Il trasporto su strada rappresenta quasi un quinto delle emissioni globali di CO2 e questo rende la mobilità elettrica, che comunemente indica l'uso di veicoli elettrici per i trasporti, un contesto tecnologico critico. Con l'ansia da autonomia sempre più protagonista sulla scena della mobilità elettrica, gli ingegneri hanno rivolto la loro attenzione ai principali elementi costitutivi dell'infrastruttura di ricarica per i veicoli elettrici: sistemi di ricarica integrati (OBC), convertitori CC/CC e caricabatterie CC veloci.
Innanzitutto, la mobilità elettrica ha dovuto fronteggiare la ricarica come una delle sue principali sfide, insieme all'accumulo di corrente e ai costi. I veicoli elettrici di prima generazione erano dotati della forma di ricarica più lenta, con 3,7 kW di potenza, che richiedevano almeno otto ore per caricare un gruppo batterie da 25 kWh. Tuttavia, con i progressi tecnologici, la potenza nominale è stata aumentata a 6,6-22 kW per consentire una ricarica CA rapida.
Un altro cambiamento notevole nell'infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici riguarda l'aumento della tensione della batteria da 400 V a 800 V, guidato da Porsche, Hyundai e altre case automobilistiche. Di conseguenza, anche la tensione del caricabatterie aumenta da 500 V a 1.000 V e i caricabatterie stanno iniziando a utilizzare componenti con potenza nominale pari a 1.200 V.
Nei progetti di veicoli elettrici e ibridi che stanno rapidamente emergendo, i cambiamenti descritti avranno un impatto significativo sulla selezione di componenti quali transistor bipolari a gate isolato (IGBT), gate driver ad alta tensione, raddrizzatori a supergiunzione, MOSFET ad alta tensione e convertitori CC/CC ad alta tensione.
Questo articolo fornirà un'anteprima delle esigenze attuali e future dell'infrastruttura di ricarica per veicoli elettrici per quanto riguarda semiconduttori di potenza, microcontroller e componenti dei driver.
Sistemi di ricarica integrati
Un sistema di ricarica integrato (OBC) gestisce la ricarica quando un veicolo elettrico si collega a una stazione di ricarica tramite un apposito cavo. Questo dispositivo svolge l'importantissima funzione di caricare i gruppi batterie CC ad alta tensione presenti nei veicoli elettrici prelevando la corrente da una rete elettrica. Si tratta di un dispositivo convertitore simile agli inverter di trazione, ma che fa l'operazione contraria rispetto a tali inverter e converte la corrente alternata fornita della rete in corrente continua adatta alla batteria.
L'OBC converte la tensione di alimentazione CA della rete al livello di tensione CC richiesto dai gruppi batteria del veicolo elettrico. (Fonte: Wolfspeed)
Il design di un OBC include due blocchi principali: un front-end attivo (AFE) per la conversione CA-CC e un convertitore CC-CC. L'AFE ottiene corrente monofase o trifase dalla rete e la emette a tensioni intermedie di corrente continua, convertite nella tensione richiesta per la ricarica rapida delle batterie dei veicoli elettrici.
Il tempo di ricarica, cioè il tempo necessario per la ricarica completa di un veicolo elettrico, dipende in gran parte dalla potenza nominale dell'OBC. Non sorprende, quindi, che gli OBC siano diventati un punto cruciale della progettazione per decidere il tempo di ricarica in base alle specifiche offerte dagli OEM. A tale riguardo, una nuova generazione di semiconduttori di potenza consente ricariche significativamente più veloci rispetto a prima.
Inoltre, esistono OBC bidirezionali che possono contribuire ad alimentare la rete elettrica quando necessario. Un OBC bidirezionale, che trasferisce la corrente avanti e indietro in modo efficiente con perdite minime, è in grado di bilanciare l'alta densità con un'efficienza elevata e fornire un'ampia gamma di tensione d'uscita, sia in fase di caricamento che di scaricamento.
La carica bidirezionale è esattamente ciò che suggerisce il nome: elettricità che scorre in entrambe le direzioni. (Fonte: Wallbox)
Dalla ricarica CA alla ricarica rapida CC
La maggior parte delle stazioni di ricarica attualmente utilizza l'alimentazione CA a causa delle scarse barriere tecniche, dei costi minimi e della forte adattabilità, soprattutto in ambienti residenziali, uffici e spazi commerciali. Tuttavia, man mano che la tecnologia di ricarica progredisce, i punti di ricarica CC efficienti diventano gradualmente più comuni sulle autostrade e presso le stazioni di ricarica pubbliche, dove i conducenti di veicoli elettrici non hanno molto tempo per ricaricare l'auto.
Le soluzioni di ricarica CC si stanno facendo strada persino tra i sistemi di ricarica domestici, offrendo nuove possibilità agli utenti, poiché consentono sia la ricarica rapida che la carica bidirezionale. Questi caricabatterie bypassano l'OBC integrato nei veicoli elettrici e forniscono direttamente una carica CC rapida alla batteria.
Per la ricarica rapida CC, mentre lo standard una volta era di 150 kW, ora esistono dispositivi con capacità pari a 350 kW e oltre. È probabile che questi miglioramenti continuino ad aumentare la capacità delle stazioni di ricarica rapida CC. Di conseguenza, i veicoli elettrici saranno in grado di ricaricarsi più velocemente e questo fatto, a sua volta, contribuirà a garantire che i caricabatterie non siano più il problema da risolvere per portare più veicoli elettrici sulle strade. Inoltre, poiché i caricabatterie rapidi CC consentono livelli di corrente più elevati, le stazioni di ricarica potranno utilizzare svariati punti di ricarica, in modo che sia possibile caricare contemporaneamente più veicoli.
Nei progetti dei caricatori rapidi CC, uno degli obiettivi principali è ridurre i tempi di ricarica ottimizzando al contempo l'efficienza del sistema e ciò rende i requisiti di gamma di tensione e di carico considerazioni chiave della progettazione nella selezione dei componenti. In altre parole, la densità di potenza e l'efficienza del sistema sono fondamentali sia per i componenti di alimentazione che per i moduli utilizzati nei caricabatterie rapidi CC.
Si prenda il caso di WolfPACK, il modulo di potenza di Wolfspeed costruito su MOSFET al carburo di silicio (SiC) da 1.200 V. Pur servendo applicazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici, mira a massimizzare la densità di potenza e l'efficienza, nonché a ridurre il fattore di forma del prodotto e la complessità del progetto.
I dispositivi SiC sono il nucleo del modulo di potenza WolfPACK. (Fonte: Wolfspeed)
Inoltre, poiché ogni interruttore ha bisogno di un driver e ogni driver deve essere controllato, i microcontroller svolgono un ruolo importante nel monitoraggio di temperatura e tensione nei progetti per la ricarica dei veicoli elettrici. Questi MCU lavorano insieme a gate driver e dispositivi di alimentazione per aumentare l'efficienza di ricarica.
Ricarica super veloce per veicoli elettrici
È evidente che le stazioni di ricarica per veicoli elettrici sono ora una parte fondamentale dell'infrastruttura della mobilità elettrica. Sebbene ci sia chiaramente molto entusiasmo per i dispositivi SiC, i progettisti di sistemi di ricarica per veicoli elettrici possono ancora utilizzare MOSFET al silicio da 650 V per lo stadio CC/CC principale, anziché i costosi dispositivi SiC da 1.200 V per molte applicazioni di ricarica EV. Inoltre, è importante notare che gli IGBT, come il dispositivo IKW75N65EH5XKSA1 di Infineon, rappresentano ancora delle soluzioni valide, soprattutto grazie ai vantaggi che assicurano in termini di costi.
Tuttavia, i MOSFET SiC da 1.200 V come il dispositivo FF8MR12W2M1B11BOMA1 di Infineon sono ottimizzati per i progetti di ricarica EV. Si aggiunga a questo mix i diodi Schottky basati su SiC come IDWD20G120C5XKSA1 e il carburo di silicio sarà alla base di tutta la roadmap di progettazione dell'infrastruttura di ricarica per veicoli elettrici.
Allo stesso modo, i MOSFET SiC e i diodi Schottky di Wolfspeed, ad esempio le soluzioni C2M0160120D e E3D20065D rispettivamente, sono stati progettati e ottimizzati per applicazioni ad alta tensione come la ricarica EV e i convertitori CC/CC. Questi semiconduttori di potenza si adattano bene al passaggio dalla rete Supercharger da 400 V di Tesla all'implementazione della ricarica rapida da 800 V CC di Porsche Taycan, Kia EV6 e Hummer EV di General Motors. Il produttore di veicoli elettrici di lusso Lucid è persino andato oltre tale livello con la sua architettura da 900 V.
Questo aumento della tensione della batteria ha chiaramente favorito i componenti SiC e spiega anche perché l'infrastruttura di ricarica EV, in particolare la tecnologia dei sistemi di ricarica CC, si sta evolvendo rapidamente.
Il più grande ostacolo alla mobilità elettrica, l'ansia del conducente, è intrinsecamente legato all'infrastruttura di ricarica EV. Pertanto, le innovazioni progettuali in questo campo, come la ricarica super veloce di veicoli elettrici che si traduce in tempi di ricarica più brevi, porteranno inevitabilmente a maggiori vendite e adozioni di veicoli elettrici. I componenti e gli elementi costitutivi di questi progetti sono comunque presenti.