Die Lösung von OPAL-RT und NI trägt zur „ Ingenieur:innen “ von Gleichstrom-Schnellladesystemen für Elektrofahrzeuge entlang des Trans-Canada Highway bei

Das Unternehmen

Das von Dr. Reza Iravani gegründete Centre for Applied Power Electronics (CAPE) an der Universität Toronto ist ein führendes Forschungszentrum, das sich auf fortschrittliche leistungselektronische Systeme und die Netzintegration spezialisiert hat. In Zusammenarbeit mit eCAMION, einem in Toronto ansässigen Unternehmen für Energiespeicher, leitete das CAPE ein ehrgeiziges, vom NSERC und TargetGHG mit 2,4 Mio. Dollar gefördertes Projekt zur Er Ingenieur:innen ierung einer landesweiten Schnellladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge entlang des Trans-Canada Highway – mit einer Länge von 7.821 km eine der längsten Autobahnen der Welt.

Die Herausforderungen

• Netzkapazitätsengpässe: Herkömmliche Stromnetze sind nicht in der Lage, die plötzlichen, massiven Leistungsspitzen zu bewältigen, die erforderlich sind, um mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig in 20 bis 30 Minuten schnell aufzuladen (Ladestufe 3).
• Sicherheit und Risiken bei Hochspannungsanwendungen: Die Entwicklung und das „ Tests “ von 60-kW-Hochspannungs- und Hochstrom-Umrichter-Leistungselektronik direkt auf physikalischen „ hardware “ birgt erhebliche Sicherheitsrisiken und verursacht hohe Kosten.
• Komplexe mehrstufige Steuerung: Das System erforderte zwei unterschiedliche Ladeabläufe (vom Netz zur Batterie und von der Batterie zum Elektrofahrzeug) mit in Reihe geschalteten Ladegeräten, lokalen Steuerungen und einem übergeordneten Leitsystem.
• Enger Entwicklungszeitplan: Das Projekt erforderte die Entwicklung, Konfiguration, Feinabstimmung und Zertifizierung eines Prototyps eines Konverters der Klasse „ geschäftliche “ in weniger als zwei Jahren.

Die OPAL-RT Lösung

CAPE und eCAMION haben einen kombinierten Simulations-Workflow aus OPAL-RT und National Instruments HIL/RCP implementiert:

• FPGA-basierte Power-Electronics-Toolbox (eHS): Einsatz der eHS-Toolbox von OPAL-RT für die Echtzeit-Simulation des Leistungselektronik-Wandlerkerns und der Hochfrequenztransformatoren mittels ultraschneller FPGA-Simulation.
• Hardware-In-the-Loop (HIL) - Tests: Das Echtzeit-eHS-Leistungselektronikmodell wurde mit einem tatsächlichen NI cRIO-9082-Embedded-Controller verbunden, um lokale Steuerungsalgorithmen und Algorithmen für die Netzschnittstelle sicher zu validieren.
• Rapid Control Prototyping (RCP): Es wurde iterativ zwischen Offline-Simulation, HIL-Echtzeitsimulation und RCP gewechselt, um die Regelparameter und die Soft-Switching-Strategien mit Phasenverschiebung zu optimieren.
• Nahtlose Schnittstelle zwischen „ Hardware “: Validierung der Topologie des isolierten 10-kHz-DC-AC-DC-Wandlers unter realistischen Betriebsbedingungen vor der Fertigung eines physischen Prototyps.

Die Ergebnisse

Das DGCC-Projekt hat die nächste Generation des Netzmanagements erfolgreich unter Beweis gestellt:

• Beschleunigte Markteinführung: Entwicklung, Bau und Zertifizierung eines voll funktionsfähigen 60-kW-Gleichstrom-Schnellladegerät-Prototyps in weniger als zwei Jahren (Januar 2018 – Juni 2019).
• Zulassung durch die Aufsichtsbehörden: Die endgültige Ausführung des Wandlers erhielt die vollständigen Sicherheitszulassungen von UL und ESA.
• Risikominimierung in der Hochspannungsforschung und -entwicklung: Durch den Einsatz von eHS-Echtzeitsimulationen konnten die Entwicklungskosten drastisch gesenkt und die Sicherheitsrisiken beseitigt werden, die mit physikalischen Hochleistungs-Prototypen nach dem Prinzip „ Tests “ verbunden sind.
• Optimierte Leistung des Stromrichters: Durch Phasenverschiebungssteuerung und eine Schaltfrequenz von 10 kHz wurde Soft-Switching realisiert, wodurch die Größe der magnetischen Bauteile und Filter deutlich reduziert werden konnte.
• Auswirkungen auf die Umwelt: Das Schnellladenetz entlang des Trans-Canada Highway soll in den ersten fünf Betriebsjahren voraussichtlich zu einer Reduzierung der CO₂-Emissionen um 0,7 Millionen Tonnen führen.

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