Soluzioni complete di ricarica rapida DC ad alta potenza

La ricarica rapida in Corrente Continua (DC) consente di caricare le batterie a livelli di potenza più elevati, offrendo vantaggi come una maggiore velocità di ricarica, minori perdite e maggiore efficienza. Può supportare batterie di grande capacità, migliorando l'usabilità e la comodità dei veicoli elettrici (EV). Con la crescente popolarità e sviluppo dei veicoli elettrici, la ricarica rapida in DC è diventata la tecnologia dominante nelle attuali applicazioni di ricarica per EV, promettendo un promettente sviluppo di mercato. Questo articolo introdurrà le tendenze dello sviluppo applicativo nella ricarica DC e le soluzioni correlate introdotte da Arrow Electronics in collaborazione con partner come Infineon, ST e altri.

Le prospettive globali per la ricarica rapida DC sono promettenti

L'analisi di mercato indica che entro il 2034 i caricabatterie rapidi DC occuperanno una quota del 33% del mercato delle stazioni di ricarica pubbliche. Negli Stati Uniti, ad esempio, il Bipartisan Infrastructure Law include un programma nazionale per le infrastrutture dei veicoli elettrici (NEVI) da 5 miliardi di dollari distribuito su cinque anni.   In Europa, Medio Oriente e Africa (EMEA), l'obiettivo è stabilire 3,5 milioni di punti di ricarica entro il 2030, con investimenti approvati di 15 miliardi di euro per infrastrutture di combustibili alternativi, inclusi impianti di ricarica rapida elettrica lungo una rete trans-europea.   Nella regione Asia-Pacifico, McKinsey stima che entro il 2030 il mercato ASEAN necessiterà di 95.000 punti di ricarica pubblici AC e 40.000 punti di ricarica DC, rappresentando un incremento di 30 volte rispetto ai numeri attuali, con la Cina che rappresenta oltre il 90% di questa quota di mercato.   Le applicazioni di ricarica DC copriranno intervalli di potenza tipici da 50 kW a 350 kW. A livello globale, il numero di caricabatterie DC ha raggiunto 868.000 nel 2023, con un aumento di oltre il 60% rispetto ai 330.000 del 2022. Secondo la roadmap per il 2030, si prevede che negli Stati Uniti ci saranno 500.000 caricabatterie rapidi, mentre nell'UE ci saranno 3,5 milioni di punti di ricarica, indicando un potenziale di crescita significativo del mercato.

Soluzioni complete per caricabatterie per veicoli elettrici da 30kW

eInfochips, una sussidiaria di Arrow, è ottimista riguardo allo sviluppo del mercato della ricarica rapida DC e ha lanciato una soluzione completa per il caricatore per veicoli elettrici da 30kW. Il design del caricatore rapido DC di eInfochips è un caricatore DC intelligente, connesso e pronto per il futuro.
 
Il caricatore DC di eInfochips è dotato di un ampio display HMI da 10 pollici (luminosità di 1000 nits) in grado di inviare notifiche tramite LED e altoparlante. I LED possono indicare lo stato di alimentazione, i guasti e lo stato di ricarica, e include un'uscita altoparlante da 3W per le notifiche agli utenti. La gestione remota è supportata grazie a EVWER (proprietà intellettuale di eInfochips). Il caricatore supporta gli standard di ricarica CCS1/CCS2, integra un sistema di misurazione dell’energia a ingombro ultra-compatto ed è compatibile con gli standard OCPP 1.6J/ISO15118 per applicazioni di ricarica intelligente/V2G. Include protezioni integrate per sovratensione, sovracorrente, sovratensioni e altri meccanismi di sicurezza del sistema, con una potenza nominale di 30 kW/60 A.
 
Il caricatore DC di eInfochips è modulare, composto da moduli di potenza e unità SECC. Supporta protezioni di ingresso come sovratensione/sottotensione, sovratemperatura, sovracorrente, guasti a terra, dispositivi RCD/CCID, corto circuito, sovratensione e arresto di emergenza. Le protezioni di uscita includono sovratemperatura, sovracorrente, alta tensione DC (ingresso/uscita), isolamento galvanico e protezione contro gli shock elettrici (monitor di isolamento DC). È dotato di interfacce di rete Gigabit Ethernet e Wi-Fi, supporta la comunicazione di rete OCPP 1.6J, ISO15118, IEC 61851-23, -24 comunicazioni con veicoli e l’interfaccia di ricarica CCS1/CCS2 con capacità di misurazione dell’energia.
 
Questa soluzione completa per la ricarica di veicoli elettrici include lo sviluppo software/piattaforma digitale per soluzioni cloud-agnostiche (Azure, AWS, GCP), implementazione di funzioni avanzate di ricarica, notifiche, avvisi push, reportistica e dashboard, oltre a capacità di aggregazione e analisi dei dati. Rispetta test pre-conformità e certificazioni (CE, FCC, UL, RoHS, REACH), supporta test funzionali, EDVT, test termici, test meccanici tra cui IP67, urti, lavaggi a pressione e radiazione UV, e include assicurazione qualità e automazione dei test.
 
Inoltre, questa soluzione per la ricarica di veicoli elettrici supporta anche lo sviluppo di applicazioni mobile/WebApp, basate su una piattaforma multi-tenant web-based che consente lo sviluppo di app mobili cross-platform Android/iOS. Include progettazione full-stack, UI/UX, analisi dell’app e supporto multilingue. Per quanto riguarda lo sviluppo di firmware, supporta lo sviluppo/personalizzazione/test BSP per sistemi operativi come Linux, RTOS e Android, abilitando applicazioni firmware, aggiornamenti OTA, cybersicurezza, driver dei dispositivi, HAL, middleware e librerie.
 
La soluzione offre inoltre servizi "Design-to-Manufacturing" Manufacturing as a Service (MaaS) come soluzioni complete, assistendo nella progettazione/manufacturing di assemblaggi, nella navigazione della catena di approvvigionamento e nella connessione a oltre 15 produttori su contratto. Il design hardware è conforme agli standard OCPP per il design di caricatori per veicoli elettrici, supportando progettazione embedded, industriale e meccanica, oltre a componenti/BoM, architettura, schemi PCB, layout, integrità del segnale, assemblaggio dei circuiti, design di prototipi, DFA/DFM e altre risorse. Inoltre, offre servizi di gestione, come gestione del ciclo di vita del prodotto, modernizzazione di asset legacy, supporto L1/L2/L3, NOC 24x7, gestione SLA, DevOps/CloudOps, ecc.

Supporto di soluzioni di ricarica DC per batterie ad alta potenza con tensione superiore ai 1200V

As electric vehicle battery voltages increase from 400V to 800V, the rated voltage rating of power devices is also increasing to 1200V and above to reduce the mass of copper wires and improve power density. To meet this demand, Infineon has introduced the EVAL-FFXMR20KM1HDR CoolSiC™; MOSFET 2kV 62 mm SiC MOS Half-Bridge Module Evaluation Board, which is a gate driver board designed to drive 62 mm modules in a half-bridge configuration using Infineon's latest CoolSiC™ MOSFET technology. It incorporates the compact gate driver 1ED3890MC12M and boost stage devices to enhance driver output power with reliability and fast controllability.
 
This half-bridge module evaluation board features a 62 mm, 2kV module with CoolSiC™ Trench MOSFET technology for optimized gate driving with separated source and sink gate connections. It utilizes the 1ED3890MC12M or 1ED3890MU12M (X3 digital) driver IC with I2C bus for parameter adjustments and supports hardware undervoltage lockout (UVLO) protection. Proper PCB design can limit PCB heating during operation, with features like Two-level turn-off (TLTO) with adjustable slopes, plateau time, and plateau level, and prevent negative voltage adjustment ranging from -5V to 0V. This device testing is plug-and-play and ready to use board solution, offering benefits such as high positive voltage adjustments for high switching frequencies, with PCB design to limit PCB heating during operation, suitable for applications in electric vehicle charging, photovoltaics, and uninterruptible power supplies (UPS), among others.
 
The EiceDRIVER™ 1ED38x0Mc12M Enhanced used in this evaluation board is a single-channel 5.7 kV (rms) isolated gate driver IC with I2C configurability, suitable for DESAT, soft-off, UVLO, Miller clamp, and optional two-level turn-off. This gate driver supports 650 V, 1200 V, 1700 V, 2300 V IGBT, SiC, and Si MOSFETs.
 
The gate driver supports a 40 V absolute maximum output supply voltage and typical peak output currents of ±3 A, ±6 A, and ±9 A for sourcing and sinking, suitable for hard-switching or optional two-level turn-off and active Miller clamp. The I2C bus is used for parameter configuration and status register readout, supporting precise, adjustable, temperature-compensated VCEsat detection (DESAT) with fault outputs and adjustable IGBT soft turn-off after desaturation detection, capable of operation at high ambient temperatures up to 125 °C, with over-temperature shutdown at 160 °C (±10 °C).
 
This gate driver supports tight IC-to-IC propagation delay matching (tPDD, max = 30 ns), with undervoltage lockout protection on the input and output sides and active shutdown feature. The integrated ADC comparator can generate configurable feedback or fault-off behavior, with a high common-mode transient immunity (CMTI) of 200 kV/μs. It is packaged in a space-saving small DSO-16 fine-pitch package with a large creepage distance (greater than 8 mm) and is certified to meet industrial application requirements according to UL 1577 and VDE 0884-11 safety certification.

Soluzione completa per modulo di potenza del caricatore per veicoli elettrici da 30 kW

ST offre inoltre una soluzione completa per caricabatterie per veicoli elettrici da 30 kW, inclusa la progettazione di riferimento del rettificatore PFC Vienna da 30 kW con controllo digitale - STDES-30KWVRECT. Questa progettazione di riferimento è pensata per applicazioni rettificatrici attive front-end (AFE) trifase ad alta potenza basate sulla topologia Vienna a tre livelli, introducendo una soluzione di potenza digitale completa.   Sfruttando SCTWA90N65G2V-4 e STPSC40H12C, la piattaforma raggiunge una efficienza di picco superiore al 98,5%. Utilizza il microcontrollore misto ad alte prestazioni STM32G474RE per il controllo digitale completo, permettendo il controllo completo di fattore di potenza, tensione DC e procedure di avvio graduale (soft startup). STDES-30KWVRECT realizza una distorsione armonica totale (THD) ridotta (meno del 5% a pieno carico) e un alto fattore di potenza (superiore a 0,99 a pieno carico), fornendo una regolazione della corrente in modalità di conduzione continua (CCM) ad alta larghezza di banda.   Questa progettazione di riferimento comprende un convertitore di potenza AC-DC trifase a tre livelli, supportando una tensione nominale DC di 800 V e una tensione nominale AC di 400 V con una potenza massima di 30 kW, un fattore di potenza superiore a 0,99, controllo della corrente di spunto e avvio graduale con THD inferiore al 5% durante il funzionamento nominale.   La sezione di potenza, basata su MOSFET SiC e diodi SiC, supporta operazioni ad alta frequenza fino a 70 kHz, raggiungendo un’efficienza superiore al 98,5%. MOSFET SiC in parallelo consentono una maggiore potenza con una corrente bilanciata, riducendo peso e dimensioni dei componenti passivi.   La sezione di controllo, basata sul microcontrollore STM32G474RE, include interfacce per controllo e monitoraggio come SWD–UART, I²C e DAC, oltre a un connettore digitale di potenza a 64 pin. Indicatori LED di stato fungono da interfaccia utente e quattro amplificatori operazionali ad alte prestazioni integrati forniscono ulteriori funzionalità.   Inoltre, ST ha introdotto un convertitore DC-DC con MOSFET SiC da 30 kW utilizzando STM32G4, adatto ai caricabatterie per veicoli elettrici. Questo modulo di carica DC controllato digitalmente, la progettazione di riferimento LLC trifase da 30 kW (STDES-30KWLLC), ha una potenza di uscita nominale di 30 kW, opera con una frequenza di commutazione di 100-300 kHz, supporta tensioni di ingresso DC di 650 VDC – 850 VDC e tensioni di uscita DC di 200 VDC – 1000 VDC. Raggiunge una efficienza di picco superiore al 98% e integra il microcontrollore ad alte prestazioni a 32 bit STM32G474. Operando in modalità PFM, offre protezioni di ingresso come protezione da sottotensione (UVP), sovratensione (OVP) e sovracorrente (OCP), e funzioni di supporto per protezioni di uscita quali sovratensione (OVP) e sovracorrente (OCP).   Questo convertitore, basato su dispositivi SiC da 1200 V e alte frequenze di commutazione, raggiunge maggiore efficienza utilizzando un minor numero di MOSFET SiC e può ottenere maggiore potenza tramite un singolo convertitore LLC con ampia gamma e alta tensione di uscita.   Un altro prodotto di ST è il rettificatore Vienna trifase da 30 kW per stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Accetta tensioni di ingresso trifase di 345 VAC a 460 VAC a frequenze che vanno da 47 Hz a 63 Hz, con una corrente di ingresso massima di 55 ARMS. La tensione di uscita DC è di 800 VDC, la potenza di uscita nominale è di 30 kW e opera con una frequenza di commutazione di 70 kHz, raggiungendo una efficienza di picco superiore al 98,7%. Sotto carico completo, il fattore di potenza è pari a 0,99, la distorsione armonica totale (THD) è inferiore al 5% e integra il microcontrollore ad alte prestazioni a 32 bit STM32G474. Questo rettificatore Vienna trifase da 30 kW, basato su dispositivi SiC, raggiunge maggiore efficienza, una distorsione armonica totale estremamente bassa e una minore complessità di progettazione.   È inoltre disponibile il convertitore LLC parallelo trifase da 60 kW con controllo digitale per applicazioni di riscaldamento. Funziona con tensioni di ingresso DC di 650 VDC – 850 VDC e tensioni di uscita DC di 200 VDC – 1000 VDC, raggiungendo una potenza di uscita nominale di 60 kW con una efficienza di picco superiore al 98%. Come le altre soluzioni, integra il microcontrollore STM32G474 ad alte prestazioni a 32 bit ed è basato su dispositivi SiC, offrendo maggiore efficienza, mentre LLC parallelizzata utilizza un minor numero di MOSFET SiC per applicazioni a maggior potenza con ampia gamma e alta tensione di uscita.   Le soluzioni ST basate su STM32G4 e SiC contribuiranno a caricabatterie per veicoli elettrici ad alte prestazioni, incluse soluzioni complete per PFC e DCDC per raggiungere alta potenza. Forniscono inoltre ai clienti componenti avanzati (MOSFET SiC, diodi SiC, STGAP, STM32). La soluzione trifase da 30 kW raggiunge una efficienza di picco del 98% a 160 kHz e 700 Vout in condizioni di carico dimezzato.

Conclusione

La ricarica rapida DC sta diventando sempre più importante e si sta evolvendo rapidamente nelle applicazioni per veicoli elettrici, svolgendo un ruolo fondamentale nella tecnologia moderna dei veicoli elettrici. I sistemi di ricarica rapida DC possono fornire una potenza di ricarica maggiore alle batterie e ricaricarle più rapidamente rispetto alla ricarica AC. Questo progresso offre un supporto cruciale per la diffusione e lo sviluppo dei veicoli elettrici, migliorando l'esperienza complessiva dell'utente e l'usabilità. Le soluzioni descritte in questo articolo accelereranno il processo di progettazione di prodotti per la ricarica rapida DC destinati ai clienti. Per ulteriori informazioni su queste tecnologie, contattate direttamente Arrow per approfondire i dettagli tecnici e discutere come queste soluzioni possono essere integrate nei vostri progetti.