Trasformatori: per una ricarica perfetta, la qualità prima di tutto

Il mercato dei veicoli elettrici è in forte espansione, si stima che entro il 2040 rappresenteranno più del 35% delle vendite di nuovi modelli in tutto il mondo. Alla base del funzionamento c’è il trasformatore, un componente estremamente sofisticato, nella cui progettazione e produzione entrano in gioco complessi concetti di fisica, elettronica, matematica ed elettrotecnica. Il suo scopo principale è quello di convertire la corrente elettrica proveniente da una fonte di alimentazione alternata, come la rete elettrica, nei valori di tensione e correnti continue necessari per alimentare diversi dispositivi elettronici. Solitamente è utilizzato per abbassare la tensione e renderla adeguata al carico finale. Un trasformatore da solo, ovviamente non basta: è necessario un corredo molto complesso di altri circuiti che contribuiscono a rendere idonea e sicura l’energia elettrica.

Uno sguardo al futuro della mobilità elettrica

Un trasformatore è un gioiello, una piccola opera d’arte dove ingegno e matematica si intersecano in maniera armonica e sublime. La scelta del trasformatore è una fase molto delicata del progetto, da cui dipendono i risultati e i comportamenti dei circuiti e del veicolo in generale, nel breve e lungo periodo.

Puntare al risparmio per questa tipologia di componentistica, non è mai conveniente, anche perché ciò che si risparmia subito nell’acquisto del trasformatore risulterà almeno triplicato per problematiche, consumi maggiori e guasti futuri. A volte, basta un carico impegnativo anche solo del 10% in più per porre il trasformatore in uno stato di stress e di super lavoro.

Un’altra nuova tecnologia, ancora in fase di sviluppo, è quella relativa alla ricarica a induzione. Per essa occorreranno diversi anni, prima di raggiungere risultati ottimali. Quello della mobilità elettrica è un settore estremamente delicato e prima di passare alle analisi dei successivi stadi occorre pianificare con precisione proprio questi aspetti, specialmente per i sistemi di ricarica dei veicoli.

Per quanto riguarda i sistemi in corrente alternata, attualmente non vi sono problemi in quanto le prese di tipo 2 si trovano un po’ ovunque (vedi figura 1).

Figura 1: le spine e le prese di tipo 2 sono le più diffuse

La scelta del componente elettromagnetico: un passo fondamentale

I trasformatori sono gli elementi più vulnerabili del sistema, specialmente nelle stazioni di ricarica. La maggiore parte di essi ha una potenza compresa tra 10 e 50 kVA di carico per un singolo veicolo PEV, con un sistema di ricarica da 240 V (livello 2) e consuma circa 7 kVA. Accanto alla scelta di un ottimo trasformatore occorre implementare anche un eccellente programma di ricarica intelligente (vedi figura 2), al fine di evitare un sovraccarico elettrico locale derivante dalla ricarica di più veicoli elettrici oppure di un solo veicolo con procedure errate.

Grazie a questi sistemi è possibile soddisfare al meglio le esigenze degli utenti e quelle della rete elettrica e implementare un alto grado di protezione e di efficienza. La ricarica intelligente tiene conto di diversi parametri, alcuni dei quali esercitano una azione decisiva proprio sul trasformatore:

  • le temperature di esercizio, interne ed esterne al circuito;
  • il numero di autovetture collegate alla colonnina;
  • l’orario della ricarica, in relazione all’ora di punta;
  • la potenza fornita alle batterie;
  • la durata della ricarica;
  • le tipologie di cavi;
  • l’efficienza del convertitore.
Figura 2: la potenza consumata durante un ciclo di ricarica di un veicolo elettrico dalle grosse prestazioni

Ricarica dei veicoli elettrici: perché i trasformatori sono importanti?

Gli studi per migliorare la ricarica dei veicoli elettrici non sono un fatto isolato, anzi, le aziende di tutto il mondo sono alla continua ricerca di metodi per distribuire le operazioni di ricarica sui periodi non di punta. Purtroppo oggi la maggior parte degli utenti ha la errata convinzione che le batterie di un’auto elettrica durino uno o due anni e che per ricaricarle occorrano molte ore, a fronte di pochi chilometri di autonomia su strada. La ricarica intelligente aiuta, senz’altro, in questo scopo, e presuppone la gestione di segnali e messaggi inviati e ricevuti dal veicolo per modificare le procedure di ricarica, sia da un punto di vista temporale, sia operativo e logistico. La rete migliore di domani sarà quella che premia il miglior comportamento di ricarica e la gestione della distribuzione dei carichi.

La scelta di un ottimo trasformatore, dunque, è una scelta obbligata. I vantaggi dei trasformatori commercializzati da Specialind sono innumerevoli, sotto tutti i punti di vista. Una stazione di ricarica funziona un po’ come un piccolo computer. Elabora le informazioni e comunica con il mezzo di trasporto per informare sulle tempistiche e le correnti giuste per le operazioni di approvvigionamento dell’energia. I trasformatori non posseggono tutti la stessa funzionalità (vedi figura 3).

Un buon trasformatore di isolamento, ad esempio, consente di fornire energia pur mantenendo isolato il circuito dalla rete elettrica. Un’altra funzione è quella di elevare la tensione per conversioni, ad esempio, da 230 V a 400 V in trifase. Per eseguire al meglio, e senza perdite, queste operazioni i trasformatori devono essere tarati in fabbrica per le correnti più standardizzate (ad esempio 16 A, 32 A e 64 A). Ottimi trasformatori permettono basse circolazioni di correnti allo spunto poiché sono caratterizzati da basse induttanze. Anche l’efficienza è un parametro indispensabile e consente un notevole risparmio di energia grazie alle limitate perdite a vuoto e a pieno carico. Per questi risultati ottimali è indispensabili che i trasformatori siano costruiti con la massima qualità e cura, specialmente per quanto riguarda gli avvolgimenti interni di rame.

Occorre distinguere tra una ricarica in corrente continua e corrente alternata. Partendo dal presupposto che le batterie funzionano in corrente continua, risulta evidente che nei sistemi di ricarica in alternata è necessario integrare uno stadio di trasformazione che converta l’uscita in continua.

Nei sistemi di ricarica in alternata il trasformatore è nel veicolo mentre in modalità in corrente continua esso si trova esternamente, nella stazione di ricarica. A causa dell’elevata richiesta di potenza e l’esigenza di basse perdite di trasmissione, il trasformatore di distribuzione è solitamente installato vicino al nodo di erogazione della corrente elettrica. Inoltre esso deve essere alloggiato in appositi luoghi e involucri che devono impedire qualsiasi tipo di accesso al pubblico.

La tipologia più diffusa di stazioni di ricarica comprende una sezione centrale con un trasformatore a 50 Hz, un filtro di ingresso per la riduzione delle armoniche e l’eventuale rifasamento del carico e lo stadio raddrizzatore. Ogni punto di ricarica include anche un convertitore CC-CC per l’adattamento dei parametri di ricarica al veicolo.

Il sistema di carica deve essere isolato galvanicamente dalla tensione di alimentazione. Tale isolamento può essere ottenuto mediante l’utilizzo di un trasformatore di rete, oppure in modalità DC-DC, con frequenze di lavoro molto più elevate e dimensioni dei trasformatori estremamente ridotte.

Figura 3: alcuni utilizzi del trasformatore

I trasformatori di isolamento trifase per le stazioni di ricarica per veicoli elettrici ricoprono un ruolo essenziale, specialmente se si considerano i requisiti generali per la disposizione dei conduttori e la messa a terra del sistema. I trasformatori di isolamento per installazioni domestiche sono forniti in appositi contenitori che possono essere fissati a una parete, interna o esterna, per alimentare un punto di ricarica per veicoli elettrici.

Modi di ricarica dei veicoli elettrici

  • Modo 1: in Italia non è consentita per le automobili, ma solo per le bici e gli scooter. Il veicolo, in questa modalità, è collegato direttamente alle normali prese di corrente solo nelle aree private. L’alimentazione è monofase.
  • Modo 2: un Control Box collegato alla linea di alimentazione ha lo scopo di implementare un sistema di sicurezza durante il processo di ricarica. È utilizzato sia con le prese domestiche, sia quelle industriali. In Italia è consentito solo per la ricarica privata e non può essere utilizzato nelle aree pubbliche.
  • Modo 3: opera negli ambienti pubblici. È presente la Control Box all’interno della struttura di ricarica e prevede l’utilizzo di appositi connettori. In Italia è l’unico modo per caricare l’auto in ambienti pubblici in AC.
  • Modo 4: attualmente l’unico in corrente continua. In questa maniera è possibile ricaricare un veicolo molto più velocemente e in tutta sicurezza. Il convertitore AC/DC non si trova all’interno del veicolo ma è dentro la colonnina esterna e, per tale motivo, quest’ultima potrebbe risultare più grande della media. Grazie a questa modalità di ricarica, possono essere superati molti vincoli imposti dal caricabatteria interno.

Le modalità di ricarica 1, 2 e 3 vengono effettuate in corrente alternata alla tensione di rete e il caricabatterie si trova direttamente sul mezzo di trasporto. La ricarica lenta fino a 3,5 kW avviene in corrente alternata in modalità 3 con PWM e presa di tipo 2. Tutte le autovetture elettriche la utilizzano, soprattutto di notte o nei parcheggi. Alcune automobili abilitate possono sfruttare una potenza doppia, a patto che la colonnina la gestisca. La ricarica veloce, per tempistiche minori di 30 minuti, è molto più critica e necessita di molta potenza in più. Oggi è disponibile nelle aree di servizio stradali e in alcuni punti in città.

I trasformatori SPECIAL-IND: modelli e prestazioni

La SPECIALIND dispone di un’ampia gamma di componenti magnetici (vedi figura 4) idonei all’utilizzo in apparecchiature per la ricarica elettrica. Si tratta di soluzioni modulari per una migliore integrazione e un assemblaggio semplificato.

Figura 4: alcuni trasformatori trattati da Special-Ind

Alcuni di essi sono elencati nella seguente lista e coprono praticamente il 100% delle esigenze di qualsiasi applicazione di potenza:

  • induttori fissi per applicazioni RF a norme MIL-C-15305/C;
  • trasformatori avvolti modo comune;
  • trasformatori a specifica del cliente;
  • trasformatori a basso profilo;
  • trasformatori di segnale per ISDN, 10 Base-T, 100 Base-T; Ethernet per applicazioni Telecom in PTH ed SMT;
  • induttori fissi schermati;
  • trasformatori amperometrici;
  • induttori e trasformatori per circuito stampato;
  • induttori e trasformatori in versioni lineari e toroidali;
  • induttori SMD per applicazioni RF;
  • trasformatori Switching per SMPS;
  • trasformatori toroidali di sicurezza e di isolamento per alimentazione;
  • induttori e trasformatori di potenza in PTH ed SMT.

Un processo di ricarica può anche essere eseguito in modalità wireless (senza fili) mediante trasmissione di potenza induttiva, utilizzando un traferro tra due circuiti risonanti opposti (vedi figura 5). L’avvolgimento primario si trova nel pannello del pavimento e l’avvolgimento secondario sul lato inferiore del veicolo. Il tutto si comporta esattamente come un trasformatore. Poiché i traferri sono abbastanza grandi, la trasmissione di potenza può avvenire a frequenze comprese tra 10 e oltre 100 kHz. Se le due bobine sono abbastanza vicine, i due circuiti accostati funzionano in modalità risonante. La potenza e l’efficienza del sistema sono limitate dalla F.E.M. dell’avvolgimento e dal fattore Q dell’accoppiamento.

Figura 5: processo di ricarica generico in modalità wireless
Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.