Come superare le sfide della progettazione di infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici veloci ed efficienti

Le soluzioni di ricarica dei veicoli elettrici (EV) necessitano di una serie di tecnologie di conversione dell'energia per supportare progetti a corrente alternata (c.a.) per i caricabatterie domestici e da ufficio, nonché sistemi di ricarica rapida a corrente continua (c.c.) per la ricarica durante i lunghi viaggi in auto. Il filo conduttore tra tutti i tipi di caricabatterie EV è la necessità di una serie di contattori, relè, connettori e componenti passivi per supportare le alte tensioni e correnti presenti, oltre a fornire design compatti e alte efficienze per supportare un'infrastruttura di ricarica per veicoli elettrici più veloce, sicura, piccola, efficiente e flessibile.

La progettazione di caricatori EV efficienti e flessibili richiede una serie di dispositivi compatti ad alta tensione che devono fornire basse resistenze elettriche con un funzionamento affidabile e sicuro. In alcuni casi, questi dispositivi necessitano anche di una lunga durata di commutazione elettrica quando sono esposti ad ambienti operativi difficili. Alcuni dispositivi di sicurezza, come gli interruttori di arresto di emergenza, devono essere qualificati IP67. Altri, come i filtri contro le interferenze elettromagnetiche (EMI), le morsettiere e i contattori, devono avere specifiche certificazioni internazionali in materia di prestazioni.

Questo articolo fornisce una panoramica dei progetti di caricabatterie EV in c.a. e c.c. e di alcuni standard regionali correlati. Esamina la necessità di caricabatterie EV di maggiore potenza e guarda al futuro della ricarica estremamente veloce (XFC). Il documento si conclude presentando brevemente gli usi di contattori, relè, connettori, resistenze di potenza, interruttori, filtri EMI e sistemi di interconnessione dei blocchi di potenza nei sistemi di ricarica EV e include collegamenti a prodotti di esempio di TE Connectivity.

Standard regionali

Esiste una serie di standard che definiscono la ricarica EV in c.a. e c.c. Ogni regione ha un proprio approccio. In Nord America, la norma SAE J1772 descrive tre livelli di ricarica EV, mentre in Europa si utilizza la norma IEC 61851, che descrive quattro modalità di ricarica. In Cina lo standard è GB/T 20234 per la ricarica in c.a. e in c.c., mentre in Giappone esiste lo standard del Japan Automobile Research Institute (JARI) per la ricarica in c.a. e CHAdeMO per la ricarica in c.c. La ricarica in c.a. viene utilizzata in genere fino a circa 22 kW, mentre la ricarica in c.c. fornisce una potenza maggiore. Inoltre, la ricarica in c.a. richiede un caricatore di bordo (OBC), mentre i caricatori in c.c. si collegano direttamente alla batteria (Figura 1). Un breve confronto tra gli standard di ricarica in Nord America e in Europa fornirà il contesto per la prossima sezione sulla progettazione dei caricabatterie e sui casi d'uso.

Figura 1: La ricarica in c.a. utilizza un OBC, mentre la ricarica in c.c. immette l'energia direttamente nella batteria. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Il Nord America offre due livelli di ricarica in c.a. Il livello 1 utilizza una presa da parete per erogare fino a 1,9 kW, mentre il livello 2 utilizza una stazione di ricarica fino a 19,2 kW. I caricabatterie di livello 1 sono utilizzati principalmente nelle abitazioni, mentre quelli di livello 2 si trovano in ambienti residenziali e commerciali. L'Europa dispone di tre modalità di ricarica in c.a. La modalità 1 è come il livello 1 in Nord America, mentre la modalità 3 è come il livello 2 in Nord America. In Europa esiste anche un tipo intermedio, la modalità 2, che utilizza una spina da parete come la modalità 1, ma aggiunge un circuito di protezione al cavo di collegamento che consente di erogare il doppio della potenza.

La velocità non è sufficiente

I caricabatterie c.a. veloci, come il livello 2 in Nord America e la modo 3 in Europa, sono più veloci delle alternative che richiedono fino a 10-12 ore per ricaricare completamente un veicolo elettrico. Detto questo, la corrente alternata rapida può comunque richiedere diverse ore per ricaricare una batteria esaurita, il che è utile nei casi in cui l'auto è parcheggiata in ufficio, a casa o in un altro luogo per un periodo prolungato. Tuttavia, non è ancora abbastanza veloce per ridurre in modo significativo l'ansia da autonomia dei conducenti di veicoli elettrici.

Per questo motivo sono stati sviluppati caricabatterie c.a. di modalità 3 ad alta potenza e caricabatterie c.c. di livello 4. La velocità di carica per la ricarica rapida in c.c. dipende dalla quantità di corrente disponibile dal caricabatterie e dalla tensione della batteria. I caricabatterie c.c. veloci sono stati inizialmente sviluppati per batterie da 400 V. Per raggiungere l'80% di carica con un caricabatterie da 400 V, 200 A, occorrono circa 50 minuti. Aumentare la corrente a 350 A è una sfida, ma in questo modo è possibile caricare una batteria da 400 V all'80% in circa 29 minuti. Sebbene l'aumento della corrente riduca il tempo di ricarica, è necessario fare di più per rendere la ricarica EV un'alternativa efficiente in termini di tempo rispetto ad altri metodi di rifornimento. L'obiettivo è un tempo di ricarica di 10 minuti, circa pari al tempo necessario per riempire il serbatoio di un veicolo con motore a combustione interna (ICE).

La prossima fase della ricarica rapida c.c. sarà la ricarica estremamente veloce (XFC). Per arrivare all'XFC, le tensioni delle batterie passano da 400 V a 800 V, con batterie da 1 kV all'orizzonte. La tecnologia dei caricabatterie XFC è in fase di sviluppo per erogare 1 kV a 350-500 A, riducendo i tempi di ricarica a 10 minuti o meno. Con i progressi dell'XFC, l'ansia da autonomia sarà una cosa del passato.

Oltre a sviluppare la tecnologia XFC, i progettisti sono alla ricerca di design compatti ed efficienze elevate per supportare una ricarica EV più sicura, piccola, efficiente e flessibile. Ciò richiede componenti avanzati e progetti avanzati.

Figura 2: Sono necessari componenti avanzati per sviluppare soluzioni di ricarica più compatte e di maggiore potenza per i veicoli elettrici. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Adattarsi a spazi ristretti

I progetti di caricabatterie XFC sono stati sviluppati utilizzando semiconduttori di potenza al carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) che offrono soluzioni di conversione di potenza compatte e altamente efficienti. Tuttavia, la conversione di potenza è solo un elemento della progettazione dei caricabatterie EV,

che richiedono schede e connettori di segnale compatti e robusti per il controllo e il monitoraggio. Hanno anche bisogno di relè e contattori salvaspazio, in grado di gestire le tensioni più elevate associate a regimi di carica più rapidi. I resistori di potenza dei caricabatterie EV devono avere un'elevata resistenza all'isolamento, una bassa temperatura superficiale, un eccellente coefficiente di temperatura della resistenza (TCR), la capacità di dissipare un'elevata potenza in uno spazio limitato e una struttura ignifuga.

Gli alimentatori ausiliari e altri circuiti dipendono da filtri compatti contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) per eliminare le interferenze con la logica di controllo e i circuiti di monitoraggio. Sono anche necessari interruttori di arresto di emergenza con grado di protezione IP65 e forza di azionamento sufficiente a impedire la commutazione involontaria e resistere agli ambienti difficili.

Caricabatterie c.a. di livello 2/modalità 3

L'elenco che segue illustra alcuni componenti chiave necessari per la progettazione di caricabatterie c.a. di livello 2 e modalità 3. I numeri elencati corrispondono ai numeri cerchiati nella Figura 3 qui sotto.

1. I relè di potenza, come la serie T92 di TE, sono utilizzati come interruttore principale nelle stazioni di ricarica c.a. Questi relè bipolari a una via (DPST) hanno una potenza nominale fino a 50 A e sono progettati per l'uso a temperature estreme. Il modello T92HP7D1X-12 è ottimizzato per garantire prestazioni termiche superiori ed è classificato per 50 A e 600 V c.a. a una temperatura massima di 85 °C.
2. I connettori per schede e segnali, come la serie Dynamic Mini di TE, sono necessari per supportare l'alimentazione e la connettività dei segnali interni alla scheda. Questi connettori sono dotati di un meccanismo di bloccaggio a sicurezza intrinseca udibile per facilitare l'installazione e la manutenzione sul campo. Sono classificati per il funzionamento da -40 a 125 °C per supportare le esigenze delle installazioni di ricarica in c.a. Ad esempio, il modello 1-2834461-2 ha 12 posizioni su un interasse di 1,8 mm.
3. I resistori di potenza sono importanti per monitorare, gestire e garantire il funzionamento sicuro. Devono avere un'elevata resistenza all'isolamento, una bassa TCR (300 ppm/°C), un basso aumento della temperatura superficiale e una struttura ignifuga. La serie SQ di TE, come il modello SQPW51R0J da 1 Ω ±5% 5W, è adatta all'uso nei caricabatterie c.a.
4. Un interruttore di emergenza è importante per la sicurezza del caricabatterie c.a. TE offre l'interruttore di emergenza a pulsante serie PBE16 nelle versioni luminosa e non. Questi interruttori soddisfano i requisiti delle norme IEC 60947-5-1 e IEC 60947-5-5. Ad esempio, il modello PBES16L1CR ha un grado di protezione IP65 e una forza di attuazione di 20 N per evitare l'azionamento involontario.
5. I filtri EMI sono necessari per gli alimentatori ausiliari delle stazioni di ricarica per evitare interferenze con il funzionamento dei circuiti digitali utilizzati per il monitoraggio e il controllo dell'alimentazione. Gli alimentatori ausiliari sono necessari anche per alimentare i semiconduttori di potenza nella sezione di conversione dell'energia. Il modello 6609065-3 di TE è un filtro EMI monofase con una potenza nominale di 6 A a 250 V c.a. e 50 o 60 Hz.
6. Infine, sono necessarie soluzioni elettriche per il cablaggio e l'identificazione dei pannelli per velocizzare l'assemblaggio e la manutenzione sul campo. Queste etichette devono essere facili da installare e molto resistenti. Ad esempio, PL-027008-2.5-9 di TE è un'etichetta adesiva in poliestere progettata per l'uso in armadi elettrici come le stazioni di ricarica EV.

Figura 3: Componenti chiave necessari per i caricabatterie c.a. di livello 2 e modalità 3. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Veloce e c.c. XFC

Dal punto di vista generale, i tipi di componenti necessari per i caricatori c.a. di livello 2 e modalità 3 sembrano simili a quelli utilizzati per i caricatori c.c. veloci. Tuttavia, esistono alcune differenze sottili ed evidenti tra i due.

Le stazioni di ricarica in c.a. utilizzano in genere relè per il controllo dell'alimentazione, mentre i caricatori in c.c. necessitano di contattori. Sebbene i relè e i contattori siano entrambi interruttori che utilizzano una bassa tensione, come 12 V c.c., per commutare un circuito a tensione più elevata, i dispositivi utilizzano strutture di contatto diverse, ottimizzate per diversi livelli di tensione e corrente. I relè sono tipicamente classificati per un massimo di 600 V, mentre i contattori sono classificati per 800 V e oltre. Inoltre, i relè sono in genere limitati a decine di ampere, mentre i contattori sono disponibili per commutare centinaia di ampere. Ad esempio, il contattore EV200AAANA di TE è classificato per 900 V e 500 A ed è adatto ai caricabatterie c.c. veloci.

I connettori di segnale e i resistori di potenza utilizzati nei caricabatterie c.c. non sono gli stessi di quelli utilizzati nei progetti c.a. I caricabatterie c.c. comportano un controllo più complesso, come la comunicazione con le batterie EV, assente nei progetti c.a. Sia i caricabatterie c.a. che quelli c.c. traggono vantaggio dall'uso di connettori scheda-scheda a passo piccolo con un interasse di 1,00 x 1,00 mm, ma i caricabatterie c.c. possono richiedere un numero di pin superiore, come il modello 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP a 30 posizioni.

Inoltre, i livelli di potenza più elevati dei caricabatterie in c.c. possono trarre vantaggio da resistori di potenza con alloggiamento in alluminio, come la serie HS di TE. Questi resistori a filo avvolto sono molto stabili e possono dissipare una potenza elevata in uno spazio ristretto con una temperatura superficiale relativamente bassa. Ad esempio, il modello HSA1010RJ è classificato per 10 Ω ±5% e 10 W. Altri modelli della serie hanno una potenza nominale fino a 82 kΩ e fino a 300 W.

Sebbene lo stesso tipo di interruttore di arresto di emergenza possa essere spesso utilizzato per i caricabatterie c.a. e c.c., nel caso dei filtri EMI, i caricabatterie c.c. possono richiedere filtri più grandi o più filtri, a seconda del progetto.

Un'altra differenza tra caricabatterie c.a. e c.c. è che i secondi richiedono morsettiere di alimentazione come i blocchi di potenza compatti ENTRELEC di TE per la distribuzione interna dell'alimentazione. Il modello CBS50-2P è classificato per 150 A e 1 kV.

Figura 4: I caricabatterie c.a. veloci necessitano di molti degli stessi componenti dei caricabatterie c.a. di livello 2 e modalità 3, ma ci sono anche alcune sottili differenze. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Conclusione

La progettazione di caricabatterie EV avanzati sarà fondamentale per ridurre l'ansia da autonomia e consentire la diffusione su larga scala dei veicoli elettrici. Questi caricatori avanzati utilizzeranno tensioni e correnti più elevate per ridurre i tempi di ricarica a circa 10 minuti, rendendo la ricarica EV paragonabile ai tempi di rifornimento dei veicoli ICE. Come è evidente, i progettisti hanno bisogno di un'ampia gamma di componenti compatti, efficienti e resistenti all'ambiente per i caricabatterie c.a. e c.c. veloci e per le future generazioni di progetti XFC.