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Trasformare un EV Charger in un Rapid Charger

Il mercato delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici si sta rapidamente espandendo, come conseguenza della crescente domanda di veicoli elettrici. Secondo le previsioni di Fortune Business Insights, entro il 2028, il mercato raggiungerà il valore di 111,90 miliardi di dollari rispetto ai 17,59 miliardi di dollari del 2021, con un CAGR del 30,26%. La crescente domanda di infrastrutture di ricarica affidabili in aree pubbliche può essere soddisfatta con stazioni di ricarica rapida in DC (DC Fast Charge).

Da dove dovresti iniziare il tuo nuovo progetto di stazione di ricarica rapida in DC?

Gli esperti di onsemi e Avnet Silica offrono un supporto completo per aiutare i clienti a vincere questa sfida, con un reference design completo per una stazione di ricarica rapida in DC modulare e bidirezionale, con una potenza di 25kW per modulo che utilizza moduli di potenza integrati (PIM) con tecnologia SiC (Silicon Carbide).

Il reference design è stato interamente sviluppato nei laboratori di onsemi, unendo sviluppo hardware, firmware e software per offrire una soluzione completa e funzionante da cui partire con lo sviluppo della propria stazione di ricarica rapida. L’offerta comprende, oltre all’hardware, anche un set completo ed esaustivo di documentazione che include schematici, gerber, modelli e simulazioni termiche e di potenza.

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eference design del caricatore rapido in DC da 25kW (EliteSiC DCFC module)
Figura 1: Reference design del caricatore rapido in DC da 25kW (EliteSiC DCFC module)

Il reference design: sfide e soluzioni

Ora entriamo più nel dettaglio e diamo uno sguardo a quali sono le sfide e i compromessi necessari per sviluppare con successo un prodotto di questo tipo.

Nel mondo della mobilità elettrica, i caricatori in DC offrono capacità di carica più veloci rispetto ai loro omologhi in AC. La conversione di potenza nella ricarica in DC viene gestita fuori dal veicolo (“off_board”) e l’energia viene immessa nelle batterie tramite un connettore di ricarica dedicato. In questi casi la potenza di ricarica va da circa 15kW fino a 350kW, con livelli di potenza superiori in fase di sviluppo.

Per aumentare il livello di potenza, un buon approccio è quello di utilizzare sistemi modulari con blocchi che vanno da 15kW a 75kW (e oltre) installati in uno stesso cabinet.

In generale, le tensioni di uscita dei caricabatterie in DC vanno da 150V a oltre 1000V, coprendo i livelli standard di batterie EV sia a 400V che a 800V, livelli di tensione che vengono coperti dalla soluzione qui proposta. La tensione di ingresso è invece idonea sia per la rete AC trifase Europea (400Vac) che per quella Americana (480Vac).

Nella soluzione proposta il singolo modulo da 25kW è così composto: front-end AC/DC in ingresso con stadio boost PFC, seguito da uno stadio DC/DC che garantisce l’isolamento tra il carico e la rete, e regola tensione e corrente di uscita in base alle esigenze del veicolo da caricare. La soluzione consente anche la bi-direzionalità, funzione per cui è necessario considerare una topologia circuitale appropriata.

Il modulo dispone di interfaccia CAN isolata, USB e UART che permettono la comunicazione tra i moduli, il controllore di carica e il veicolo, oltre che i servizi e i processi di manutenzione. Il reference design segue le linee guida poste dalle normative standard IEC-61851-1 e IEC-61851-23 per la ricarica dei veicoli elettrici.

schema dei blocchi principali di un sistema di carica rapida in DC
Figura 2: schema dei blocchi principali di un sistema di carica rapida in DC

Il punto di partenza

Per partire nel modo corretto con un progetto di questo tipo la raccomandazione è di iniziare definendo le specifiche dello stadio in DC di ricarica, sulla base delle specifiche richieste, questo è necessario per indirizzare correttamente gli sforzi nella prima fase di studio di fattibilità.

Le simulazioni giocano un ruolo determinante nelle prime fase di studio. Il reference design di onsemi qui proposto fornisce un valido aiuto sia nella definizione dei parametri di simulazione che degli obiettivi di progetto, evidenziando fin da subito il modo più corretto di procedere nello sviluppo.

Particolare enfasi va messa nelle simulazioni sia della parte di controllo che di potenza, simulazioni che possono essere eseguite grazie al nuovo simulatore onsemi “Elite Power”, uno strumento pensato appositamente per supportare gli sviluppatori e accelerare il time-to-market.Il simulatore fornisce una previsione accurata di come si comporterà il circuito utilizzando la famiglia di prodotti “EliteSiC”, con un modello elettrico molto accurato che tiene in considerazione anche i parametri di costruzione della tecnologia “EliteSiC”.

Scopri di più su questo reference design.

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Redazione Fare Elettronica