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Caricabatterie EV di prossima generazione

La tecnologia fa passi da gigante e i componenti elettronici di potenza sono sempre più sofisticati. Batterie, inverter, MOSFET SiC e GaN risultano sempre più efficienti e non è possibile accontentarsi di un modello stabile di soluzione, in quanto dopo qualche mese esso è già superato. Le aziende studiano continuamente come riprogettare gli EVSE esistenti (Electric Vehicle Supply Equipment), in modo da poter utilizzare facilmente diversi tipi di dispositivi di potenza anche se le relative tensioni di pilotaggio del gate non sono le stesse. Questo è un problema particolare specialmente per i SiC, in quanto ogni nuova generazione ha diversi limiti di tensione di pilotaggio del gate. Anche per quanto riguarda i caricabatterie il discorso è il medesimo. Scopriamo insieme quali sono le strategie migliori per rendere i caricabatterie EV a prova di futuro.

Steve Roberts, Innovation Manager at Recom, ha illustrato a Fortronic come progettare gli EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) esistenti e pianificati in modo da poter utilizzare facilmente diversi tipi di transistor di potenza come IGBT, Silicio, SiC, Cascode e GaN, anche se le loro tensioni di pilotaggio del gate non sono le stesse.  

Caricabatterie: stato dell’arte

Attualmente esistono diverse soluzioni per i caricabatterie. Vi sono quelle domestiche monofase a ricarica lenta, per una potenza di circa 2.5 kW. Poi vi è la ricarica rapida domestica o pubblica, con modalità trifase e con potenze comprese tra 11 kW e 22 kW. Inoltre, per potenze più elevate sono disponibili le stazioni di ricarica ultrarapide, che consentono l’erogazione di energia fino a 50 kW in corrente alternata e da 150 kW a 350 kW in corrente continua. Probabilmente in futuro i caricabatterie bidirezionali per veicoli elettrici saranno sempre più diffusi. Con la vendita di un numero sempre maggiore di veicoli elettrici, la capacità delle batterie sarà una risorsa molto utile per bilanciare l’energia della rete elettrica.

I veicoli elettrici potrebbero facilmente coprire i picchi di domanda, immettendo nuovamente energia nella rete e continuando a ricaricarsi nelle ore non di punta. I proprietari riceverebbero un pagamento per l’energia immagazzinata, quindi ci sarebbe anche un vantaggio per loro. L’ostacolo principale è rappresentato dalle leggi e dai regolamenti esistenti in materia di fornitura elettrica, non da problemi tecnici. Proprio per questi motivi, in futuro si assisterà a un aumento di interesse per una connessione bidirezionale del veicolo alla rete elettrica.

La maggior parte degli utenti necessita di una soluzione di ricarica EV che possa essere facilmente aggiornata in futuro. Tuttavia, ogni generazione di veicoli elettrici è diversa dalla precedente, il che significa che il progettista deve adattare il modo in cui risolve il problema di volta in volta. In altre parole, la soluzione di ricarica deve essere progettata in modo flessibile per poter essere aggiornata facilmente e migliorata in base alle esigenze dei veicoli elettrici futuri. Esaminiamo, adesso, il caricabatterie EV più semplice, osservabile in Figura 1.

Esso può essere utilizzato da tutti in casa e in garage, per effettuare la ricarica della propria auto con un impianto elettrico monofase. Si tratta di una soluzione molto semplice in quanto, sostanzialmente, è composta da un solo relè. Il caricabatterie è collegato all’automobile attraverso tale sistema a 12 volt. La comunicazione è analogica, con diversi livelli di tensione. Quando l’auto è collegata alla presa di corrente, il caricabatterie invia un segnale PWM dalla frequenza dell’ordine dei chiloHerz che, in pratica, codifica la quantità di potenza erogata. Con tale soluzione una piccola utilitaria può essere ricaricata in poche ore. Queste tipologie di caricabatterie sono molto diffuse nel mercato e sono abbastanza convenienti, poiché tutta la parte logica e operativa risiede già nell’automobile. In altre parole, la sola funzione che deve espletare il caricabatteria è quello di fornire solamente la corrente.

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Figura 1: schema di principio di un ricarica batteria lenta monofase

Con una stazione di ricarica pubblica la situazione è leggermente più complessa, in quanto è necessario un sistema che provveda ad addebitare all’utente i costi di ricarica. Tale soluzione è effettuata attraverso carte di credito o clouds, che garantiscono una transazione sicura. Solitamente, il caricabatterie di bordo è troppo piccolo e non è in grado di gestire livelli di potenza maggiori di 20 kilowatt. Per queste soluzioni è necessaria la presenza di un caricabatteria esterno (vedi in Figura 2) che bypassi quello interno del veicolo e immetta l’energia direttamente sulla batteria (anche a 800 VCC), ricaricandola molto velocemente. Con un livello di potenza elevato, la gestione diventa molto più complessa, perché bisogna sostituire gli ingressi CA con quelli CC, in modo da proteggere la batteria.

figura 02 bypass
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Figura 2: per ricariche di potenza occorre utilizzare caricabatterie esterni

In questi ultimi casi il collegamento elettrico con l’automobile non è solo di tipo analogico, ma dalla stessa linea passano anche dati digitali che contengono informazioni sullo stato di ricarica, sulla temperatura delle batterie o sulla salute generale del sistema che, a sua volta, potrà azionare le ventole, aumentare la corrente o interrompere il ciclo di carica. Tutte queste problematiche riconducono i progettisti alla scelta degli idonei interruttori elettronici da utilizzare: transistor, IGBT, Mosfet SiC e GaN, eccetera. Molti utenti si chiedono se il GaN supererà la tecnologia SiC. Tutti danno per scontato che il GaN offra maggiori vantaggi rispetto ai transistor SiC, ma non è detto. Gli IGBT sono molto convenienti e possono gestire potenze elevate e i recenti progressi nei Mosfet verticali hanno dimostrato che anche la tecnologia più vecchia ha ancora una vita utile. Ecco perché il circuito integrato di pilotaggio del gate di uscita regolabile è così utile: è possibile progettare uno stadio di potenza EV di base e combinare diverse tecnologie di transistor di commutazione in base ai requisiti come, ad esempio, i costi più bassi, le dimensioni più ridotte e la massima efficienza. Il nodo cruciale è quello della scelta dell’alimentatore e della tecnologia più adatta per le diverse applicazioni in base alle specifiche esigenze finali.

La scelta dipende dalla gamma di frequenze di commutazione e dalla gamma di potenza da erogare, per cui le soluzioni disponibili potrebbero essere di numero elevato. Non è sempre necessario utilizzare la tecnologia più all’avanguardia e, spesso, una soluzione più semplice ed economica può essere altrettanto efficace. Inoltre, la scelta della tecnologia dipende anche dal costo e dalla dimensione dell’alimentatore. Il tipo di transistor di commutazione utilizzato dipende dall’applicazione, tenendo in considerazione i prezzi e le prestazioni. Riducendo al minimo il problema si può dire che:

  • per molta potenza si possono utilizzare gli IGBT;
  • per un ingombro ridotto dei circuiti è meglio utilizzare i GaN;
  • per molta potenza e ingombri ridotti si consiglia di usare i SiC.

A ogni modo, il pilotaggio dei dispositivi di commutazione e dei relativi driver (isolati) deve avvenire nel migliore dei modi, con una tensione di pilotaggio diversa a seconda del tipo di transistor utilizzato. E’ importante scegliere la giusta tensione di pilotaggio per evitare di distruggere il dispositivo. Ci sono diverse tecnologie e generazioni di transistor che richiedono tensioni di pilotaggio diverse, rendendo difficile pianificare il futuro del progetto se si cambiano, per esempio, i fornitori dei transistor.
Inoltre, se non si sceglie la corretta tensione di pilotaggio, il dispositivo non viene utilizzato al meglio e si potrebbero verificare perdite energetiche importanti.

La scelta dei dispositivi di commutazione e dei relativi driver è una sfida tecnica che richiede molta attenzione da parte dei progettisti, al fine di garantire il corretto funzionamento e la massima efficienza del sistema. A volte si tratta di una vera diatriba tra i produttori di driver e quelli dei dispositivi di commutazione. Potrebbe esistere, in uno scenario abbastanza attendibile, che un progetto di caricabatterie funzioni bene ed espleti al meglio le sue funzionalità. Se, a un certo punto, nella macro produzione, un’azienda toglie un determinato componente e ne introduce uno quasi equivalente, magari modificando alcuni parametri operativi, occorrerebbe riprogettare l’intero sistema, al fine della massima efficienza. In questo caso quel determinato carica batteria non è a prova di futuro.

La soluzione di Recom

Molte aziende stanno accogliendo le richieste dei propri clienti e la loro domanda principale è quella di disporre di un sistema per alimentare i dispositivi che possa essere, in un certo senso, flessibile alle tipologia di circuito utilizzato. Ciò significa che un dispositivo di commutazione può essere combinato con vari componenti, nello stesso alimentatore, cambiando semplicemente la tensione di uscita e senza modificare la circuiteria. Se in futuro uscirà un altro dispositivo con una tensione diversa, si potrà cambiare la sola tensione di uscita piuttosto che cambiare l’intero progetto. La soluzione di RECOM prevede l’uso di due resistenze che impostano la tensione di uscita positiva e negativa. Dal momento che si dovrà operare con ambienti operativi diversi, con frequenze di commutazione lente o veloci, è opportuno che vi sia un elevato isolamento, nell’ordine dei kiloVolt e che possa sopportare un intervallo di temperatura abbastanza ampio. Il progettista deve semplicemente cambiare la tensione di uscita perché viene regolata in base a ciò che il produttore attesta per ottenere le massime prestazioni e, in questo modo, egli non deve modificare l’intero progetto e anche i costi saranno alquanto ridotti. La prima soluzione di RECOM prevede il nuovo alimentatore programmabile di RECOM della serie RxxC1.5T25S, per driver di gate isolato (vedi in figura 3). Le sue tensioni di uscita sono isolate e asimmetriche e vengono impostate tramite resistenze. Si tratta di un componente che si occupa dell’intera gestione dell’alimentazione. Esso è progettato per driver di gate isolati ed è caratterizzato da un isolamento rinforzato di 5 kVrms / 1min, per una temperatura operativa compresa tra -40°C e +85°C (2W) o da -40°C a +105°C (1.5W).

figura 03 5T25S
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Figura 3: alimentatore della serie RxxC1.5T25S di RECOM

Come è possibile vedere in figura 4, l’alimentatore appena visto può essere utilizzato contemporaneamente al convertitore R05CTE05S, facente parte della serie RxxCTExxS. Quest’ultimo è un convertitore isolato CC/CC a uscita singola da 1 W SMD, a basso costo e a basso profilo, con un intervallo di ingresso di 4.5-5.5 V e un’uscita semi-regolata a 5 V. Non è richiesto un carico minimo, il che è ideale per le applicazioni che prevedono modalità di funzionamento con carichi molto leggeri. L’isolamento standard è di 3kV DC / 1min e la temperatura di funzionamento è compresa tra -40°C e +125°C. Il design è completamente automatizzato ed è dotato di protezione da cortocircuito, sovracorrente e sovratemperatura, garantisce la massima affidabilità in applicazioni quali la comunicazione, il rilevamento della corrente e l’isolamento della porta COM. Risulta particolarmente utile per le topologie a transistor misti. Per esse è possibile utilizzare entrambi i componenti nello stesso progetto, al fine di ottimizzare le prestazioni e ridurre i costi.

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Figura 4: topologie a transistor misti

Il futuro della ricarica EV

La tecnologia dei transistor di commutazione è in continua evoluzione e se un vecchio transistor venisse rimpiazzato da un componente nuovo, esso può essere riprogrammato semplicemente cambiando due resistenze per fornire le alimentazioni richieste. Non si conosce il futuro ma, proprio per questo, non ci si deve più preoccupare. I produttori di alimentatori e di convertitori dovrebbero ideare soluzioni che garantiscano un utilizzo futuro dei progetti presenti. Pertanto, qualunque sia il futuro della ricarica EV, RECOM sarà sempre al fianco dei progettisti per sostenerli e assisterli.

Tutte le novità del settore sono ampliate e approfondite a Fortronic, organizzato dal Consorzio Tecno Scarl in collaborazione con Assodel. Si tratta dell’evento di riferimento per l’elettronica di potenza e l’industria, con incontri e workshop sui temi più attuali nel settore dell’elettronica per l’efficienza energetica e il power. Fortronic ricopre un grande intervallo di argomenti, dalle tecnologie per motori elettrici ai sistemi di ricarica e alle batterie per l’e-mobility, dalla sensoristica ai display e ai componenti per l’efficienza energetica, dal thermal management alle ultime frontiere SiC e GaN.

Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica ed è ingegnere delle telecomunicazioni. Ha lavorato a vari progetti internazionali nel campo della ricerca sulle onde gravitazionali, progettando un sistema di compensazione termica (TCS) e sistemi di acquisizione e controllo dati, e altri sui microfasci di raggi X in collaborazione con la Columbia University, sistemi ad alta tensione e tecnologie spaziali per comunicazioni e controllo motori con ESA/INFN. Dal 2007 è autore e revisore di pubblicazioni scientifiche per testate come il Microelectronics Journal e le riviste IEEE. Ha collaborato con diverse aziende del settore elettronico, blog e riviste italiane e inglesi, come Electronics World, Elektor, Automazione Industriale, Electronic Design, All About Circuits, Innovation Post e PCB Magazine. Ha partecipato a numerose conferenze come speaker e moderatore per diversi argomenti tecnici. Attualmente è caporedattore di Power Electronics News e EEWeb e corrispondente di EE Times. Gestisce il canale podcast powerup. Da anni collabora attivamente con FARE Elettronica come giornalista tecnico specializzato ed è Direttore Tecnico delle sessioni convegnistiche di Fortronic forte dell’esperienza maturata nell’elettronica di Potenza.