहायक लोड को अपनी-अपनी बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है।

एक डीसी-डीसी कनवर्टर मुख्य डीसी बस से आवश्यक निम्न-वोल्टेज शक्ति प्राप्त कर सकता है। इससे चार्जर के अंदर एक द्वितीयक विद्युत पथ बनता है:

डीसी बस → डीसी-डीसी रूपांतरण → नियंत्रण / संचार / संवेदन / सहायक भार

मुख्य चार्जिंग पथ को देखते समय इस कम वोल्टेज वाले हिस्से को नजरअंदाज करना आसान है, लेकिन यह चार्जर के संचालन के लिए आवश्यक है।

पावर आईसी और अन्य नियंत्रण घटक वोल्टेज विनियमन और पावर प्रबंधन में सहायता करते हैं, जबकि नियंत्रण प्रणाली मुख्य पावर स्टेज और सहायक सर्किटों के व्यवहार का समन्वय करती है।

परिणामस्वरूप, एक ऐसा चार्जर बनता है जिसमें दो आपस में घनिष्ठ रूप से जुड़े विद्युत तंत्र होते हैं: एक उच्च-शक्ति वाला मार्ग जो वाहन को ऊर्जा स्थानांतरित करता है, और दूसरा कम-वोल्टेज वाला तंत्र जो चार्जर को उस प्रक्रिया की निगरानी और नियंत्रण करने में सक्षम बनाता है।

सेंसिंग पावर पाथ को कंट्रोल सिस्टम से जोड़ता है

एक चार्जिंग सिस्टम उस चीज को नियंत्रित नहीं कर सकता जिसे वह माप नहीं सकता।

ऑपरेटिंग स्थितियों की निगरानी करने और सुरक्षा एवं नियंत्रण संबंधी निर्णय लेने में सहायता के लिए चार्जर के विभिन्न बिंदुओं पर वोल्टेज, करंट और तापमान की जानकारी एकत्र की जा सकती है।

उच्च-धारा कनेक्शनों, विद्युत रूपांतरण घटकों और अन्य ऐसे क्षेत्रों के आसपास तापमान की निगरानी विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहां स्थानीय रूप से ऊष्मा उत्पन्न हो सकती है। उपयोगी मापन बिंदु हमेशा सबसे गर्म दिखने वाला घटक नहीं होता; यह सिस्टम की विद्युत और तापीय संरचना पर निर्भर करता है।

इसके बाद सेंसर डेटा को कंट्रोल इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा प्रोसेस किया जाता है। चार्जर के डिज़ाइन के आधार पर, एक MCU और संबंधित कंट्रोल सर्किट इस जानकारी का उपयोग पावर सप्लाई को एडजस्ट करने, ऑपरेटिंग स्टेट्स को मैनेज करने, सुरक्षा संबंधी कार्यों को ट्रिगर करने या सिस्टम स्टेटस को कम्युनिकेट करने के लिए कर सकते हैं।

इससे संवेदन घटकों और मुख्य विद्युत पथ के बीच सीधा संबंध स्थापित होता है:

पावर पाथ → विद्युत/तापीय स्थितियाँ → संवेदन → नियंत्रण → पावर समायोजन या सुरक्षा

इसलिए किसी सेंसर का मूल्य न केवल उसकी माप सीमा पर निर्भर करता है, बल्कि इस बात पर भी निर्भर करता है कि इसे कहाँ स्थापित किया गया है और इसके डेटा का उपयोग कैसे किया जाता है।

बिजली आपूर्ति और चार्जिंग नियंत्रण को एक साथ काम करना होगा।

ऊर्जा के प्रवाह की मुख्य शक्ति घटक निर्धारित करते हैं, लेकिन नियंत्रण प्रणाली यह निर्धारित करती है कि ऊर्जा का प्रवाह कब और किन परिस्थितियों में होना चाहिए।

चार्जिंग प्रक्रिया में वाहन के साथ संचार करना, सिस्टम की स्थितियों की जांच करना, स्विचिंग उपकरणों को सक्रिय करना, बिजली रूपांतरण को नियंत्रित करना और चार्जिंग प्रक्रिया की निगरानी करना शामिल हो सकता है।

इसलिए नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स विद्युत संरचना और चार्जिंग लॉजिक के बीच स्थित होते हैं।

एमसीयू, संचार घटक, सेंसिंग सर्किट, पावर आईसी और सहायक पावर सप्लाई इस सपोर्टिंग लेयर का निर्माण करते हैं। ये मुख्य चार्जिंग करंट को प्रवाहित नहीं करते हैं, लेकिन इनकी विश्वसनीयता उच्च-शक्ति प्रणाली के संचालन को सीधे प्रभावित करती है।

यही एक कारण है कि डीसी चार्जर का मूल्यांकन केवल उसके सबसे अधिक धारा प्रवाहित करने वाले घटकों के आधार पर नहीं किया जाना चाहिए।

चार्जिंग आउटपुट एक और विद्युत इंटरफ़ेस है

पावर पाथ का अंतिम चरण चार्जर के आंतरिक डीसी सिस्टम को वाहन से जोड़ता है।

चार्जिंग कनेक्टर को एप्लिकेशन की विद्युत संबंधी आवश्यकताओं के साथ-साथ यांत्रिक, पर्यावरणीय और सेवा संबंधी आवश्यकताओं को भी पूरा करना होता है।

इस स्तर पर, आर्किटेक्चर का काम केवल बिजली पहुंचाना नहीं रह गया है। चार्जर को वाहन इंटरफेस से जुड़े विद्युत कनेक्शन, संचार और सुरक्षा कार्यों का समन्वय करना होगा।

इसलिए आउटपुट पथ कई अलग-अलग घटक श्रेणियों को एक साथ जोड़ता है: प्रवाहकीय कनेक्शन, स्विचिंग और सुरक्षा उपकरण, संवेदन तत्व और स्वयं चार्जिंग कनेक्टर।

मल्टी-आउटपुट चार्जर वितरण की एक और परत जोड़ते हैं

सिंगल-आउटपुट चार्जर में, डीसी बस और वाहन इंटरफेस के बीच संबंध अपेक्षाकृत सीधा होता है।

कई आउटपुट होने पर, आर्किटेक्चर अधिक जटिल हो जाता है क्योंकि उपलब्ध बिजली को कई चार्जिंग चैनलों के बीच वितरित करना पड़ सकता है।

प्रत्येक आउटपुट के लिए अपनी स्वयं की स्विचिंग, सुरक्षा और संवेदन व्यवस्था की आवश्यकता हो सकती है, जबकि सामान्य डीसी बस को कुल लोड में होने वाले परिवर्तनों को समायोजित करना होगा।

इसलिए डिजाइन का प्रश्न केवल यह नहीं है कि चार्जर कितनी शक्ति उत्पन्न कर सकता है। बल्कि यह है कि जब कई आउटपुट अलग-अलग परिस्थितियों में काम कर रहे हों तो उस शक्ति को कैसे वितरित, मॉनिटर और नियंत्रित किया जाता है।

उच्च वोल्टेज चार्जिंग अभी भी उसी आर्किटेक्चर पर निर्भर करती है।

उच्च वोल्टेज चार्जिंग सिस्टम घटकों, इन्सुलेशन, स्विचिंग उपकरणों, सुरक्षा और कनेक्शनों पर लागू होने वाली विद्युत आवश्यकताओं को बदल देते हैं। हालांकि, मूल संरचना परिचित ही रहती है।

इस सिस्टम को अभी भी पावर कन्वर्जन से डीसी बस तक, बस से आउटपुट तक और अंत में वाहन तक एक नियंत्रित पथ की आवश्यकता है।

मुख्य अंतर यह है कि कंपोनेंट का चयन और सिस्टम डिजाइन वोल्टेज रेटिंग, इन्सुलेशन आवश्यकताओं, स्विचिंग व्यवहार, थर्मल स्थितियों और फॉल्ट रिस्पांस के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाते हैं।

उच्च चार्जिंग पावर डीसी सिस्टम डिजाइन को कैसे प्रभावित करती है, इस पर विस्तृत चर्चा के लिए, देखें "ईवी डीसी सिस्टम के लिए उच्च चार्जिंग पावर का क्या अर्थ है" ।

संपूर्ण पावर पाथ को ध्यान में रखते हुए चार्जर को डिजाइन करना

डीसी चार्जर का मूल्यांकन तब आसान होता है जब उसके घटकों को सिस्टम में उनकी स्थिति और उनके द्वारा किए जाने वाले कार्य के अनुसार देखा जाता है।

मुख्य विद्युत पथ को इस प्रकार देखा जा सकता है:

एसी इनपुट
↓
AC/DC पावर रूपांतरण
↓
डीसी बस
↓
डीसी वितरण
↓
स्विचिंग और सुरक्षा
↓
चार्जिंग इंटरफ़ेस
↓
वाहन बैटरी

साथ ही, इसके समानांतर एक सहायक मार्ग भी चलता है:

डीसी बस
↓
डीसी-डीसी सहायक शक्ति
↓
एमसीयू / नियंत्रण / संचार / संवेदन / शीतलन

ये दोनों रास्ते आपस में घनिष्ठ रूप से जुड़े हुए हैं। मुख्य मार्ग ऊर्जा का संचार करता है, जबकि सहायक इलेक्ट्रॉनिक्स स्थितियों को मापते हैं, परिचालन अवस्थाओं का प्रबंधन करते हैं, सहायक शक्ति प्रदान करते हैं और यह निर्धारित करते हैं कि सिस्टम कैसे प्रतिक्रिया देगा।

यह संरचना यह भी स्पष्ट करती है कि घटकों का चयन किसी एक उत्पाद श्रेणी के बजाय अनुप्रयोग मापदंडों से क्यों शुरू होना चाहिए। वोल्टेज, करंट, स्विचिंग आवृत्ति, पर्यावरणीय परिस्थितियाँ, तापीय आवश्यकताएँ, नियंत्रण रणनीति और सिस्टम संरचना, ये सभी कारक प्रभावित करते हैं कि कौन से घटक उपयुक्त हैं।

इसलिए, डीसी चार्जर को दो जुड़े हुए सिस्टमों के रूप में बेहतर ढंग से समझा जा सकता है जो एक साथ काम करते हैं: एक मुख्य पावर पाथ जो वाहन को ऊर्जा प्रदान करता है, और एक सहायक इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम जो चार्जर को मापता है, नियंत्रित करता है, सुरक्षित रखता है और उसे पावर प्रदान करता है। दोनों पहलुओं को एक साथ देखने से कंपोनेंट के चयन, सिस्टम इंटीग्रेशन और दीर्घकालिक विश्वसनीयता के लिए अधिक व्यावहारिक आधार मिलता है।