Quali soluzioni elettromeccaniche sono richieste nelle stazioni di ricarica?

Autori: Burak Duman, Supporto Tecnico Componenti Elettromeccanici, e Martin Unsöld, Responsabile Senior di Prodotto, Componenti Elettromeccanici, di Rutronik

 

Lo sviluppo di un’infrastruttura di ricarica efficiente per la mobilità elettrica crea una nuova area di crescita legata all’utilizzo di componenti elettromeccanici di qualità. Questi ultimi non includono solo i vari relè, ma anche i fusibili, gli interruttori e i componenti per la gestione termica.

L’industria automotive ha il compito di affrontare la sfida della salvaguardia dell’ambiente, che costituisce una delle questioni più importanti nella nostra società, e quindi deve ridurre le emissioni. Ciò probabilmente sarà possibile solo con la trazione elettrica. Secondo uno studio di McKinsey, entro il 2030 potrebbero già essere immatricolati in Cina, nell’UE e negli Stati Uniti circa 120 milioni di veicoli elettrici. La domanda di energia di ricarica aumenterà da circa 20 miliardi di kilowattora nel 2020 a 280 miliardi di kilowattora nel 2030. Si prevede che, per soddisfare una simile domanda, occorreranno circa 40 milioni di caricabatterie, di cui 15 milioni solo in Europa.

Le principali case automobilistiche hanno già annunciato un piano di investimenti per la costruzione di 400 stazioni di ricarica in Europa. Anche nel quadro dell’attuale pacchetto di stimoli economici del Governo Federale Tedesco, viene posta una chiara attenzione verso l’elettromobilità. Inoltre, saranno investiti circa 2,5 miliardi di euro nell’ampliamento delle infrastrutture delle stazioni di ricarica.

Produttori come BMW, VW, Mercedes e Audi stanno già aggiornando i propri stabilimenti produttivi per questa imminente trasformazione e per lo sviluppo di un’infrastruttura efficiente di ricarica, e stanno preparando i propri dipendenti attraverso corsi di formazione e certificazioni.
Sia le auto elettriche che le stazioni di ricarica richiedono una varietà di componenti elettromeccanici vediamo quali.

 

Tipi di relè in uso presso le stazioni di ricarica

I diversi tipi di stazioni di ricarica sono definiti dalla norma IEC 61851-1. La loro classificazione si basa sui criteri di alimentazione elettrica e sulla comunicazione elettronica tra la stazione di ricarica e l’auto elettrica. La tipologia di componenti elettromeccanici che vengono utilizzati in questo contesto dipende dal tipo di stazione di ricarica.

Le stazioni di ricarica di Modo 1-2, che funzionano in tensione alternata, non contengono pressoché alcun componente elettronico. Qui, il caricabatterie di bordo (OBC) del veicolo assume il controllo del ciclo di ricarica.

Le stazioni di ricarica di Modo 3 richiedono un relè per commutare la tensione alternata. Come per le altre stazioni di ricarica che operano in tensione alternata, l’OBC limita la corrente di carica. I requisiti del relè comprendono una tensione di 230V/400V (secondo la norma IEC 60664-1) e una sovratensione di categoria 4. Pertanto, è necessario mantenere una distanza di almeno 3 mm tra i contatti. Alcuni produttori offrono componenti conformi a questi requisiti, come ad esempio i relè Hongfa da 35A e 3,6 mm (HF170F), 65A e 3mm (HF176F) e 90A e 3mm (HF167F), che sono disponibili presso Rutronik; Omron offre un relè da 36A e 3,2 mm (G6QE).

Per risolvere il problema dei lunghi tempi di attesa durante la ricarica, la tendenza sta andando verso le colonne di ricarica rapida in continua (Modo 4). Qui, la maggior parte dell’elettronica è integrata nelle stazioni di ricarica, non nel veicolo. L’OBC all’interno del veicolo è a ponte. La ricarica avviene direttamente dalla stazione di ricarica, in quanto essa fornisce una tensione continua. Nelle stazioni di ricarica di Modo 4 vengono utilizzati diversi relè:

• Il relè principale copre un intervallo di corrente che va da 80A a 600A ed è più comunemente usato per scollegare la batteria. I modelli corrispondenti sono forniti da Hongfa (HFE18V-300, HFE82V-250V) e da Omron (G9TB).
• Il relè Fast Charge controlla il processo di ricarica rapida, con correnti nominali comprese tra 32A e 600A. Relè conformi sono disponibili da Hongfa (HFE18V-600) presso Rutronik.
• Il relè di precarica HV viene utilizzato nel circuito di precarica. Ad esempio, in questo contesto è possibile utilizzare l’HFE80V-20B di Hongfa.
• I relè per «applicazioni ausiliarie» sono utilizzati principalmente nel condizionamento d’aria, negli impianti di riscaldamento, nei convertitori DC/AC, ecc. La loro corrente nominale tipica è compresa tra 20A e 40A. Con l’HFE18-200, Hongfa dispone, all’interno del proprio portafoglio, di un prodotto adatto per questa funzione.

Il relè HFE18-200 di Hongfa è ideale per applicazioni ausiliarie. 

Requisiti dei relè

Per poter essere qualificati per l’impiego in campo automotive, i relè devono avere dimensioni compatte e specifiche tecniche particolari. I motori elettrici richiedono una potenza molto elevata, ma ciò comporta anche dei pericoli. Ecco perché è necessaria una commutazione sicura, ossia i contatti del relè non devono ossidarsi. Per evitare ciò, i produttori hanno sviluppato dei relè riempiti con gas (il più delle volte idrogeno). Questo consente di ridurre la resistenza di contatto, evitare le perdite di potenza e prevenire i guasti al relè. I relè dei produttori premium Omron e Hongfa soddisfano questi requisiti e possono essere utilizzati in quasi tutte le applicazioni, sia in auto elettriche che ibride, nei sistemi con batteria a 48V DC o nelle stazioni di ricarica.

Fusibili

Poiché nelle stazioni di ricarica sono presenti tensioni e correnti elevate, è necessario proteggere sia gli esseri umani che i componenti. I fusibili in formato SMD, a cartuccia e ad alta tensione sono solo alcuni dei componenti necessari in questo contesto.

In base al tipo di stazione di ricarica, si hanno ulteriori requisiti. Le stazioni di ricarica di Modo 1-3 sono normalmente utilizzate per l’utilizzo privato nelle abitazioni. Le stazioni di ricarica rapida di Modo 4, invece, sono installate nei luoghi pubblici come i supermercati o le stazioni di servizio e richiedono un terminale ad alta corrente. Poiché trasformano la tensione AC al lato di ingresso in una tensione DC al lato di uscita, entrambi i circuiti necessitano di protezioni.

Le stazioni di ricarica rapida contengono componenti di potenza su semiconduttore estremamente sensibili che possono essere influenzati da elementi di interferenza quali gli impulsi di tensione e le sovracorrenti. I fusibili speciali ad alta velocità, come la serie PSR di Littelfuse per l’uscita DC, sono progettati appositamente per questo scopo. Essi sono caratterizzati da proprietà eccellenti di limitazione di corrente ed elevato numero di cicli.

I fusibili della serie JLLS di Littelfuse sono ideali per il circuito di ingresso in AC. Inoltre limitano fortememte la corrente e prevengono le correnti di cortocircuito più velocemente rispetto ad altri dispositivi meccanici di protezione. Essi proteggono quindi i dispositivi dotati di componenti sensibili alle sovratensioni, come il raddrizzatore. Entrambe le tipologie sono tra i fusibili più compatti del settore con oltre 30A di corrente. Oltre a Littelfuse, anche Eaton offre modelli simili.

I fusibili ad alta velocità della serie PSR Littelfuse offrono una protezione affidabile per i semiconduttori di potenza 

Una gestione termica efficiente

Le potenze elevate producono molto calore all’interno dei componenti elettronici, il che può anche dar luogo ad alte temperature all’esterno delle stazioni di ricarica. Di conseguenza, è possibile avere una compromissione della funzionalità e della durata dei componenti. È quindi essenziale una gestione termica efficiente. Rutronik offre una vasta gamma di soluzioni per questo scopo, che includono le pellicole termiche, i dissipatori di calore e i ventilatori di produttori leader come 3M, Delta Electronics, Fischer Elektronik, Assmann WSW, Jamicon e Adda. Gli specialisti di prodotti e applicazioni forniscono un supporto competente nella scelta dei componenti più adatti.

Interruttori e tastiere in metallo

Gli interruttori e le tastiere metalliche specifiche per l’industria automotive assicurano un funzionamento intuitivo delle stazioni di ricarica. Ad esempio, una tastiera in metallo può essere utilizzata per autenticarsi attraverso un PIN e i microinterruttori sono utilizzati per avviare la carica dalla pistola di ricarica.

Dal momento che le stazioni di ricarica devono poter funzionare in condizioni ambientali gravose, come le stazioni di servizio o i supermercati, esse richiedono una tastiera metallica molto robusta, in grado di funzionare anche sotto la pioggia e con diverse temperature ambientali. La linea IP di Knitter Switch offre una protezione di grado fino a IP69K e una resistenza agli urti di classe IK08. Le tastiere sono disponibili anche in modelli su misura per il cliente e offrono un’elevata libertà di progetto.

Per proteggere da guasti di origine dolosa, sono necessari dei pressostati a prova di manomissione dotati di attuatore antigraffio e di un robusto alloggiamento in acciaio inox. I pulsanti C&K in metallo, ad esempio, resistono a condizioni esterne estreme e agli atti vandalici con una protezione IP67 e una resistenza agli urti di classe IK10. Inoltre, gli interruttori sono disponibili con indicazione luminosa in diversi colori e con un’etichetta posizionata sull’attuatore.

È possibile personalizzare le tastiere metalliche robuste. 

La breve rassegna illustra come i componenti elettromeccanici nelle stazioni di ricarica, dall’unità di controllo fino al punto di trasferimento dell’alimentazione all’auto elettrica, ossia alla spina di ricarica, contribuiscono ad attuare la mobilità elettrica — e quindi a ridurre le emissioni di CO2.