Sistemi di ricarica per veicoli elettrici: sfide progettuali e soluzioni disponibili

La crescente domanda di veicoli elettrici (EV, Electric Vehicle) genera una corrispondente domanda di punti di accesso all’energia elettrica per la ricarica delle batterie a bordo veicolo. A partire dalle prime colonnine di ricarica installate presso luoghi di pubblico accesso si stanno realizzando sempre più sistemi disponibili per uso privato presso la propria abitazione.

La tecnologia si sta sviluppando per venire incontro a questa richiesta di connessione, tuttavia le esigenze non sono uguali per tutti,  in quanto non tutti gli EV hanno le stesse caratteristiche ed anche per le stazioni di ricarica ci sono differenti standard.

In particolare sono disponibili tre differenti tipologie di ricarica:

  • Slow (monofase AC/DC: 2.3kW)
  • Fast, Super-fast or Rapid (trifase AC/DC: 11kW – 50kW)
  • Supercharger, Ultra-fast or Ultra-rapid (10-30kV AC/DC o DC/DC: 150kW– 350kW)

Come si vede, le applicazioni differiscono molto per la potenza impiegata che influisce a sua volta sul tempo di ricarica.

La gestione di tali livelli di potenza richiede una progettazione del sistema di ricarica che sia anche sicuro, affidabile e protetto.

Ricarica dei veicoli elettrici

I tempi di ricarica, d’altro canto, sono proprio un fattore critico per l’utenza: infatti l’esigenza espressa dai possessori di un EV è una ricarica sempre più veloce. Come visto, si possono diminuire i tempi di ricarica con l’impiego di alte potenze. Le scelte tecnologiche e progettuali dei caricabatterie che ne conseguono riguardano:

  • la necessità di sistemi di raffreddamento, anche dei cavi di collegamento
  • maggiori e più stringenti requisiti di sicurezza

Quindi oltre allo sviluppo di nuove topologie e architetture di caricatori o la scelta di componenti di alimentazione ottimali, occorre pensare a soluzioni in grado di “gestire” il flusso di potenza dalla rete al veicolo in modo da operare in maniera sicura e garantire la ricarica solo se le condizioni lo condizioni lo consentono. In pratica occorre un sistema di comunicazione fra il sistema di ricarica  (EVSE, Electric Vehicle Supply Equipment) ed il veicolo, così come fra lo stesso sistema e la rete di distribuzione.

Il processo di ricarica è descritto nella Figura 1: tra EV e EVSE si ha uno scambio di informazioni, mediante un protocollo di handshake e solo se sono soddisfatte le condizioni di sicurezza si abilita il passaggio di energia al veicolo, controllato appunto dalla colonnina EVSE.

La carica vera e propria della  batteria è effettuata poi dall’elettronica a bordo (OBC, On Board Charger). Chiaramente per gestire la comunicazione ed abilitare la sezione di potenza solo quando sicuro e necessario occorre una linea di alimentazione ausiliaria (Aux, in Figura 1).

Figura 1: collegamento EV/EVSE

Ricarica domestica

La ricarica domestica può essere realizzata sia con EVSE collegabili alla rete mediante prese a spina, sia con dispositivi fissi, collegati direttamente alla linea di alimentazione, con l’obiettivo di conseguire il miglior compromesso fra le prestazioni ottenibili ed il costo minimo possibile, salvaguardando i requisiti di sicurezza.

Questi sono diversi nei due casi e sono classificati, in particolare, con le categorie OVC (Over Voltage Category). Un esempio di quali categorie si applicano ai vari collegamenti di un impianto, senza entrare nel dettaglio tecnico, è mostrato in Figura 2.

Figura 2: categorie OVC applicabili ad un impianto elettrico domestico

Per un EVSE ad installazione fissa è richiesto un OVC cat. III sia per lo stadio di potenza principale che per l’ausiliario, le cui specifiche sono:

  • Isolamento rinforzato
  • Sovratensioni ammissibili: 4kV/ Resistenza dielettrica: 6kV di picco
  • 5,5mm di gioco

Vediamo allora in Figura 3 uno schema elettrico di principio di un EVSE domestico:

Figura 3: schema generale di un EVSE domestico

Il veicolo controlla la velocità di carica e disabilita il trasferimento di potenza quando la batteria è piena.

Per soddisfare la specifica OCV cat. III richiesta per l’alimentatore ausiliario, RECOM mette a disposizione una gamma di AC/DC da 5W a 60W per montaggio su scheda che supportano un ampio range di temperatura di esercizio in ambienti gravosi e 3 differenti range di tensione di ingresso:

  • da 85 a 264 Vac per applicazioni monofase
  • da 85 a 305 Vac per applicazioni trifase (in connessione fase fase) destinate al mercato USA
  • da 85 a 508 Vac  per applicazioni trifase (in connessione fase fase) destinate al mercato EU

di cui in Figura 3 è mostrato un esempio.

Colonnine di ricarica pubbliche

Nei sistemi di ricarica pubblica devono essere disponibili potenze maggiori e ci si può connettere direttamente a reti trifase.  Inoltre una colonnina per uso pubblico deve poter soddisfare le esigenze di utenti diversi, anche contemporaneamente. Gli EVSE sono allora più complessi rispetto a quelli utilizzabili in applicazioni domestiche, dovendo essere anche “smart” ovvero dotati di sistemi di controllo “intelligente” in grado di gestire i flussi di energie fra i vari sottosistemi ed i veicoli connessi e monitorare le condizioni di sicurezza. Per le caratteristiche dell’applicazione la sicurezza e l’affidabilità complessive del sistema sono fondamentali e più importanti del minor costo possibile.

In sintesi le criticità progettuali di un EVSE pubblico sono dovute a:

  • più alimentatori
  • più bus a tensioni differenti
  • mix di convertitoti DC/DC isolati e non isolati

Lo schema di principio di un EVSE per ricarica pubblica è illustrato in Figura 4, dove sono evidenziate anche alcune soluzioni fornite da RECOM per le diverse tipologie di alimentatori richiesti.

Figura 4: schema generale di un EVSE pubblico

I circuiti di controllo e misura richiedono alimentazioni isolate dalla sezione di potenza e con adeguate caratteristiche di sicurezza. L’impiego di convertitori della serie RKZE è particolarmente indicato per i circuiti di monitoraggio della potenza AC essendo degli alimentatori con isolamento fino a 4kV DC e funzionamento da -40°C a +80°C senza declassamento. Si tratta di alimentatori “low cost” da 2 W, adatti per applicazioni industriali, di test e misurazione particolarmente indicati   nei casi di produzione ad alti volumi, sensibili al prezzo.

Per l’alimentazione dei dispositivi ausiliari che possono richiedere anche alte correnti con basse tensioni (ad esempio ci sono MODEM alimentati a 3,8V con correnti fino a 3A), sono impiegabili i convertitori della serie RPL 3.0: si tratta di buck con induttore integrato con tensioni di ingresso comprese tra 4.0 e 18 V CC, consentendo l’utilizzo di alimentazioni da 5 V e 12 V. La tensione di uscita può essere impostata nell’intervallo da 0,8 V fino a 5,2 V. La corrente di uscita è fino a 3 A ed è completamente protetta da cortocircuiti continui, sovracorrente di uscita o guasti da sovratemperatura.   

Lo stadio di potenza del fast charger

Elemento centrale della colonnina resta comunque il convertitore di potenza che a preleva energia in AC e la fornisce in DC al veicolo, adattando i valori di tensione e corrente. Questa conversione è tipicamente realizzata in più fasi: una prima conversione AC/DC dalla trifase alternata ad una tensione continua. Questa non  può essere trasferita direttamente al veicolo per ragioni di sicurezza ma bisogna utilizzare un trasformatore per ottenere isolamento galvanico e quindi occorre uno stadio DC/AC seguito da ulteriore stadio raddrizzatore AC/DC, come mostrato in Figura 5. L’impiego di tre distinti “ponti” controllati consente di avere più variabili di controllo a vantaggio di flessibilità di gestione e di sicurezza. Si consideri anche che la doppia conversione DC/AC-AC/DC può essere effettuata ad alta frequenza riducendo le dimensioni del trasformatore.

Figura 5: circuito convertitore per la ricarica rapida ad alta potenza

Con questa topologia sono impiegati ben 14 transistor ed ognuno di essi necessita di un driver che sia isolato ed alimentato. In particolare i driver High-Side necessitano di un’alimentazione isolata con isolamento elevato ed uscite asimmetriche (ad es. +15/-3, +20/-5, +15/-9 o +6/-1) a seconda del tipo di transistor. In Figura 5 sono mostrati anche alcuni convertitori proposti da RECOM che possiedono le caratteristiche richieste per alimentare in modo sicuro i divers. Infatti i convertitori della serie RxxCTxx sono convertitori CC/CC a uscita singola isolati, con l’isolamento standard di 5kVAC/1min ideali per le applicazioni dove è richiesto un isolamento robusto. Un’altra possibilità è offerta dai convertitori della serie RxxPxx sono certificati UL/CSA60950-1 e EN60950-1. Ciò li rende ideali per applicazioni di sicurezza in cui è richiesto un isolamento approvato.

Conclusioni

I caricabatterie per veicoli elettrici, sia ad alta potenza che per applicazioni domestiche, necessitano di più alimentatori interni a bassa potenza per creare un’infrastruttura di alimentazione tollerante ai guasti, sicura e affidabile. Le varie tipologie sono:

  • AC/DC per alimentazione ausiliaria, interblocchi di sicurezza e circuiti di controllo con OVCIII
  • CC/CC isolati per gate driver, sensori e isolamento degli ingressi
  • CC/CC non isolati per l’architettura interna di potenza distribuita, circuiti analogici e radio.

Per tutte le varie esigenze c’è una soluzione RECOM, che offre oltre 30.000 prodotti AC/DC e DC/DC con affidabilità comprovata che consentono al progettista di caricabatterie per veicoli elettrici di concentrarsi sulla topologia e sull’architettura, potendo usufruire di circuiti convertitori già pronti e certificati.

Gianluca Angelone
Ingegnere elettronico con la passione per l’elettronica fai da te, Gianluca ha approfondito la sua passione con un Dottorato in Automatica ed un assegno di ricerca post-doc su tecnologie innovative per veicoli a trazione elettrica. Ha iniziato la sua attività professionale in una nota multinazionale nel settore dei semiconduttori, dedicandosi alla prototipazione rapida di algoritmi di controllo per motori diesel common rail. Ha collaborato a vario titolo con aziende come ABB, AnsaldoBreda e STmicroelectronics su progetti relativi a modellistica, simulazione e controllo di circuiti elettronici. Attualmente freelance, si occupa di progetti hardware e firmware per applicazioni IoT, oltre a fornire consulenza come innovation manager.