Le tecnologie dell’elettronica di potenza per la Mobilità Elettrica

Le preoccupazioni per le emissioni di gas serra sono un argomento chiave affrontato dalle società moderne in tutto il mondo. Come contributo per mitigare tali effetti causati dal settore dei trasporti, l’adozione della Mobilità Elettrica è sempre più vista come la principale alternativa a quella convenzionale dei veicoli con motore a combustione interna, supportata da indicatori di settore positivi, nonostante alcuni ostacoli identificati. Per tale obiettivo, le tecnologie dell’elettronica di potenza giocano un ruolo essenziale e può essere contestualizzato in diversi scopi per supportare la piena adozione della mobilità elettrica, compresi i sistemi di ricarica della batteria di bordo, sistemi di trazione e ricarica unificati, nuove topologie con modalità operative innovative per il supporto della rete elettrica e soluzioni innovative per le ferrovie elettrificate. Abbracciando tutti questi aspetti, questo articolo presenta una panoramica sulle tecnologie dell’elettronica di potenza per la mobilità elettrica di cui vengono descritte alcune delle principali tecnologie e topologie.

Introduzione

Nel corso dei recenti anni, lo sviluppo scientifico ha modificato radicalmente le società in diversi settori. In particolare, l’espansione del traffico veicolare è stata intensa, generando gravi danni ambientali preoccupanti, come l’aumento delle emissioni di gas serra, l’inquinamento atmosferico urbano e la dipendenza dai combustibili fossili. Nel mondo, circa un terzo del consumo finale di energia è attribuito al settore dei trasporti, che rappresenta un quarto delle emissioni di anidride carbonica (CO2).

In Europa, circa l’80% del consumo energetico è associato al trasporto su strada. Per superare questa preoccupante situazione, la mobilità elettrica è indicata come una risposta importante per diminuire le emissioni di CO2, oltre a contribuire alla sostenibilità del settore dei trasporti. E’ dunque necessaria una revisione globale incentrata sulla mobilità elettrica in un contesto di rete elettrica intelligente, in cui siano considerate le prospettive future anche per quanto riguarda le tecnologie dell’informazione industriale. Un considerevole impegno sulla ricerca e sviluppo riguardante l’elettrificazione del settore dei trasporti deve essere intrapreso dal mondo industriale sui temi chiave, ovvero macchine elettriche, architetture dei propulsori, tecnologie di elettronica di potenza e accumulatori di energia. In effetti, il passaggio alla mobilità elettrica è già in corso, con diversi modelli di veicoli elettrici disponibili in commercio in tutto il mondo implementando diversi sviluppi scientifici e tecnologici. Inoltre, la mobilità elettrica è in corso anche per uso militare, sia in applicazioni autonome che in associazione con sistemi di micro reti elettriche nelle basi militari.

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Il paradigma della mobilità elettrica è realizzabile solo grazie ai progressi di diverse tecnologie, principalmente per quanto riguarda i sistemi di accumulo di energia e le macchine elettriche. Ad esempio, l’impiego del litio ha trasformato la il futuro delle batterie con grandi vantaggi per lo sviluppo della mobilità elettrica. Nonostante questi vantaggi, un punto chiave per assicurare la sostenibilità della mobilità elettrica, è la fonte dell’energia elettrica che dovrebbe preferibilmente provenire da risorse rinnovabili, come eolica, solare, e idrica. Queste fonti di energia rinnovabile, insieme allo stoccaggio di energia rispettoso dell’ambiente, sono i pilastri di una profonda ed entusiasmante rivoluzione verso le reti elettriche intelligenti, contribuendo a ridurre i costi e le emissioni di gas a serra, nonché a contribuire all’ottimizzazione dell’impiego di energia. Poiché le reti elettriche non erano progettate per affrontare l’introduzione su larga scala della mobilità elettrica, gli aspetti della qualità dell’energia non possono essere ignorati.

L’integrazione e il conseguente impatto della mobilità elettrica sulla rete elettrica sono aspetti rilevanti che devono essere affrontati. Da questo punto di vista, la mobilità elettrica può essere considerata un problema per la rete elettrica, tuttavia, adottando politiche di stoccaggio convenienti, è possibile stabilire strategie di ricarica intelligenti. Questo rappresenta un importante valore aggiunto, dal momento che la maggior parte dei veicoli privati ​​sono parcheggiati durante la maggior parte della loro vita utile. Pertanto, utilizzando sistemi di carica batterie bidirezionali, è possibile ottenere un flusso di potenza bidirezionale tra il veicolo elettrico e la rete elettrica mediante la modalità scambievole “rete elettrica < – > veicolo” con la quale anche il veicolo può restituire parte dell’energia immagazzinata alla rete elettrica. In effetti, questa modalità di funzionamento è un contributo importante per bilanciare la domanda di energia nella rete elettrica, tuttavia, può anche contribuire a degradare la batteria del veicolo elettrico. Questa modalità operativa richiede la comunicazione con il gestore della rete elettrica e avrà un predominante ruolo nelle reti intelligenti. Inoltre la mobilità elettrica bidirezionale può essere fondamentale anche per fornire servizi accessori, sia dal punto di vista delle reti intelligenti che di quello della casa intelligente, come convalidato sperimentalmente con modalità operative diverse. Analizzando tutti questi aspetti in una prospettiva ampia, i sistemi di elettronica di potenza si pongono a denominatore comune, fornendo nuove sfide tra sviluppo sostenibile e sviluppo scientifico. Progressi e sfide dell’elettronica di potenza per la mobilità elettrica sono rivolti ai dispositivi complementari alle batterie ovvero, i caricabatterie e, in particolare, alle tecnologie di immagazzinamento dell’energia.

 

L’Elettronica di potenza per veicoli elettrici su strada

Questa parte dell’articolo è relativa alle diverse tecnologie dei veicoli elettrici stradali (cioè, veicoli equipaggiati con motopropulsore elettrico, normalmente utilizzato per il trasporto di persone o merci su strada). In tali veicoli elettrici, i sistemi di elettronica di potenza vengono utilizzati per guidare la macchina elettrica e caricare la batteria. Sono inoltre trattati argomenti riguardanti la tecnologia e le strutture dell’elettronica di potenza per sistemi di ricarica batterie bidirezionali per veicoli elettrici (compresa la batteria ausiliaria) e sistemi di trazione.

Sistemi di ricarica della batteria

I caricabatterie per veicoli elettrici sono classificati in due gruppi principali in relazione alla loro posizione, vale a dire a bordo (on-board) o fuori bordo (off-board), ossia, all’interno o all’esterno del veicolo elettrico. Confrontando entrambi gli approcci, è possibile identificare vantaggi e svantaggi di ciascuna architettura di ricarica. Ad esempio, un sistema di ricarica bidirezionale a bordo ha una maggiore flessibilità in termini di possibilità di caricare la batteria in luoghi diversi, ma attualmente ha una potenza di carica limitata a pochi kW, oltre a rappresentare un peso aggiuntivo. D’altra parte, un sistema di ricarica off-board è installato in un luogo specifico (pubblico o privato) e il veicolo elettrico deve portarsi sul posto per eseguire la ricarica della batteria, ma la potenza di ricarica può essere maggiore, fino anche a centinaia di kW.

Sia i sistemi on-board che quelli off-board sono costituiti da stadi di elettronica di potenza per garantire una corretta interfaccia tra la rete elettrica e la batteria del veicolo elettrico. Pertanto, considerando un’ampia varietà di convertitori di elettronica di potenza, è possibile adottare diverse soluzioni. Le più comuni architetture sono basate su convertitori corrente alternata-corrente continua (AC-DC) con un andamento sinusoidale della corrente di rete (garantendo la buona qualità dell’energia lato rete elettrica), e su convertitori corrente continua-corrente continua (DC-DC), in cui corrente e tensione sono controllate direttamente sulla batteria del veicolo elettrico (preservando la durata della batteria). Tuttavia, possono essere adottate altre architetture di convertitori, inclusa la possibilità di architetture monostadio o doppio stadio di potenza.

Un sistema di ricarica bidirezionale on-board è collegato alla rete elettrica tramite un’interfaccia monofase con possibilità di flusso bidirezionale di potenza, mentre lo stesso sistema off-board è connesso alla rete elettrica tramite un’interfaccia trifase, considerando anche la possibilità di un flusso di potenza bidirezionale, che consente il funzionamento sia con modalità di ricarica rete->veicolo, sia di restituzione di energia veicolo->rete. Questa è una caratteristica sempre più importante per le reti intelligenti e le case intelligenti, sebbene normalmente implichi un’implementazione più complessa degli stadi di potenza.

 

Sistemi di ricarica della batteria on-board

Per quanto riguarda i sistemi di ricarica bidirezionali on-board, più specificamente, per i convertitori dell’elettronica di potenza per lo stadio di front-end, quando ci si concentra sui convertitori unidirezionali, la topologia principale è basata sul convertitore a diodi AC-DC seguito dal convertitore CC-CC di tipo boost (con correzione del fattore di potenza unidirezionale). Questa topologia, riportata in Figura 1, ha il vantaggio principale di utilizzare un solo dispositivo di commutazione, garantendo comunque il funzionamento con corrente sinusoidale e fattore di potenza unitario.

Figura 1 – Convertitore a diodi AC-DC con convertitore boost CC-CC

D’altra parte, in una prospettiva futura di mobilità elettrica come supporto alle reti smart, è essenziale un funzionamento bidirezionale, in cui il convertitore AC-DC a quattro quadranti viene utilizzato come principale topologia full-bridge bidirezionale. Questo convertitore, mostrato in Figura 2, consente il funzionamento bidirezionale senza trascurare la corrente sinusoidale e il fattore di potenza unitario.

Figura 2 – Convertitore AC-DC full-bridge bidirezionale

Queste due topologie sono quelle più comunemente utilizzate. Tuttavia, quando l’obiettivo principale è ridurre la necessità di filtri passivi accoppiati alla rete elettrica e la massima corrente in ogni dispositivo semiconduttore, per mantenere la caratteristica del funzionamento bidirezionale, la scelta principale è la topologia AC-DC full-bridge bidirezionale più comune, costituita da due convertitori CA-CC a quattro quadranti, come quello riportato in Figura 3.

Figura 3 –Topologia AC-DC full-bridge bidirezionale con due convertitori CA-CC

Quando l’obiettivo principale è ridurre la tensione massima applicata a ciascun dispositivo semiconduttore, nonché ridurre i requisiti dei filtri passivi accoppiati alla rete elettrica, la scelta principale ricade nelle topologie bidirezionali multilivello, come ad es. la topologia multilivello a cinque livelli di tensione mostrata in Figura 4.

Figura 4 – Topologia multilvello a cinque livelli di tensione

Sistemi di ricarica della batteria off-board

Per quanto riguarda i sistemi di ricarica bidirezionali off-board, come per quelli on-board, ci sono diverse opzioni in cui i più comuni si basano su una struttura a doppio stadio. Per il front-end alla rete elettrica, poiché si tratta di sistemi di ricarica bidirezionali veloci, le topologie della rete elettrica sono del tipo trifase. Le topologie unidirezionali sono costituite da un convertitore AC-DC trifase e da dispositivi di commutazione (bidirezionale a cella bipolare) collegati tra ciascuna fase della rete elettrica e il punto comune medio del collegamento DC. Questa topologia consente solo il funzionamento unidirezionale, che in futuro può essere uno svantaggio per sistemi di ricarica on-board. D’altra parte, la topologia trifase che garantisce il funzionamento bidirezionale e correnti sinusoidali lato rete elettrica, sia in modalità di ricarica rete-veicolo che veicolo-rete, è la topologia full-bridge. La tensione massima applicata a ciascun semiconduttore è la metà della tensione del collegamento CC e la corrente massima in ciascun semiconduttore corrisponde alla corrente massima in ogni fase della rete elettrica. In questo contesto, quando si vuole ridurre al minimo la corrente massima a cui è sottoposto ciascun semiconduttore, una possibile soluzione è utilizzare topologie multilivello. Questa topologia consiste nell’utilizzare due topologie in parallelo. Pertanto, la corrente di ciascuna fase della rete elettrica viene divisa nei due rami di ciascuna fase, consentendo, a scapito di più hardware, di diminuire la corrente massima in ciascun dispositivo di commutazione. Inoltre, applicando un’adeguata strategia di modulazione (con due portanti con uno sfasamento di 180°), è possibile ridurre significativamente l’ondulazione della corrente risultante in ciascuna fase della rete elettrica. Questa caratteristica è molto importante poiché può essere utile anche ridurre la necessità di filtri passivi di accoppiamento alla rete elettrica.

Come accennato, con la topologia bidirezionale full-bridge, la corrente massima applicata a ciascun semiconduttore viene ridotta, invece, la tensione massima applicata a ciascun semiconduttore è la metà della tensione del collegamento CC. In questo senso, quando l’obiettivo è diminuire la tensione massima applicata a ciascun dispositivo di commutazione, la soluzione logica consiste nell’utilizzare topologie multilivello. Come per le topologie trifase descritte in precedenza, anche questa ha un collegamento CC suddiviso. Questa topologia consente la generazione di più livelli di tensione e quindi è possibile ridurre i requisiti dei filtri passivi accoppiati alla rete elettrica.

Sistemi ausiliari di carica della batteria

Oltre al già citato sistema di ricarica bidirezionale, il veicolo elettrico deve essere dotato anche di un sistema di ricarica per la batteria ausiliaria. Allo stesso modo di un veicolo convenzionale, i carichi elettronici interni di un veicolo elettrico devono essere alimentati da una batteria ausiliaria (una batteria a bassa potenza). In tali carichi elettronici sono inclusi sistemi che garantiscono la sicurezza di guida (ad esempio, luci, tergicristalli e clacson), comfort (ad esempio, aria condizionata e sistemi multimediali) e supporto alla guida (ad es. sensori e sistema di posizionamento globale (GPS)).

Convenzionalmente, in un veicolo con motore a combustione interna, la batteria ausiliaria viene caricata tramite un generatore elettrico, l’alternatore. Diversamente, nei veicoli elettrici e ibridi, questa operazione di ricarica avviene tramite un convertitore CC-CC collegato alla batteria di trazione. Per questa attività, i convertitori CC-CC utilizzati devono essere isolati poiché è obbligatorio per legge che le batterie di trazione siano isolate dal telaio del veicolo. Una soluzione è un’elettronica di potenza basata su un convertitore integrato per consentire lo scambio di energia tra due batterie con livelli di voltaggio diversi. Ad es., una topologia di convertitore a tre porte basata sul convertitore a ponte triplo attivo consente la ricarica della batteria ausiliaria dalla batteria di trazione con isolamento galvanico assicurato da un trasformatore ad alta frequenza a tre avvolgimenti.

Conclusioni

In tutto il mondo, le questioni ambientali sono percepite come un tema prioritario, con il settore del trasporto che sta attraversando una rivoluzione tecnologica verso la sostenibilità della mobilità elettrica. La mobilità elettrica è identificata globalmente come la principale alternativa al trasporto basato su combustibili inquinanti non rinnovabili, ed è sempre più supportato dai vari modelli di veicoli elettrici attualmente prodotti dall’industria automobilistica. Indipendentemente dal modello o tipo di veicolo, la base comune per supportare la mobilità elettrica è l’elettronica di potenza. In tutti i tipi di veicoli, l’elettronica di potenza è una tecnologia di supporto indispensabile e una componente essenziale di tutti i sistemi di elettrificazione. Ciò è ancora più rilevante considerando le tecnologie emergenti dei più avanzati semiconduttori, nuovi materiali magnetici, piattaforme di controllo multiuso, sensori intelligenti e altri elementi che migliorano le prestazioni dei sistemi di elettronica di potenza e rendono possibili nuovi scenari per applicazioni dell’elettronica di potenza, come i veicoli a guida autonoma. Probabilmente è troppo presto per prevedere fino a che punto la rivoluzione della mobilità “completamente” elettrica ci porterà, ma il ruolo cruciale dell’elettronica di potenza in questa trasformazione è pienamente assicurato.

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