Onboard charger per veicoli elettrici: funzionamento e topologie

Introduzione

Nel corso degli ultimi anni, il numero di veicoli elettrici alimentati a batteria (BEV) e ibridi plug-in (PHEV), è cresciuto in modo graduale in tutto il mondo. Pur comportando benefici significativi ed immediati, come una minore impronta di carbonio e costi di manutenzione inferiori, i veicoli elettrici ed ibridi impongono ai progettisti delle sfide impegnative legate sia all’autonomia massima ottenibile, sia al tempo richiesto per la ricarica.

La potenziale crescita e il successo di questo segmento di mercato dipendono strettamente dalle prestazioni offerte dalle batterie e dalle tecnologie utilizzate per la ricarica. Il tempo di ricarica e la durata della batteria sono legati alle caratteristiche dell’onboard charger, che deve presentare caratteristiche come efficienza, affidabilità, elevata densità di potenza, costo contenuto, volume e peso ridotti.

In questo articolo verrà analizzata l’architettura tipica del sistema di ricarica installato a bordo del veicolo (semplicemente noto come onboard charger, o OBC) e verranno descritte le topologie di circuito più comunemente utilizzate per lo stadio PFC e per quello di conversione DC-DC.

Tipi di OBC

L’onboard charger è il sistema integrato nel veicolo che consente, collegandosi a una presa di rete in corrente alternata, di eseguire la ricarica delle batterie ad alta tensione durante la sosta del veicolo. Gli onbord charger possono essere classificati in base a due criteri: direzione del flusso di energia e tecnologia di trasferimento dell’energia.

Per quanto riguarda la direzione del flusso di energia, gli OBC si suddividono in unidirezionali e bidirezionali. La ricarica unidirezionale è meno complessa a livello hardware, semplifica le interconnessioni e tende a ridurre il degrado della batteria. Un sistema di ricarica bidirezionale supporta non solo la ricarica dalla rete, ma anche l’immissione nella stessa dell’energia accumulata dalle batterie ed include la stabilizzazione della potenza attraverso un’opportuno circuito di conversione.

Normalmente, gli OBC limitano le potenze elevate a causa dei vincoli di peso, spazio e costi introdotti dai produttori di veicoli.

Dal punto di vista deI trasferimento di energia, gli OBC si suddividono in conduttivi e induttivi. I primi utilizzano un collegamento diretto, tramite appositi cavi, tra il connettore e l’ingresso del caricatore. I secondi , invece, trasferiscono l’energia sfruttando l’induzione elettromagnetica, ovvero una modalità di trasferimento wireless che non richiede alcun cavo di collegamento.

Il trasferimento di energia wireless può inoltre avvenire in modo stazionario (con il veicolo fermo), oppure dinamico (con il veicolo in movimento).

Struttura di un OBC

La ricarica delle batterie di un veicolo elettrico o ibrido plug-in tramite tensione di rete richiede un’elevata flessibilità di progettazione, necessaria sia per gestire i livelli di tensione e corrente presenti nei diversi paesi, sia per ottenere elevata efficienza, elevata densità di potenza e fattore di forma ridotto.

In Figura 1 possiamo osservare la tipica struttura di un OBC, composto da un filtro di ingresso, uno stadio PFC, uno stadio di conversione DC-DC isolato e un filtro di uscita, al quale si collega il sistema di gestione delle batterie (BMS) e il pacco batterie ad alta tensione. Oggi, la maggior parte degli OBC sono basati su convertitori AC-DC isolati galvanicamente (si osservino gli stadi di conversione DC-DC primario e secondario di Figura 1), assicurando sia un elevato grado di sicurezza, sia l’interoperabilità con le diverse classi di alimentazione AC presenti nel mondo.

Figura 1: classica topologia di un OBC

I sistemi di ricarica onboard devono avere un’elevata efficienza energetica (normalmente superiore a 95%). Più efficiente è la conversione, meno calore viene generato nel sistema, semplificando la gestione termica, aumentando la densità di potenza e riducendo volume e peso della soluzione. Un altro importante requisito che ogni OBC deve soddisfare è la scalabilità, ovvero la capacità di gestire le diverse classi di potenza e le diverse tipologie di connettori per la ricarica presenti nei diversi paesi.

Lo stadio PFC

Lo stadio PFC (Power Factor Correction) garantisce che la tensione di rete alternata sia prelevata riducendo al minimo la distorsione, ottenendo così un fattore di potenza elevato che massimizza la potenza reale disponibile. Il modo più semplice per realizzare uno stadio PFC è quello di utilizzare la topologia di un convertitore boost, visibile in Figura 2.

Il circuito è basato su una configurazione half-bridge composta da un transistor di commutazione (S1), un diodo, un’induttanza e un raddrizzatore a ponte di diodi sull’ingresso in alternata. Sull’uscita in continua è normalmente presente un condensatore con funzione di stabilizzazione della tensione. Questa topologia, esclusivamente di tipo unidirezionale, richiede transistor di potenza in grado di commutare a frequenze elevate e con tensioni di breakdown dell’ordine di 650V.

Figure 2: topologia boost PFC

Una variante di questo circuito è rappresentata dalla topologia PFC senza ponte raddrizzatore. Come dice il nome, questa topologia è priva del ponte di diodi sull’ingresso in alternata e utilizza un doppio transistor (per tale motivo, viene anche detta dual boost PFC) per aumentare l’efficienza. In particolare, ciascun transistor gestisce uno dei due semi-cicli della corrente alternata, incrementando così il numero di commutazioni ma anche l’efficienza del convertitore.

Per gli OBC bidirezionali, la topologia di OBC più comune è il totem-pole, in cui tutti i diodi sono sostituiti con componenti attivi (transistor di commutazione) in modo da consentire il trasferimento di potenza bidirezionale e aumentare l’efficienza. La classica topologia totem-pole comprende un ramo ad elevata velocità di commutazione (formato da una coppia di transistor S1-S2) e un ramo a bassa velocità di commutazione (formato da una coppia di transistor S3-S4). Quest’ultima coppia di transistor svolge una funzione di rettifica della fase e commuta in corrispondenza di ogni passaggio per lo zero della tensione alternata in ingresso. Un ulteriore miglioramento dell’efficienza può essere ottenuto utilizzando tecniche di soft switching basate su circuiti risonanti.

Il convertitore DC-DC

Il secondo componente fondamentale di ogni OBC è il convertitore DC-DC, che deve essere in grado di gestire le elevate potenze e tensioni richieste per la carica delle batterie. Le topologie comunemente utilizzate per questo stadio sono tre: convertitore risonante LLC, convertitore full-bridge a spostamento di fase (PSFB) e convertitore risonante bidirezionale (CLLC).

Grazie alle basse perdite di commutazione, la topologia LLC rappresenta la soluzione ideale quando si desideri massimizzare l’efficienza di conversione e incrementare la densità di potenza. La maggior parte dei convertitori LLC utilizza una configurazione full-bridge che, rispetto all’half-bridge, riduce la corrente attraverso i transistor. Inoltre, in virtù di una tensione maggiore, la topologia LLC full-bridge è in grado di trasferire una quantità doppia di potenza a parità di dimensione del trasformatore.

Le migliori prestazioni di questo convertitore si ottengono operando in prossimità della frequenza di risonananza, dove è possibile applicare la tecnica ZVS in ogni condizione i carico. Il principale svantaggio del convertitore LLC è quello di utilizzare una frequenza di commutazione variabile, che pertanto richiede un’attenta progettazione dei filtri per limitare gli effetti EMI.

La topologia PSFB è composta da un full-bridge sul lato primario del convertitore, un induttore risonante, un trasformatore isolato e uno stadio raddrizzatore formato da quattro diodi sul lato secondario. La regolazione della potenza è ottenuta controllando lo spostamento di fase che si verifica tra i due rami half-bridge, senza alcuna necessità di modificare la frequenza o il duty cycle. Questa topologia può anche essere utilizzata per OBC bidirezionali, a condizione che il lato secondario del convertitore utilizzi una modalità di commutazione attiva (ad esempio, sostituendo i diodi raddrizzatori con dei MOSFET).

Il convertitore CLLC, infine, è una variante ottenuta a partire dalla topologia LLC per supportare il trasferimento di potenza bidirezionale. La modifica, come nel caso menzionato in precedenza, consiste nell’utilizzare dei componenti attivi (transistor di commutazione) sul lato secondario. La possibilità di utilizzare tecniche ZVS e ZVC consente inoltre di migliorare l’efficienza di questo convertitore.

Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.