Analisi dell'architettura di ricarica dei veicoli elettrici e delle soluzioni di protezione di sicurezza

Il mercato globale delle applicazioni per la ricarica di veicoli elettrici sta vivendo una crescita esponenziale

Per sostenere gli obiettivi di neutralità carbonica ambientale di vari governi, il mercato globale delle applicazioni per la ricarica di veicoli elettrici sta attualmente registrando una crescita esponenziale, con un aumento previsto del 33% per i caricabatterie da 250kW e 350kW. Le applicazioni di ricarica per veicoli elettrici hanno requisiti tecnici specifici, come la necessità di una capacità di isolamento ultra-bassa, tipicamente inferiore a 5pF, preferibilmente 3pF. Inoltre, i progetti devono tenere conto dei requisiti di immunità ai transienti in modalità comune (CMTI). Con l'aumento continuo della frequenza di commutazione, la nuova generazione di carburo di silicio (SiC) necessita ora di livelli più elevati di immunità al dV/dt. Per quanto riguarda la scarica parziale, SiC deve essere in grado di sostenere 1200V, mentre alcune applicazioni potrebbero persino aumentare fino a 1500V.

Inoltre, con l'ampia diffusione dei veicoli elettrici, la tecnologia di ricarica rapida ha migliorato significativamente. Ad esempio, la tecnologia di Ricarica Rapida a Corrente Continua (DCFC) può ricaricare completamente una batteria in un breve periodo di tempo, migliorando la comodità e l'esperienza dell'utente.

Pertanto, la ricerca e l'applicazione di tecnologie di batterie ad alta efficienza sono fondamentali. Ad esempio, l'emergere di nuove tecnologie di batterie come le batterie al litio e le batterie allo stato solido ha migliorato significativamente la densità energetica e l'efficienza di ricarica/scarica.

Per attirare un maggior numero di consumatori all'acquisto di veicoli elettrici e cogliere le opportunità offerte dal mercato delle stazioni di ricarica, i governi e le aziende stanno aumentando gli investimenti nelle infrastrutture di ricarica. Questo include l'espansione del numero di stazioni di ricarica e colonnine di ricarica per rispondere alla crescente domanda di veicoli elettrici. Inoltre, l'applicazione di sistemi di gestione della ricarica intelligente sta diventando sempre più diffusa, consentendo la massimizzazione dell'efficienza di ricarica e la gestione intelligente delle apparecchiature di ricarica.

Con lo sviluppo e l'applicazione delle energie rinnovabili, i sistemi di ricarica per veicoli elettrici stanno iniziando a integrare fonti di energia rinnovabile, come le stazioni di ricarica solare e le strutture di ricarica a energia eolica, riducendo ulteriormente le emissioni di carbonio nel processo di ricarica. Inoltre, la tecnologia di ricarica wireless rappresenta una direzione di sviluppo importante per il futuro. Attraverso sensori e campi elettromagnetici, è possibile ricaricare i veicoli elettrici senza la necessità di connettere fisicamente un cavo, migliorando la comodità per l'utente e la sicurezza durante il processo di ricarica.

Un'architettura completa per la ricarica di veicoli elettrici garantisce una ricarica rapida e sicura

L'architettura tecnologica per la ricarica dei veicoli elettrici (EV) comprende diversi componenti e tecnologie chiave, tra cui il caricatore, il sistema di controllo della ricarica, l'interfaccia di ricarica, la rete di ricarica, i sistemi intelligenti e la protezione di sicurezza per le apparecchiature di ricarica. Questi componenti lavorano insieme per garantire che la ricarica dei veicoli elettrici sia efficiente, efficace e sicura.

Il caricabatterie è il dispositivo che converte l'energia elettrica AC in energia elettrica DC per ricaricare la batteria del veicolo elettrico. I tipi di caricabatterie includono caricabatterie domestici, stazioni di ricarica pubbliche, caricabatterie rapidi e caricabatterie integrati. I caricabatterie domestici sono generalmente utilizzati nelle abitazioni o luoghi di lavoro, con livelli di potenza più bassi e velocità di ricarica più lente. Le stazioni di ricarica pubbliche si trovano in luoghi pubblici o aree commerciali per un uso generale. I caricabatterie rapidi hanno una potenza di uscita più elevata, permettendo una ricarica veloce per migliorare l'efficienza e la comodità. I caricabatterie integrati sono installati all'interno dei veicoli per caricare la batteria o i dispositivi elettronici interni.

Il sistema di controllo della ricarica gestisce la corrente e la tensione durante il processo di ricarica per garantire una ricarica sicura e il normale funzionamento della batteria del veicolo elettrico (EV). Monitora la temperatura, la tensione e la corrente della batteria e regola la velocità di ricarica secondo necessità per prevenire il sovraccarico o la scarica.

L'interfaccia di ricarica è il punto di connessione tra il veicolo elettrico e l'apparecchiatura di ricarica, solitamente situato sulla carrozzeria del veicolo o sulla presa di ricarica. Le interfacce di ricarica comuni includono Tipo 1, Tipo 2, CHAdeMO, CCS e altri standard, che possono variare in base alla regione e al tipo di veicolo.

La rete di ricarica comprende stazioni di ricarica, punti di ricarica e sistemi di gestione della ricarica, formando l'intera infrastruttura di ricarica. I sistemi intelligenti utilizzano la connessione Internet, il software e i sensori per consentire una gestione intelligente, il monitoraggio remoto e i servizi per gli utenti, migliorando l'efficienza e la comodità del sistema di ricarica.

Le apparecchiature di ricarica sono generalmente dotate di funzioni di protezione di sicurezza, come la protezione da sovracorrente, la protezione da sovratensione e la protezione da surriscaldamento, per garantire sicurezza e affidabilità durante il processo di ricarica. I sistemi di ricarica dei veicoli elettrici spesso includono progetti per l'impermeabilità, la resistenza alla polvere e la prevenzione degli incendi, al fine di soddisfare esigenze diversificate in ambienti e scenari differenti.

Questi componenti e tecnologie formano collettivamente l'architettura tecnica per la ricarica dei veicoli elettrici, fornendo l'infrastruttura e la garanzia di sicurezza necessarie per la ricarica dei veicoli elettrici. 

Garantire la sicurezza e l'affidabilità della ricarica dei veicoli elettrici è importante

Durante il processo di ricarica, è necessario considerare e affrontare diversi aspetti critici dell'architettura di sicurezza e protezione, tra cui la sicurezza dell'apparecchiatura di ricarica, la protezione della batteria, la progettazione per prevenire incendi ed esplosioni, i metodi di ricarica adeguati, l'ambiente di ricarica e le procedure operative, al fine di garantire la sicurezza e l'affidabilità del processo di ricarica.

Per quanto riguarda la sicurezza delle apparecchiature di ricarica, è essenziale utilizzare dispositivi di ricarica qualificati e certificati, evitando apparecchiature danneggiate o non autorizzate per garantire la sicurezza del processo di ricarica. Ispezioni e manutenzioni regolari delle apparecchiature di ricarica sono inoltre fondamentali per assicurare il corretto funzionamento e le prestazioni di sicurezza, come il controllo dello stato delle stazioni di ricarica, dei cavi di ricarica e delle interfacce.

La protezione della sicurezza della batteria è anche fondamentale. Durante il processo di ricarica, è importante garantire che la temperatura e la tensione della batteria rimangano entro intervalli sicuri, evitando il surriscaldamento, il raffreddamento eccessivo, la sovraccarica o la scarica eccessiva. Utilizzare apparecchiature di ricarica dotate di Sistemi di Gestione della Batteria (BMS) è essenziale, poiché questi possono monitorare e regolare la corrente e la tensione durante la ricarica, assicurando sicurezza e longevità della batteria.

Inoltre, l'attrezzatura di ricarica dovrebbe integrare progetti di prevenzione contro incendi ed esplosioni, come protezioni contro cortocircuiti, sovraccarichi e sovratensioni, per ridurre il rischio di incendi ed esplosioni. L'utilizzo di materiali resistenti al fuoco e antideflagranti, insieme a progetti strutturali adeguati, aumenta anche la sicurezza e l'affidabilità dell'attrezzatura di ricarica.

Inoltre, è fondamentale scegliere il metodo di ricarica e l'attrezzatura di ricarica appropriati in base al modello e alle specifiche del veicolo elettrico per evitare problemi di sicurezza causati da metodi di ricarica impropri. Si dovrebbe evitare la ricarica ad alta velocità a lungo termine o lo scarico eccessivo per garantire la sicurezza e la durata della batteria.

During the charging process, it's important to ensure that both the charging equipment and battery are in a safe environment, avoiding damp, high-temperature conditions, or charging in areas with explosion risks. When operating charging equipment, it's essential to stay focused and follow operational guidelines to prevent safety hazards due to operational errors or improper handling.

Convertitore DC-DC per circuiti di pilotaggio di gate nei caricabatterie per veicoli elettrici

Murata ha introdotto una gamma di convertitori DC-DC driver di gate specificamente progettati per circuiti driver di gate, spesso utilizzati in soluzioni di energia rinnovabile, controllo del movimento, mobilità e sanità. Questi prodotti presentano una capacità di isolamento ultra-bassa di 3pF, tensioni di uscita doppie ottimizzate per driver di gate IGBT/SiC e MOS, con una tensione massima di supporto del collegamento DC di 3KV. Offrono un'elevata affidabilità contro le scariche parziali e un'alta immunità alle interferenze dv/dt, fino a 80kV/µS a 1.6kV. I principali prodotti adatti alle applicazioni di ricarica per veicoli elettrici includono le serie MGJ1 SIP, MGJ2B, MGJ1/MGJ2, MGJ3/MGJ6, NXE e NXJ.

La nuova serie di convertitori DC-DC MGJ1 SIP e MGJ2B di Murata è ideale per alimentare circuiti di comando gate "high-side" e "low-side" per IGBT/MOSFET, SiC e GaN nei circuiti a ponte. La scelta di tensioni di uscita asimmetriche consente livelli di comando ottimali, ottenendo così massima efficienza del sistema e controllo EMI. Le serie MGJ1 SIP e MGJ2B si distinguono per il rispetto dei requisiti di alta isolazione e dv/dt, tipici nei circuiti a ponte utilizzati nei drive motore e negli inverter. Le loro elevate prestazioni in termini di temperatura operativa e la struttura robusta garantiscono una durata prolungata e un’affidabilità superiore.

Le serie MGJ1 SIP e MGJ2B presentano entrambe una tensione di barriera continua di 2,4kV, insieme a distanze di fuga e isolamento di 6mm. La tensione di uscita ottimizzata è progettata per soddisfare i requisiti dei principali dispositivi IGBT/SiC e MOSFET. La serie MGJ1 SIP supporta un isolamento rinforzato con una valutazione di 300Vrms e 1W di potenza, mentre la serie MGJ2B supporta un isolamento rinforzato con una valutazione di 300Vrms e 2W di potenza.

Sia la serie MGJ1 SIP che la serie MGJ2B offrono tensioni di uscita bipolare ottimizzate per i driver di gate IGBT/MOSFET, SiC e GaN. L'isolamento rinforzato soddisfa l'approvazione UL62368-1, anche se la conformità con standard come ANSI/AAMI ES60601-1, 1 MOPP/2 MOOP, è ancora in sospeso. La serie MGJ1 SIP viene sottoposta a test di tenuta con una tensione di isolamento di 5,2kVDC, mentre la serie MGJ2B viene testata con una tensione di isolamento di 5,4kVDC. Entrambe le serie sono caratterizzate da una capacità di isolamento ultra-bassa e supportano tensioni di ingresso di 5V, 12V, 15V e 24V.

La serie MGJ1 SIP offre opzioni di uscita come +6V/-3V, +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-9V, +18V/-2.5V e +20V/-5V. La serie MGJ2B offre opzioni di uscita che includono +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +15V/-15V, +17V/-9V, +18V/-2.5V, +18V/-5V3, +20V/-3.5V e +20V/-5V. Entrambe le serie operano a temperature fino a 105°C, con un'Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMTI) superiore a 200kV/µS. Supportano inoltre una tensione di isolamento continua della barriera di 2,4kVDC e presentano caratteristiche di prestazioni contro le scariche parziali, utilizzando fattori di forma in pacchetti SIP.

Conclusione

La sicurezza della ricarica dei veicoli elettrici è un aspetto fondamentale per garantire il normale funzionamento dei veicoli elettrici e la sicurezza degli utenti. Richiede una considerazione completa della sicurezza delle attrezzature di ricarica, della gestione della batteria, della progettazione per la prevenzione di incendi ed esplosioni, e delle corrette operazioni di ricarica. Affrontare efficacemente questi aspetti può migliorare la sicurezza e l’affidabilità del processo di ricarica. L'architettura e il sistema di protezione della sicurezza della ricarica dei veicoli elettrici descritti in questo articolo possono essere implementati utilizzando una serie di convertitori DC-DC di Murata.