Massimizzazione della potenza per le stazioni di ricarica per veicoli elettrici di Livello 3

Con la crescita della capacità e la riduzione dei costi delle batterie, i veicoli elettrici (EV) stanno diventando sempre più comuni. Esattamente come le automobili con tradizionale motore a combustione interna (ICE, internal combustion engine) hanno creato l’esigenza di un maggior numero di stazioni di rifornimento, i veicoli elettrici spingeranno la domanda di sempre maggiori opzioni pubbliche per la ricarica.

Per massimizzare l’implementazione del maggior numero possibile di stazioni di ricarica, la tecnologia che entra in una stazione di ricarica deve essere efficiente e conveniente, oltre a fornire un’esperienza nel complesso positiva per il cliente. Un’ulteriore problematica è costituita dal dover implementare un’infrastruttura di ricarica che non si limiti a supportare i casi d’uso odierni con tragitti prevalentemente brevi e locali, ma che supporti anche una ricarica più rapida rispetto ai caricabatterie domestici, in modo da ridurre le preoccupazioni sui tempi di ricarica quando gli utenti devono coprire tragitti più lunghi.

Tipi di caricabatterie per veicoli elettrici

Le stazioni di ricarica si trovano installate in svariate situazioni: nelle abitazioni, in parcheggi pubblici vicino a ristoranti o uffici oppure in punti vendita commerciali come nei pressi di un minimarket. Attualmente, la Society of Automotive Engineers (SAE) definisce tre livelli diversi di stazioni di ricarica, note anche come EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment):

  • Le EVSE di Livello 1 utilizzano corrente elettrica da linea in CA standard negli USA, oppure monofase a 120 V tra 12 e 16 A altrove. La conversione dell’alimentazione da CA a CC avviene all’interno del veicolo. Queste stazioni relativamente a basso costo sono in grado di ricaricare la batteria di un veicolo elettrico completamente scarica con una capacità di 24 kWh in circa 17 ore.
  • Le EVSE di Livello 2 si basano su una tecnologia simile al Livello 1, ma sono compatibili con una più potente linea di ingresso in CA polifase da 208 V-240 V a 15 A-80 A. Questa possibilità riduce a 7 ore il tempo di ricarica per una batteria completamente scarica.
  • Le EVSE di Livello 3 differiscono dai Livelli 1 e 2 per il fatto che la conversione della potenza da CA a CC avviene all’interno della stazione di ricarica, pertanto è possibile alimentare la batteria con una linea ad alta tensione in CC per abbreviare il tempo di carica. Ne deriva che il costo e la complessità di una stazione di Livello 3 sono sensibilmente maggiori. Queste stazioni possono erogare un’alimentazione da 300 V fino a ~920 V ad un massimo di ~500 A. Il tempo di carica massimo sarebbe di circa 10-30 minuti a seconda del livello di energia nella batteria. A differenza dei Livelli 1 e 2, che sono più tipici degli impianti domestici dove i veicoli elettrici si ricaricano di notte, le stazioni di ricarica rapida in CC di Livello 3, più costose, si trovano solitamente in luoghi pubblici e condivisi e, in definitiva, il loro uso è probabile anche nelle stazioni di rifornimento.

Stadio di potenza

L’efficienza di conversione della potenza da CA a CC per la ricarica della batteria di un veicolo elettrico è fra gli aspetti più critici di una stazione di ricarica. Di conseguenza, è importante scegliere la topologia di conversione più efficace per il tipico caso d’uso di una stazione di ricarica. Il modulo di alimentazione in un caricabatterie rapido in CC comprende tipicamente un convertitore raddrizzatore da CA a CC e un convertitore CC/CC isolato, che verranno entrambi analizzati a seguire.

Tabella 1. Classificazione dei caricabatterie per veicoli elettrici.

Per ottenere gli elevati livelli di potenza di questi caricabatterie rapidi, il raddrizzatore da CA a CC è costituito da uno stadio PFC (correzione del fattore di potenza) con ingresso trifase in CA. Fra le topologie popolari per l’implementazione del PFC trifase vi sono un convertitore PFC totem-pole trifase o un convertitore PFC basato su raddrizzatore Vienna. Tra queste due topologie, i convertitori basati su raddrizzatore Vienna stanno assumendo sempre maggiore popolarità grazie all’implementazione della commutazione a tre livelli, all’efficienza superiore, alle ridotte sollecitazioni di tensione sui componenti e alla maggiore densità di potenza.

Analogamente ai convertitori CC-CC isolati, vi sono una serie di opzioni da considerare. I convertitori risonanti, come gli LLC, sono apprezzati per la loro capacità di raggiungere la commutazione a tensione zero (ZVS, Zero Voltage Switching) e la commutazione a corrente zero (ZCS, Zero Current Switching). Inoltre esistono molte varianti di convertitori LLC, come le topologie LLC half-bridge ed LLC full-bridge. Per applicazioni ad alta potenza e ad alta tensione, viene solitamente utilizzato un LLC full-bridge perché sfrutta meglio il nucleo magnetico e riduce la sollecitazione di corrente/la corrente nominale dei componenti. Inoltre è possibile applicare un approccio LLC interlacciato per ridurre i requisiti di filtraggio per una potenza maggiore all’uscita del convertitore.

Per ottimizzare il funzionamento dell’LLC per una vasta gamma di tensioni della batteria, è opportuno utilizzare una tensione PFC a collegamento variabile. Tuttavia si riscontrano alcune problematiche quando è presente una tensione variabile dall’uscita del PFC e aumenta la sollecitazione sui dispositivi di alimentazione. Il vantaggio del raddrizzatore Vienna per PFC, in questo caso, consiste nel fatto che si tratta di una topologia a tre livelli e, quind, l’aumento di sollecitazione è proporzionalmente inferiore sugli interruttori di alimentazione. Pertanto, i sistemi di ricarica rapida in CC di Livello 3 di fascia alta e ad alta potenza utilizzano spesso la combinazione di un raddrizzatore Vienna e di un convertitore risonante (LLC) full-bridge interlacciato (IL). La ragione per questa combinazione di topologie risiede nel fatto che è importante considerare la rapidità con cui è possibile estrarre potenza dalla rete e trasferirla nella batteria, che richiede solitamente un approccio trifase per la conversione della potenza. In basso è riportato lo schema di un caricabatterie di questo tipo (Figura 1).

Raddrizzatore Vienna (per ricarica Livello 3)

Come analizzato nella sezione precedente, in molti casi la topologia per EVSE di Livello 3 è costituita da un raddrizzatore Vienna trifase. Questo tipo di raddrizzatore è un raddrizzatore unidirezionale, trifase, a modulazione di larghezza di impulso (PWM). Rispetto ad un raddrizzatore PWM di tipo boost, la topologia Vienna utilizza la commutazione multilivello (a tre livelli), che riduce il requisito del valore di induttanza e riduce della metà la sollecitazione di tensione sugli interruttori. In questo modo, migliorano l’efficienza e la densità di potenza.

Questo convertitore ha dimostrato di essere in grado di raggiungere un’efficienza del 99% o superiore.

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Conclusione

Con l’aumentare della richiesta di stazioni di ricarica in CC di Livello 3 di potenza superiore, le topologie come il raddrizzatore Vienna con LLC interlacciato CC/CC per implementare la conversione trifase da CA a CC ad alta efficienza diventeranno sempre più fondamentali. La nuova serie di microcontroller in tempo reale F28004x di C2000 va ad ampliare la vasta gamma di soluzioni ottimali di C2000 che aiutano gli ingegneri a risolvere le sfide di progettazione relative a questi progetti evidenziate in questo documento e in altre topologie di alimentazione avanzate.

A cura di: Sang Chon, C2000™ MCU Automotive Marketing Manager, Texas Instruments; Manish Bhardwaj, C2000 MCU Digital Power Applications Engineer, Texas Instruments, Hrishi Nene, C2000 MCU Digital Power Applications Engineer, Texas Instruments.

 

 

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