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batterie HESS

Le innovazioni nei sistemi di accumulo a batteria di Rutronik

In occasione del recente Fortronic, uno dei principali argomenti discussi è stato il concetto di elettrificazione, con particolare riferimento all’utilizzo delle energie rinnovabili. Questo articolo, basato su un paio di presentazioni [1][2] tenute da Andreas Mangler, Strategic Marketing Manager di Rutronik Electronics Worldwide, sarà focalizzato sulle principali innovazioni introdotte nei sistemi di accumulo a batteria.

Sistema di accumulo ibrido di energia (HESS)

In un mondo sempre più orientato verso un futuro più verde, si profilano alcune sfide impegnative che occorre superare per raggiungere una maggiore diffusione dei veicoli elettrici (EV). Le principali sfide da affrontare per favorire una maggiore adozione degli EV sono le seguenti:

  • Incremento dell’autonomia dei veicoli elettrici, mantenendo il costo, il peso e le dimensioni dei componenti il più possibile ridotti. Le soluzioni che consentono di raggiungere questo obiettivo includono un maggiore utilizzo dell’elettronica di potenza basata sui materiali Wide Band Gap (WBG), più efficienti rispetto al silicio nella conversione dell’energia, nonché miglioramenti nella tecnologia delle batterie per ottenere maggiori densità energetiche;
  • Ricarica rapida. Questa soluzione comporta in genere l’aumento della tensione delle batterie, della densità di potenza delle stazioni di ricarica e dell’elettronica di bordo. La ricarica veloce può aumentare l’adozione dei veicoli elettrici riducendo l’ansia da autonomia e rendendo più conveniente per le persone ricaricare i propri veicoli elettrici durante un viaggio. Inoltre, la disponibilità di infrastrutture di ricarica rapida può ridurre le preoccupazioni relative all’autonomia e all’affidabilità, incoraggiando così un maggior numero di automobilisti a passare ai veicoli elettrici;
  • Creazione di soluzioni più efficienti e meno costose per i veicoli urbani e a ridotta autonomia. In questo caso, l’obiettivo è quello di massimizzare l’efficienza e le prestazioni riducendo il più possibile il peso e le dimensioni del sistema.

Confronto tra supercondensatori e batterie

Nei veicoli a benzina e nei veicoli elettrici, l’energia richiesta per la guida del veicolo può essere suddivisa in due componenti distinte. L’accelerazione e l’avviamento del veicolo richiedono in genere un’elevata energia per una breve periodo, ad esempio per far funzionare il motorino di avviamento. Ciò richiede un’elevata densità di potenza (W/kg). Viceversa, la navigazione a velocità media richiede piccole quantità di energia per periodi più lunghi e quindi un’alta densità di energia (Wh/kg). Come visibile in Figura 1, i veicoli elettrici possono utilizzare due tipi di dispositivi di accumulo dell’energia: le batterie e i supercondensatori.

Figura 1: Un confronto tra batterie e supercondensatori per l’accumulo di energia (Fonte: [1])

I supercondensatori, commercializzati per la prima volta alla fine degli anni ’70 per l’alimentazione di backup, si basano tipicamente sull’utilizzo di un doppio campo elettrico generato all’interfaccia tra carbone attivo, elettrodi ad alta superficie e un elettrolita intermedio come l’acido solforico [4]. Oggi è possibile realizzare supercondensatori con valori di capacità fino a 1F, ottenendo densità di potenza dell’ordine di 1.000-10.000 W/kg e tempi di carica e scarica molto più rapidi delle comuni batterie.

I supercondensatori accettano ed erogano la carica molto più velocemente delle batterie e tollerano molti più cicli di carica e scarica rispetto alle batterie ricaricabili. Per questo motivo, vengono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni che richiedono molti cicli di carica/scarica rapida piuttosto che l’accumulo di energia per lunghi periodi. Nei veicoli elettrici, essi dove vengono utilizzati per la frenata rigenerativa, l’accumulo di energia a breve termine e l’erogazione di energia in modalità ultrarapida.

Le Figure 2(a) e 2(b) mostrano il funzionamento medio di carica e scarica di un e-scooter durante la fase di avvio/accelerazione e la modalità di crociera/bassa velocità. Come si può osservare, il supercondensatore è in grado di fornire un’elevata potenza di picco durante l’accelerazione, mentre la carica persa può essere recuperata durante la modalità di crociera.

Figure 2(a) e 2(b): Potenza di carica/scarica in funzione del tempo per una combinazione batteria/supercondensatore durante le modalità di accelerazione e di crociera (Fonte: [1])

La soluzione progettata da Rutronik

La sfida di questa integrazione tra supercondensatore e batteria risiede nella progettazione dell’anello di controllo che garantisce una commutazione rapida e a bassa latenza tra le due sorgenti, sia durante la carica che la scarica. Rutronik ha progettato un’unità brevettata di elaborazione analogica e di segnale misti ad alta velocità che fornisce un controllo predittivo della velocità di rotazione della corrente di carico (di/dt) con un rilevamento di pochi ns, bypassando l’anello di controllo digitale. In Figura 3 è visibile lo schema a blocchi utilizzato per questa applicazione. Si tratta di un convertitore buck-boost DC/DC bidirezionale a commutazione a tensione zero (ZVS), interlacciato a tre fasi.

Questo progetto si basa su una combinazione di batteria a 48 V e supercondensatore a 12 V, utilizzabile, ad esempio, su un e-scooter. La scheda visibile in Figura 4 è in grado di fornire 1,1 kW di potenza di picco, ma il progetto trifase è scalabile e può raggiungere potenze di diversi kW. Inoltre, è in grado di gestire le correnti inverse.

I vantaggi di questo sistema HESS includono la limitazione della scarica della batteria in modo che non esca dall’intervallo ottimale e il mantenimento della temperatura interna della batteria. Questi vantaggi possono contribuire a prolungare la vita utile residua della batteria (RuL).

Figura 3: Schema a blocchi del convertitore bidirezionale CC/CC brevettato da Rutronik per l’utilizzo nei sistemi HESS. (Fonte: [1])

Figura 4: Scheda convertitore DC/DC bidirezionale di Rutronik per l’utilizzo nei sistemi HESS. (Fonte: [1])

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.