Nel grande panorama del trasporto umano, i veicoli elettrici (EV) rappresentano un'evoluzione relativamente recente. Nella maggior parte dei casi, i veicoli elettrici e la tecnologia di ricarica si sono sviluppati in parallelo. Tuttavia, affinché i veicoli elettrici abbiano realmente una larga diffusione, la tecnologia di ricarica deve diventare più veloce. In questo articolo esamineremo gli elementi costitutivi dell'hardware di ricarica dei veicoli elettrici e vedremo come le nuove soluzioni di STMicro possono supportare le innovazioni del prossimo futuro.
Conosciamo la tecnologia di ricarica per i veicoli elettrici a batteria
Agli inizi di questo nuovo decennio, gli ingegneri di progetto del settore automobilistico si trovano di fronte a una confluenza di tecnologie davvero entusiasmante. La tecnologia delle batterie si è sviluppata a tal punto che è possibile sviluppare veicoli elettrici immagazzinando notevoli quantità di energia per trasportare gli occupanti del veicolo dal punto A al punto B e offrire contemporaneamente un'esperienza di guida interessante e familiare. Contemporaneamente, la tecnologia dei semiconduttori fornisce una precisione di misurazione sempre maggiore attraverso gli odierni sistemi di gestione batteria (BMS), mentre una tecnologia di commutazione di ultima generazione ci sta consentendo di portare al 100% l'efficienza dei sistemi di conversione di energia dato che la corrente viene diretta agli pneumatici durante la guida e alla batteria durante la ricarica. In questo modo, più corrente che in passato fornisce un contributo attivo.
Nonostante l'aumento di capacità delle batterie, di pari passo con l'evoluzione dei veicoli elettrici a batteria (BEV), secondo i gestori delle flotte del Regno Unito l'ansia da autonomia rimane ancora il principale ostacolo all'adozione di questi veicoli. L'80% afferma che l'autonomia è la loro preoccupazione principale, pertanto i BEV vengono presi in considerazione solo per alcuni conducenti della flotta. Inoltre, il 41% ha dichiarato che l'infrastruttura di ricarica costituisce un ostacolo all'adozione, sebbene solo il 3% delle ricariche avvenga su strada (rispetto al 60% delle ricariche sul luogo di lavoro e al 30% delle ricariche domestiche).
Tuttavia, se si parla con gli utenti reali, il quadro è ben diverso. I conducenti raccontano di aver eseguito tragitti molto lunghi a bordo dei propri veicoli elettrici a batteria da città a città e di non essere preoccupati di non arrivare a destinazione più di quanto lo sarebbero stati a bordo di un veicolo con motore a combustione interna (ICE). Le reti delle stazioni di ricarica ad alta velocità fanno sì che buona parte della batteria possa essere caricata in un tempo ragionevole, compatibile con il tempo di ricarica presso le stazioni di servizio dotate di caricatori CC ultraveloci. E, naturalmente, i produttori di veicoli integrano nei propri sistemi di navigazione pianificatori degli itinerari che tengono conto del tempo e del luogo di ricarica nel calcolare il percorso scelto e la durata del viaggio.
Lo stato di ricarica dei veicoli elettrici a batteria (BEV)
Come già evidenziato, molti BEV vengono ricaricati mentre sono parcheggiati e mentre i rispettivi proprietari sono a casa o al lavoro. In questo modo la ricarica può avvenire senza fretta, pertanto è possibile utilizzare la presa CA standard per ricaricare il veicolo (Figura 1). Le soluzioni di ricarica di questo tipo rientrano nel Livello 1 della classificazione SAE (Society of Automotive Engineers) delle apparecchiature di alimentazione per veicoli elettrici (EVSE). La soluzione consiste in un convertitore CA/CC integrato nel veicolo che fa sì che venga generata la corretta tensione CC per ricaricare la batteria, monitorando anche i guasti per proteggere il veicolo. Questi dispositivi sono comunemente noti come caricatori di bordo (OBC). Essi richiedono una tensione monofase da 120 V CA in grado di erogare fino a 16 A (<2 kw).="" ipotizzando="" che="" si="" utilizzi="" una="" presa="" domestica,="" una="" batteria="" da="" 35="" kwh="" richiederebbe="" molto="" più="" di="" mezza="" giornata="" per="" caricarsi="" completamente="" da="">
Figura 1: le opzioni di ricarica plug-in HEV e BEV sono suddivise in caricatori CA di bordo e caricatori CC esterni
Le soluzioni di livello 2 si basano su alimentatori bifase da 240 V CA in grado di erogare fino a 80 A (< 20="" kw).="" esse="" richiedono="" l'accesso="" a="" stazioni="" di="" ricarica="" dedicate,="" ma="" riduce="" i="" tempi="" di="" ricarica="" a="" circa="" sei="">
Per fornire livelli di alimentazione superiori è necessario passare alla ricarica CC. Qui la corrente alternata in ingresso viene convertita in corrente continua in una soluzione stazionaria, detta "pila di ricarica", che nel design ricorda una pompa di carburante, che eroga fino a 1.000 VCC a 400 A (max 400 kW). Con questi livelli di energia, la capacità del sistema batteria di accettare la carica disponibile diventa il fattore limitante, quindi un'auto familiare di medie dimensioni potrebbe caricarsi a 50 kW e raggiungere un'autonomia di 144 km ogni mezz'ora.
Tutti questi approcci standardizzati sono previsti sia nello standard SAE J1772, "SAE Electric Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler", che nello standard SAE J3068 "Electric Vehicle Power Transfer System Using a Three-Phase Capable Coupler" che si riferisce al Nord America. Quest'ultimo standard definisce anche il "J Plug", il connettore elettrico utilizzato in questo mercato.
Naturalmente, i fornitori di soluzioni di ricarica preferirebbero avere un'unica specifica in base alla quale progettare, costruire e testare i caricatori BEV. Questa specifica dovrebbe includere non solo le tensioni e le correnti supportate, ma anche i connettori e le interfacce di comunicazione per rilevare il fabbisogno della batteria del veicolo e semplificare la fatturazione.
Per soddisfare questa esigenza, le specifiche CSS (Combined Charging System) dell'iniziativa CharIN e.V., uno standard aperto che incoraggia un sistema di ricarica universale a livello mondiale, comprende entrambi i metodi di ricarica, CC e CA. Sono inclusi tutti gli standard esistenti, quelli sopra menzionati e gli standard IEC 61851 e IEC 62196. Ciò ha portato anche alla standardizzazione dei connettori utilizzati. Il Nord America si è coalizzato attorno al sistema Tipo 1 e Combo 1, mentre l'Europa ha scelto il sistema Tipo 2 e Combo 2, con il gruppo spina/presa che fornisce solo CA/CC, rispettivamente.
Lo standard CSS è ancora in fase di sviluppo attivo e la relativa organizzazione interpella gli utenti riguardo ad argomenti come la ricarica wireless, la ricarica ad alta potenza per veicoli commerciali (HPCCV) e i dispositivi di connessione automatizzata (ACD) per le soluzioni di connessione sottoscocca.
Altre regioni e fornitori hanno adottato approcci diversi. I fornitori giapponesi di automobili hanno definito il loro sistema CHAdeMO, mentre GB/T è il sistema comunemente utilizzato in Cina. Alcune case automobilistiche dispongono di un sistema proprietario.
Implementazione della ricarica CC rapida
Per far sì che la ricarica del nostro veicolo elettrico a batteria sia fluida e semplice come il rifornimento dei nostri veicoli attuali, i caricatori CC veloci devono fornire quantità significative di energia. Di conseguenza, devono essere dotati anche di adeguate fonti di alimentazione trifase per poter raggiungere questo obiettivo. È probabile che questa classe di caricatori BEV dalle prestazioni più elevate sarà posizionata nelle stazioni di servizio autostradali, fornendo la ricarica rapida necessaria durante le tappe dei viaggi più lunghi. I BEV più performanti oggi sul mercato sono in grado di raggiungere l'80% di ricarica con un caricatore CC da 150 kW in soli 33 minuti (autonomia max di 420 km) e, considerato il limite massimo di 350 kW definito per questo tipo di caricatori, c'è margine per raggiungere velocità ancora più elevate.
Con questi livelli di energia, l'efficienza sarà fondamentale e le sfide non devono essere sottovalutate. Le perdite saranno significative non solo nel sistema elettrico, ma anche nel cavo tra la pila di ricarica e il veicolo. Potrebbe essere necessario anche il raffreddamento a liquido dal caricatore alla presa, un'ipotesi che dovrà essere valutata nella progettazione complessiva.
I caricatori rapidi CC vengono generalmente implementati in due modi, entrambi basati su uno stadio CA/CC seguito da un convertitore CC/CC. Il primo stadio accetta corrente alternata trifase in ingresso e la converte in una tensione continua fissa, intorno agli 800 V, mentre lo stadio di conversione CC/CC configura la corrente in uscita in modo da soddisfare le esigenze della batteria integrata nel veicolo. Nel secondo approccio, nello stadio CA/CC viene stabilita la tensione ideale richiesta dal veicolo per generare una corrente CC variabile in uscita, che viene utilizzata dal convertitore CC/CC (Figura 2). È opinione diffusa che nessuno dei due approcci fornisca un chiaro vantaggio rispetto all'altro; il punto fondamentale, invece, è l'implementazione di ogni fase, con particolare attenzione alla massima efficienza. L'unità di ricarica completa sarà composta da diverse sottounità che, combinate, forniranno la corrente di ricarica desiderata. Questo approccio facilita la costruzione, garantisce che la pila di ricarica continui a funzionare se una sottounità dovesse guastarsi e semplifica le riparazioni e gli aggiornamenti.
Figura 2: architettura di un caricatore CC veloce con connessione CC a tensione fissa o variabile
Per lo stadio CA/CC è possibile prendere in considerazione una serie di topologie che assicurano un'efficienza maggiore, ma il raddrizzatore Vienna per il raddrizzamento e la correzione del fattore di potenza (PFC) è il principale candidato. Se necessario, può anche generare una tensione d'uscita variabile. Il design è robusto, anche in caso di guasto, e in grado di assicurare la tensione d'uscita anche in caso di perdita di una fase. In caso di guasto del circuito di controllo della commutazione, il rischio che si verifichi un cortocircuito è nullo. Il design a modulazione in ampiezza di impulso (PWM) a tre livelli può essere implementato con due diodi nel percorso in ingresso (Tipo 1) o con un diodo singolo (Tipo 2).
L'approccio di Tipo 1 richiede solo dispositivi da 650 V, con un costo complessivo inferiore degli interruttori selezionati ma la presenza di due diodi nel percorso di corrente principale compromette il raggiungimento della massima efficienza possibile. In confronto, il design di Tipo 2 può raggiungere un'efficienza più elevata grazie al design a diodo singolo, ma richiede l'utilizzo di diodi con capacità di 1.200 V (Figura 3). Ciò potrebbe rendere obbligata la scelta della tecnologia a carburo di silicio (SiC), con ricadute sul costo complessivo.
Figura 3: il raddrizzatore Vienna è noto per l'efficienza e la robustezza elevate come raddrizzatore PFC e CA
Nella progettazione di Tipo 2, un diodo come STBR6012W è altamente indicato. Un dispositivo in silicio (Si), supporta una tensione ripetitiva inversa (VRRM) di 1.200 V e una corrente diretta media (IF(AV)) di 60 A. Fornito in un package ECOPACK™ per soddisfare i requisiti ambientali, il profilo del DO-247 è facile da adattare sia nei progetti con raffreddamento passivo che in quelli con raffreddamento attivo. Potrebbe essere preso in considerazione anche il diodo Schottky di potenza SiC STPSC40H12C da 1.200 V. Alloggiato in un package TO-247 LL, fornisce una IF(AV) di 2 x 20 A. Grazie alla stabilità del SiC rispetto alla temperatura, le proprietà di commutazione rimangono perlopiù costanti, mentre l'elevata capacità di picco diretto è ideale durante le fasi transitorie.
Gli interruttori possono essere implementati utilizzando la serie HB di IGBT ad alta velocità (STGW40H65DFB-4), che assicura una commutazione più rapida grazie a un pin Kelvin che separa il percorso di alimentazione dal segnale di pilotaggio. In alternativa, è possibile usare la tecnologia dei MOSFET di potenza della serie M5 da 650 V basati su MDmesh™. Questo innovativo processo verticale riduce la resistenza in conduzione, l'ideale per l'alta potenza, e punta all'elevata efficienza necessaria. Infine, i MOSFET di potenza SiC da 650 V, come il SCTW90N65G2V-4, con 18 mΩ RDS(on), possono gestire tranquillamente 90 A di corrente di scarica a 100 °C.
Queste opzioni possono fornire efficienze di picco fino al 99,4% a frequenze di commutazione di 20 kHz (simulate a 125 °C, perdite solo nei semiconduttori), superando di poco l'approccio Vienna di Tipo 1 grazie al diodo singolo nel percorso di corrente principale (Figura 4).
Figura 4: le simulazioni mostrano che i MOSFET SiC forniscono la massima efficienza nel design Vienna di Tipo 2.
Altri approcci includono l'uso di tre booster PFC monofase o un progetto PFC Totem Pole (Figura 5). Il booster monofase è una soluzione elegante nella sua semplicità ed è in grado di raggiungere un'efficienza >98% a 1.200 W per un ingresso da 230 V CA. La corrente alternata in ingresso viene raddrizzata tramite un raddrizzatore (STBRxx12W) o dei tiristori (SCR), alimentando un interruttore, un induttore e un diodo. I MOSFET e i diodi SiC forniscono la combinazione ottimale, erogando la tensione d'esercizio di 1.200 V necessaria per le elevate tensioni del collegamento CC richieste. Il controllo può essere implementato tramite un controller PFC in modalità corrente continua (STNRGPF01) o, se sono necessarie maggiori informazioni, un microcontroller STM32.
Più esigente dal punto di vista del controllo, il Totem Pole PFC richiede un microcontroller, soprattutto quando l'implementazione prevede un MOSFET o un SCR anziché i soli diodi. L'MCU (STM32 o SPC58) può essere combinata con un STGAP2S, un driver gate singolo rail-to-rail con capacità di 4 A e un ritardo di propagazione di 80 ns, che consente un'elevata precisione di controllo PWM. Funge inoltre da morsetto Miller per prevenire picchi di gate durante le commutazioni veloci.
Figura 5: approcci alternativi per lo stadio CA/CC includono un Booster PFC (a sinistra) e variazioni del Totem Pole PFC (a destra - SCR senza relè)
Lo stadio CC/CC
La tensione della connessione CC viene trasmessa allo stadio CC/CC. Si potrebbe prendere in considerazione l'uso di un convertitore LLC risonante. L'implementazione aggiuntiva della commutazione a tensione zero (ZVS) aumenta la ben nota efficienza superiore di questo componente e offrono un'elevata densità di potenza. Questo approccio supporta l'alimentazione variabile della connessione CC e integra uno degli induttori sul lato primario nel trasformatore che fornisce anche l'isolamento galvanico. Ciò consente di raggiungere normalmente tensioni della batteria comprese tra 200 V e 500 V.
In alternativa, si può prendere in considerazione un Dual Active Bridge (DAB) con LLC bidirezionale. Sempre più spesso, l'approccio Vehicle-to-Grid (V2G) o Vehicle-to-Building (V2B) viene pubblicizzato come modo per utilizzare la massa in sospeso delle batterie BEV per integrare la rete elettrica durante i periodi di picco di utilizzo o di interruzione di corrente. Questa topologia ha più senso nei caricatori CC di media potenza, usati per la ricarica dei veicoli BEV nei parcheggi nel corso della giornata.
Anche gli MCU precedentemente menzionati (STM32 o SPC58) e i dispositivi driver isolati sono adatti per il controllo del sistema e come driver di commutazione. Grazie al basso RDS(on), i MOSFET SiC, da 600 V o 1.200 V a seconda della tensione d'uscita desiderata, si prestano a un utilizzo per questo stadio CC/CC, essendo robusti e adatti a progetti compatti. L'LLC risonante può quindi utilizzare diodi SiC da 1.200 V in una configurazione ZVS o diodi di recupero morbidi ultraveloci da 600 V, come l'STTH30RQ06 che fornisce una capacità di temperatura di giunzione elevata, oltre a una corrente inversa e una resistenza termica basse.
STMicroelectronics sta sviluppando una scheda di valutazione del caricatore da 7 kW impilabile con altre due schede con lo stesso design per presentare una soluzione di ricarica CC da 21 kW (Figura 6). Questo particolare progetto si basa su un PFC Totem Pole interfogliato, che integra un MOSFET SiC, e un convertitore CC/CC LLC a ponte intero interfogliato, che integra MOSFET al silicio super junction da 650 V (Figura 7). Poiché la ricarica integrata è considerata una delle applicazioni target, la scheda include un microcontroller ad alte prestazioni SPC58 N Line idoneo per il settore automobilistico. Oltre ad essere progettato per soddisfare il livello di sicurezza ASIL-D, che lo rende ideale per le applicazioni BEV, questo componente supporta un'ampia gamma di interfacce di rete per il settore automobilistico. Il modulo di sicurezza hardware (HSM, Hardware Security Module) di bordo potrebbe essere utilizzato anche per fornire protezione e sicurezza per gli aggiornamenti Over-the-Air (OTA) o perfino per il sistema di fatturazione delle pile di ricarica.
Figura 6: il modulo caricatore integrato da 7 kW dimostra la capacità delle tecnologie dei MOSFET, driver, tiristori e microcontroller SPC58 SiC e al silicio
Figura 7: schema del progetto del caricatore di bordo da 7 kW, che integra un PFC e un LLC FB interfogliato
La tecnologia alla base dei BEV sta diventando matura, ma c'è ancora qualche resistenza da parte dei consumatori a causa dei tempi di ricarica e della percepita mancanza di infrastrutture. Organizzazioni come CharIN stanno riunendo importanti esperti del settore per garantire la definizione di standard e che il maggior numero possibile di Paesi li sottoscriva. Ciò contribuirà al raggiungimento di dimensioni di mercato per le soluzioni di ricarica dei BEV sufficientemente grandi da realizzare economie di scala. Nello stesso tempo, i progressi nella progettazione dei MOSFET, insieme all'introduzione della tecnologia SiC sia per gli interruttori che per i diodi, consentono agli ingegneri di progetto di progettare e implementare le soluzioni di ricarica rapida CC di cui l'industria automobilistica ha bisogno, garantendo i massimi livelli possibili di efficienza per soddisfare le specifiche più esigenti. Partner come STMicroelectronics non forniscono solo i componenti elettronici all'avanguardia necessari, ma, attraverso i propri comitati di valutazione, assicurano il know-how e la conoscenza tecnica che sono così indispensabili per questa interessante tecnologia per il settore automobilistico.