Tipi di ricarica per veicoli elettrici e topologie comuni

La domanda di ricarica per veicoli elettrici è in crescita - Con l'evolversi globale delle tendenze verso l'elettrificazione e la decarbonizzazione, si prevede che la domanda di veicoli elettrici (EV) cresca a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 10%. Entro la fine del 2025, si stima che circa 50 milioni di veicoli elettrici saranno sulle strade, spingendo la necessità urgente di un maggior numero di stazioni di ricarica e velocità di ricarica più elevate per questi veicoli. Questo articolo vi introdurrà ai tipi di ricarica per veicoli elettrici e alle topologie comuni, insieme alle soluzioni pertinenti offerte da Wolfspeed. Per una conoscenza approfondita, consultate la nota applicativa di Wolfspeed: PRD-08367: Guida alla progettazione delle topologie di alimentazione per la ricarica di veicoli elettrici | Wolfspeed.

Con l'aumento dei veicoli elettrici (EV) sulle strade, la domanda di elettricità necessaria per ricaricarli sta crescendo a un tasso esponenziale. Si stima che nel 2030 saranno necessari circa 230 TWh di energia per ricaricare questi veicoli, rispetto agli 11 TWh richiesti oggi. Per servire così tante auto e soddisfare la domanda di elettricità associata, saranno necessari quasi 30 milioni di caricabatterie. Sebbene la maggior parte dei caricabatterie verrà installata nelle abitazioni private, più di 1,2 milioni di caricabatterie pubblici dovranno essere installati per ricaricare i veicoli elettrici in movimento.

I caricatori domestici generalmente utilizzano la comune e facilmente disponibile alimentazione elettrica in corrente alternata (AC). D'altra parte, i caricatori pubblici sono progettati per offrire un'esperienza di ricarica rapida e affidabile, simile a quella del rifornimento di un veicolo con motore a combustione interna (ICE) tradizionale. Ciò significa che i caricatori pubblici veloci devono avere una capacità di erogazione di potenza sufficiente (fino a 600kW) per fornire una ricarica completa ai veicoli elettrici (EV) in meno di 15 minuti. Questo è possibile solo con la ricarica in corrente continua (DC).

Tipi di ricarica

La ricarica AC si riferisce alla ricarica utilizzando la normale potenza disponibile in una tipica abitazione, fornita sotto forma di corrente alternata (AC), da cui il nome. Questo tipo di ricarica richiede un caricatore integrato (OBC) nel veicolo elettrico (EV) che converte la corrente da AC a DC, necessaria per ricaricare la batteria utilizzando AC.

Livello 1 CA

Questo è il caricatore più basilare che riceve 120-240Vac (13-16A) dalla rete elettrica e lo fornisce al veicolo elettrico tramite un cavo di ricarica. È il tipo di caricatore più lento, ma è anche il più portatile e può essere collegato praticamente ovunque. La maggior parte dei modelli è solitamente valutata fino a 1kW.

AC di Livello 2

Un caricatore AC di livello 2 utilizza comunque la comune alimentazione di corrente da 120-240Vac. La principale differenza è che è progettato per un corrente più elevata (32-40A). Questi caricatori AC si trovano solitamente cablati permanentemente nelle abitazioni e sui pali negli spazi pubblici. Di norma, hanno una potenza nominale fino a 11-22 kW.

Ricarica DC

Per ridurre i tempi di ricarica dei veicoli elettrici (EV), l'unica soluzione è la ricarica in corrente continua (DC). I caricabatterie DC forniscono energia direttamente alla batteria del veicolo elettrico bypassando il caricabatterie integrato nel veicolo.

Ricarica DC Livello 2 / Livello 2+ / Wallbox DC

Per livelli di potenza intorno ai 20-25kW, una soluzione comune verrebbe indicata come caricatore DC di “livello 2”, anche se non esiste una convenzione ufficiale di denominazione. Questi possono essere trovati sia in luoghi residenziali che commerciali.   La differenza principale rispetto alla ricarica AC è che c'è un ulteriore convertitore di potenza integrato che esegue la rettificazione da AC a DC (ad esempio, “AFE” - front end attivo). Successivamente, questa corrente DC viene trasferita all'auto tramite un cavo di ricarica per caricare la batteria. A seconda della selezione dei dispositivi di potenza, può anche fornire funzionalità bidirezionali.

Ricarica rapida DC di livello 3 (DCFC)/ rapida / supercaricatori

I caricabatterie DC di livello 3 sono spesso chiamati caricabatterie rapidi DC (DCFC) o supercharger. I livelli di potenza per questo tipo di caricabatterie possono facilmente variare da 50kW fino a 1MW. Questi caricabatterie sono costituiti da più blocchi di potenza di 20, 30, 50, 60kW o anche superiori per ottenere il livello di potenza desiderato. A seconda della capacità, questi caricabatterie rapidi possono caricare una tipica batteria di veicoli elettrici in meno di 20 minuti.

Standard di ricarica

Proprio come abbiamo diversi livelli di caricatore per differenziare i livelli di potenza, ci sono anche diversi standard per i connettori utilizzati.

Topologie comuni AC-DC

Per la conversione di potenza AC/DC, possono essere utilizzate topologie monofase e trifase. Le topologie monofase sono le più comuni per la ricarica domestica o quando i livelli di potenza sono inferiori a 6,6 kW, mentre le topologie trifase sono più adatte per blocchi di ricarica ad alta potenza (>11 kW):

Per approfondire la conoscenza di ciascun circuito topologico, i componenti consigliati e i progetti di riferimento, visita la nota applicativa di Wolfspeed:  PRD-08367: Guida alla progettazione delle topologie di alimentazione per la ricarica dei veicoli elettrici | Wolfspeed.

Topologie comuni di alimentazione DC/DC

Dopo aver convertito la corrente alternata (AC) in una tipica tensione del bus DC di 400V-800V, possiamo ora convertirla nella tensione necessaria per caricare le batterie dei veicoli elettrici (EV). Di seguito sono trattate diverse topologie DC/DC che possono aiutare a raggiungere questo obiettivo:

Per informazioni su ciascun circuito topologico, parti consigliate e progetti di riferimento, si prega di visitare la nota applicativa di Wolfspeed: PRD-08367: Guida alla progettazione delle topologie di alimentazione per la ricarica EV | Wolfspeed.

Riassunto

Nel campo in continua evoluzione della ricarica dei veicoli elettrici, c'è una forte spinta verso soluzioni con potenza e densità più elevate, al fine di ridurre i tempi di ricarica rispetto ai veicoli con motore a combustione interna, che continuano a rappresentare un collo di bottiglia diffuso. Questo ha portato a un'adozione crescente di topologie multi-livello innovative per soddisfare le richieste di potenza, richiedendo che le batterie supportino la rete durante i periodi di picco della domanda quando non sono in uso, oltre a richiedere topologie che supportino la potenza bidirezionale.   Entrambi i requisiti rafforzano ulteriormente la necessità di disporre di semiconduttori di potenza più efficienti. I dispositivi al carburo di silicio di Wolfspeed sono perfettamente adatti a supportare queste esigenze di nuova generazione. Visita il sito web di Wolfspeed per scoprire le offerte di prodotti, i design di riferimento e gli strumenti di supporto alla progettazione di cui hai bisogno per iniziare il tuo percorso di progettazione di caricabatterie per veicoli elettrici.