È ormai chiaro come il settore dei veicoli elettrici sia destinato a crescere sempre più rapidamente. Basti pensare alla proposta contenuta nel pacchetto climatico “Fit for 55” della Commissione Europea che propone l’utilizzo di sole auto elettriche a partire dal 2035. Di pari passo, necessariamente, dovranno crescere le colonnine di ricarica.
Guardandosi in giro, o controllando online una mappa delle colonnine di ricarica, ci si accorge come già nell’ultimo anno il numero delle EV charging station sia aumentato considerevolmente. Stesso discorso per le colonnine di ricarica per le e-bike che rappresentano ormai uno dei segmenti trainanti il settore dei mezzi elettrici.
Sempre più progettisti dovranno quindi confrontarsi con le problematiche relative al progetto di una charging station o del caricabatteria interno al veicolo.
EV CHARGER: modi di ricarica
La ricarica delle auto elettriche non segue un unico standard ma anzi offre un panorama variegato di connettori, tensioni di alimentazione, livelli di potenza ed è attualmente suddivisa in 4 modi di carica (norma IEC 61851-1) riassunti in Tabella 1, dove è da chiarire che il Modo 1, corrispondente in pratica alla ricarica domestica senza alcun sistema di interfacciamento (Control Box), non è applicabile ai veicoli elettrici ma adatto solo per le e-bike.
A seconda del modo di ricarica, quindi, il convertitore AC/DC per la carica della batteria è integrato all’interno del veicolo per i modi di ricarica in AC, o internamente alla colonnina di ricarica per la ricarica in DC del modo 4.
Criticità nei sistemi di ricarica AC/DC
In Figura 1 è mostrata l’architettura tipica di un battery charger AC/DC. Sostanzialmente si individuano una sezione AC/DC (il raddrizzatore con correzione del fattore di potenza, lo stadio PFC), uno stadio DC/AC (l’inverter che alimenta il trasformatore), uno stadio AC/DC (il synchronous rectifier) ed l’interfaccia con la batteria che implementa le protezioni necessarie. Si possono individuare un lato primario ed un lato secondario isolati galvanicamente tra loro: quest’isolamento è necessario per questioni di sicurezza e diventa un aspetto critico proprio per i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici.
Le stazioni di ricarica sono particolarmente esposte a fattori ambientali che possono determinare facilmente condizioni anomale sulla tensione di alimentazione. Per questo motivo tutta la circuiteria relativa alla ricarica dei veicoli elettrici, in particolare quella che alimenta interfacce di comunicazione, sensori e controllo, necessita di un adeguato isolamento per resistere alle eventuali sovratensioni della rete, così come di avere un funzionamento robusto rispetto ai cali di tensione. Le tensioni ausiliarie alimentano infatti i circuiti di controllo e misura e da cui dipende il corretto funzionamento e la sicurezza dell’interno sistema.
L’ambiente operativo di un sistema, per quanto riguarda le sovratensioni di rete, è suddiviso in OVC (overvoltage categories) secondo lo standard IEC 60664-1 (Coordinamento dell’isolamento per le apparecchiature nei sistemi a bassa tensione). La norma individua 4 categorie, per le quali individua, a seconda dei casi, le tensioni di isolamento necessarie:
- OVC I: “Equipment for connection to circuit in which measures are taken to limit transient overvoltages to an appropriately low level”
- OVC II: “Energy-consuming equipment to be supplied from the fixed installation. Examples of such equipment are appliances, portable tools and other similar household loads.”
- OVC III: “Equipment in fixed installations and for cases where the reliability and the availability of the equipment is subject to special requirements. Examples of such equipment are switches in the fixed installation and equipment for industrial use with permanent connection to the fixed installation.”
- OVC VI: “Equipment connected at the origin of the installation. Examples of such equipment are electricity meters and primary overcurrent protection equipment.”
La categoria più appropriata per le stazioni di ricarica elettrica è la OVC III: i circuiti di alimentazione utilizzati devono quindi rispettare l’isolamento necessario al rispetto della norma.
Anche la compatibilità elettromagnetica è un altro aspetto critico: per tale motivo l’utilizzo di convertitori integrati già certificati per la conformità alla norma IEC 60335 (sicurezza degli apparecchi elettrici d’uso domestico e industriale) è una grossa semplificazione per il progettista.
La RECOM fornisce diverse serie di convertitori isolati AC/DC e DC/DC che soddisfano le necessità appena elencate.
Convertitori isolati AC/DC
Per le tensioni ausiliarie, la serie RAC05-SK/480 fornisce 5 W di potenza con una tensione di ingresso compresa tra gli 85 VAC e i 528 VAC, ed è disponibile nelle versioni a 3.3, 5, 12, 15, e 24 V. La classificazione alle sovratensioni è OVC III con una tensione di isolamento di 4kVAC per un minuto. L’ampio range di tensione in ingresso permette l’utilizzo sia monofase fase-neutro che trifase fase-fase. Tutte queste caratteristiche lo rendono ideale per l’utilizzo nelle stazioni di ricarica.
Se si necessita di potenze maggiori per le alimentazioni ausiliare la serie RAC10-SK/277 fornisce 10 W di potenza con una tensione di ingresso compresa tra gli 85 VAC e i 305 VAC, è classificato OVC III ed è disponibile anche nelle versioni duali ±12VDC or ±15VDC, coprendo una vasta gamma di applicazioni. Una caratteristica ulteriore è la capacità di sopportare picchi del 140% del carico nominale, che risulta particolarmente utile nelle circuiterie ausiliarie ai circuiti di carica con elevati transienti di carico.
Entrambe le serie sono conformi agli standard di compatibilità elettromagnetica (ITE di Classe B per la IEC 60335) senza l’ausilio di filtri esterni e si presentano in un formato compatto per il montaggio su PCB: 1″ x 1″ per RAC05 e 2″ x 1″ per RAC10.
Convertitori isolati DC/DC
La serie RxxCTxx fornisce dei convertitori DC/DC con isolamento da 5 kVAC (1 kVAC, tensione di lavoro effettiva), in un package a SMD a basso profilo SOIC-16. Le tensioni di uscita disponibili sono di 3.3 VDC e 5 VDC con tensione di ingresso nel range 4.5-5.5 VDC . La potenza erogabile di 500 mW lo rende utilizzabile per applicazioni come l’alimentazione di sensori sensori o di interfacce di comunicazione. Il range di temperatura di esercizio va da -40°C a + 110°C con carico 400mW e tensione di ingresso 5 VDC.
Figura 4: RECOM RxxCT
La serie RKE/H nel package SIP7 fornisce 1W con tensioni di ingresso 5, 12 o 24 VDC. Fornisce una tensione di uscita regolata a 5 VDC con un isolamento di 4 kVDC. Per quanto riguarda la compatibilità elettromagnetica, per questa serie il datasheet suggerisce l’utilizzo di un filtro d’ingresso per rispettare la normativa EN55032 Class B .
Convertitori DC/DC non isolati ad elevata densità di potenza
Quando non è necessario un isolamento elettrico di sicurezza, i convertitori non isolati risultano più compatti, efficienti ed economici. Ad esempio per applicazioni di ricarica per batterie da 48V, dove la tensione di alimentazione rimane al di sotto di 60 VDC ,il convertitore buck-boost integrato RBBA3000 risulta particolarmente interessante, potendo fornire fino a 50 A con tensione di ingresso compresa tra 9 e 60 VDC e tensione di uscita tra 0 e 60 VDC . Permette di erogare quindi 3 kW con efficienza del 96% in un formato compatto “half brick” di dimensioni 63.2 x 60.6 x 13 mm. La temperatura di esercizio, con un adeguata dissipazione del calore, è compresa tra -40°C a +85°C.
Particolarmente utile è il pin Ishare che permette di monitorare la corrente di carico senza la necessità di un resistore di shunt, ma soprattutto rende possibile il parallelo dei moduli: in questo modo è possibile moltiplicare la potenza erogabile permettendo di progettare facilmente convertitori di potenze altrimenti ben più diffici da gestire.
In Figura 7 è mostrato il grafico dell’efficienza in funzione della corrente di carico, dove si vede che a basso carico il profilo migliore si ha per il funzionamento da boost con Vin=24 V e Vout=48 V dove l’efficienza prossima al 96% è mantenuta in praticamente tutto il range utile. Nel funzionamento da buck (Vin=48 V e Vout=24 V) l’efficienza invece è leggermente penalizzata a basso carico ma risulta praticamente la stessa per correnti superiori ai 10 A.
Anche in questo caso il datasheet suggerisce un filtro di ingresso esterno per rispettare la normativa sulla compatibilità elettromagnetica. In Figura 8 è mostrato un esempio di applicazione estratto dal datasheet.
Così come i precedenti prodotti, il convertitore è fornito con una garanzia di due anni garantita dal produttore.
Conclusioni
Nella progettazione di sistemi per la carica dei veicoli elettrici serve una grande robustezza verso le anomalie di rete per l’alimentazione della circuiteria ausiliaria, così come un’elevata densità di potenza per i battery charger. RECOM Power, azienda Austriaca specializzata nell’elettronica di potenza, offre una serie di convertitori AC/DC e DC/DC con caratteristiche che ben si prestano ad affrontare le criticità appena descritte, rendendo la vita più semplice al progettista.
