Stazioni di ricarica rapida DC con misurazione della corrente avanzata

Sebbene stiano scomparendo le obiezioni e le preoccupazioni circa l’adozione dei veicoli elettrici a guida autonoma, è sorta la preoccupazione riguardo la velocità di ricarica degli stessi.

Per l’esigente mercato dei consumatori, i sistemi di ricarica rapida in corrente continua stanno emergendo come la strada migliore da percorrere. La curva di adozione dei veicoli elettrici (EV) è in continua evoluzione; tuttavia, l’industria automobilistica sta affrontando la sfida dell’autonomia residua dei veicoli e della durata della batteria.

Grazie al miglioramento dell’elettronica per veicoli elettrici come, per esempio, la gestione dell’alimentazione e il controllo del motore, insieme a una maggiore densità di accumulo di energia, l’industria automobilistica ha fatto passi da gigante, eliminando i problemi di autonomia e capacità. Tuttavia, come pocanzi detto, ci sono ancora preoccupazioni sui tempi di ricarica dei veicoli elettrici. Questo è il motivo per cui è fondamentale che l’industria dei veicoli elettrici introduca sistemi avanzati di ricarica rapida della batteria e li renda disponibili al pubblico.

Una ricarica più rapida aumenterà l’adozione dei veicoli elettrici, poiché essa affronta direttamente i disagi percepiti dagli utenti. È anche finanziariamente redditizia, poiché il mercato della ricarica di veicoli elettrici è in rapida crescita, con installazioni che dovrebbero superare i 9 milioni di unità entro il 2025. Nel 2019 il mercato dei caricabatterie per veicoli elettrici è stato di circa $ 4 miliardi e dovrebbe raggiungere $ 25,5 miliardi entro il 2027. Si prevede che il mercato delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici crescerà globalmente fino ad arrivare a 30.758.000 unità entro il 2027.

Ci sono diverse metodologie disponibili di carica dei veicoli elettrici. Attualmente sono in fase di installazione stazioni di ricarica autostradali e urbane, ma la possibilità di ricaricare nella propria abitazione è una delle principali tendenze del mercato! La maggior parte delle singole autovetture rimane parcheggiata durante la notte, rendendo la ricarica domestica più semplice e spesso più economica rispetto alla ricarica altrove.

Tipologie di ricarica

I caricabatterie da muro più comuni sono noti come sistemi di livello 1 e livello 2. Poiché le batterie dei veicoli elettrici vengono caricate con una corrente DC, è necessaria una conversione di fase. In alcuni casi, l’uso di un caricabatterie AC integrato nel veicolo è più conveniente perché gli stadi di conversione dell’alimentazione all’interno del veicolo vanno a sostituire tutti i sistemi di ricarica esterni necessari. Tuttavia, i circuiti di conversione all’interno dell’auto limitano la capacità di alimentazione e il tempo di ricarica.

La ricarica rapida DC di livello 3 è disponibile a voltaggi più elevati e può caricare alcuni veicoli elettrici plug-in fino a 800 volt, consentendo una ricarica molto rapida. Questa soluzione risulta la migliore per edifici residenziali e commerciali, nonché per strutture ricettive, grazie ai costi. Per la maggior parte delle installazioni domestiche, i sistemi di livello 2 ad alta potenza, attualmente operanti a livelli fino a 50 A, si stanno rivelando la migliore soluzione.


Pertanto, i sistemi di ricarica rapida DC interni stanno diventando una componente significativa della crescente infrastruttura della mobilità elettrica. Quando si sviluppano beni capitali orientati al consumatore, nella decisione di acquisto, la longevità del prodotto e l’affidabilità competono sicuramente con l’economicità. Di conseguenza, i miglioramenti del costo, dell’efficienza, della sicurezza e delle prestazioni del sistema di conversione di potenza aumentano la domanda da parte dei consumatori. I quattro aspetti di un sistema di conversione di potenza riguardano la misurazione della corrente, la garanzia di una stretta correzione del fattore di potenza, la gestione della frequenza e la risoluzione dei problemi termici. Ciascun aspetto influenza l’altro e va ad incidere sulle prestazioni complessive del sistema.

Misurazione della corrente

Oltre a determinare la potenza erogata, la misurazione della corrente può anche aiutare a gestire le prestazioni termiche. Una cattiva gestione termica è distruttiva e costosa ma, se eseguita correttamente, può aumentare significativamente le prestazioni, la sicurezza e l’economicità. Inoltre, la misurazione della corrente fornisce, tra le altre cose, il rilevamento precoce dei guasti e delle informazioni sulle prestazioni, in tempo reale. Molti sistemi di alimentazione richiedono un segnale in caso di corrente fuori range, di una condizione di sovracorrente o di un’altra perdita di prestazioni, per prevedere e affrontare potenziali problemi termici.

I pericoli per le prestazioni dell’elettronica di potenza, e quindi i problemi termici del sistema, vanno da guasti a terra e cortocircuiti al funzionamento a livelli di potenza estremi e condizioni di carico oltre la capacità di supporto del sistema stesso. Nei sistemi di ricarica, i sensori di corrente sono installati in ciascun modulo e sono parte integrante del circuito di controllo che regola le prestazioni, l’efficienza e la linearità termica dei sistemi di alimentazione negli inverter.

Quando si tratta di rilevamento della corrente nei sistemi di alimentazione, una soluzione di rilevamento integrata offre notevoli risparmi di ingombro rispetto alle soluzioni assemblate su scheda che utilizzano un amplificatore operazionale e un comparatore. La dimensione di un’implementazione non integrata varierà a seconda dei componenti effettivi scelti, ma sarà maggiore di una soluzione a pacchetto singolo.

Rilevamento della sovracorrente

Per definizione, la misurazione della corrente è un aspetto chiave sulla protezione da sovracorrente e sottocorrente contro possibili danni ai sistemi elettronici. A cause delle alte velocità, ai livelli di potenza i fusibili non sono più adeguati in alcun modo per i prodotti di alimentazione avanzati se non per prevenire guasti catastrofici.

L’uso di un fusibile per la protezione non fornisce alcuna informazione sulle prestazioni effettive del sistema di alimentazione oltre a interrompere l’alimentazione in una situazione di sovracorrente. Utilizzando un sensore di corrente, la risposta circa il rilevamento della sovracorrente può essere ottimizzata per una determinata applicazione.

L’integrazione di aspetti come l’isolamento, insieme alla tecnologia centrale anisotropica magneto-resistiva (AMR), crea sensori precisi e senza contatto. Il rilevamento della corrente ottimizza le prestazioni e consente la correzione della temperatura. Inoltre, utilizzando un sensore di corrente è possibile rilevare dispersioni verso terra della corrente di fase (probabilmente a causa di un cablaggio errato, invecchiamento, ecc.) e proteggere l’intero sistema.

La qualità dell’alimentazione è essenziale per un funzionamento efficiente ed il fattore di potenza è una componente importante. Quest’ultimo, difatti, misura l’efficienza della potenza utilizzata in ingresso e rappresenta il rapporto tra potenza attiva e potenza apparente. Un fattore di potenza scadente, ad esempio inferiore al 95%, si traduce in più corrente necessaria per fare lo stesso lavoro. La correzione del fattore di potenza (PFC) migliora tale rapporto e la qualità dell’alimentazione. Il PFC riduce lo stress della rete, aumenta l’efficienza energetica del dispositivo e riduce i costi dell’elettricità, riducendo al contempo l’instabilità e il rischio di guasto del sistema.

La produzione di energia reattiva in contrapposizione all’energia assorbita dai carichi, come i caricabatteria, in prossimità del carico, migliora il fattore di potenza, con la compensazione ideale applicata nel punto di carico, al livello richiesto in tempo reale. L’utilizzo di un sensore di corrente sull’apparecchiatura PFC sul lato della bassa tensione migliora la potenza disponibile.

Quando si ha distorsione armonica, è necessario il PFC nel front-end dell’inverter AC/DC e il più delle volte è richiesto l’isolamento tra il lato primario e secondario del modulo front-end AC/DC.

Frequenza di commutazione

Con la crescente domanda di prestazioni sempre più elevate, CPU, DSP e altri dispositivi simili stanno diventando sempre più “affamati” di energia. Aumentando la frequenza del regolatore si riducono le dimensioni e i requisiti di ingombro della scheda del circuito di alimentazione coinvolto, aumentando al contempo la densità di potenza. Tuttavia, all’aumentare della frequenza, aumentano anche le perdite di commutazione, quest’ultime dovute principalmente alle perdite sul lato alto durante l’accensione, nonché alle perdite di conduzione del diodo del corpo. Ciò va a forzare i limiti della frequenza di commutazione dei convertitori e dei regolatori convenzionali.

La misurazione della corrente nei circuiti avanzati a commutazione rapida è necessaria proprio per tracciare le correnti in tempo reale, ottenendo così, la massima efficienza possibile. La misurazione intelligente della corrente è necessaria anche all’intelligenza artificiale e per l’apprendimento automatico in modo da creare un algoritmo di controllo e avere prestazioni migliori.

Redazione Fare Elettronica