Considerazioni sulla topologia di alimentazione per veicoli elettrici

Di Harish Ramakrishnan, Jayanth Rangaraju

ABSTRACT

Con l’aumento del numero di veicoli elettrici (EV), vi è una crescente necessità di creare sistemi per l’infrastruttura di ricarica più efficienti dal punto di vista energetico in tutto il mondo, in modo da poter ricaricare i veicoli il più velocemente possibile. I nuovi veicoli elettrici offrono maggiore autonomia e capacità della batteria rispetto ai loro predecessori, rendendo necessario lo sviluppo di soluzioni di ricarica rapida in CC per supportare i requisiti di ricarica rapida. In questo rapporto applicativo esaminiamo alcune considerazioni per la topologia in merito alla progettazione di moduli di alimentazione che fungano da elemento costitutivo nella progettazione di queste stazioni di ricarica veloce in CC.

1 Introduzione

Una stazione di ricarica fa parte dell’infrastruttura di rete installata lungo una strada, in un parcheggio o in un garage residenziale; il suo scopo principale è fornire energia al PHEV per caricare la batteria. Esistono principalmente due tipi di sistemi di ricarica, come mostrato nella Tabella 1-1: Sistemi di ricarica in CA e in CC.

Un caricatore in CA alimenta la batteria del veicolo elettrico attraverso il caricabatterie di bordo del veicolo, mentre un caricabatterie in CC carica direttamente la batteria del veicolo.

La Tabella 1-1 mostra in dettaglio le stazioni di ricarica classificate in base ai livelli di potenza.

1.1 Stazione di ricarica in CA

Un EVSE di Livello 1 utilizza fonti di alimentazione a 120 VCA/230 VCA comunemente disponibili, assorbe corrente in un intervallo tra 12 A e 16 A e può impiegare tra le 12 e le 17 ore per caricare completamente una batteria da 24 kWH. I caricabatterie L1 possono raggiungere una potenza massima di 2 kW e sono utilizzati in applicazioni residenziali. Un EVSE di Livello 2 (utilizzato tipicamente in ambiti commerciali come centri commerciali, uffici e così via) utilizza sorgenti a 240 VCA polifase per alimentare un caricabatterie per veicoli più robusto e assorbe tra 15 A e 80 A per caricare completamente una batteria da 24 kWH in circa otto ore (livello di potenza fino a 20 kW). La Figura 1‑1 mostra un tipico schema a blocchi di una stazione di ricarica in CA.

1.2 Stazione di ricarica in CC

La stazione di ricarica in CC è un caricabatterie di Livello 3 in grado di fornire un livello di potenza molto elevato nell’intervallo fra 120 e 240 kW. In genere, i caricabatterie L3 caricano le batterie all’80% dello stato di carica (SOC) in meno di 30 minuti. Per ottenere livelli di potenza così elevati si utilizzano convertitori modulari impilabili. Lo stacking dei convertitori all’interno del veicolo rende il veicolo ingombrante, pertanto questi convertitori impilati sono posizionati all’esterno del veicolo e costituiscono la stazione di ricarica per veicoli elettrici. La stazione di ricarica per veicoli elettrici si interfaccia direttamente con la batteria del veicolo bypassando il caricabatterie di bordo. La Figura 1-2 mostra un tipico schema a blocchi di una stazione di ricarica in CC.

Per ulteriori informazioni sui caricabatterie di bordo e sui caricabatterie esterni, vedere il White paper sulla gestione dei veicoli elettrici, sia sul veicolo che sulla rete.

2 Modulo di alimentazione nella stazione di ricarica in CC

Il modulo di potenza in una stazione di ricarica in CC è costituito da uno stadio di potenza in CA/CC e da uno stadio di potenza in CC/CC integrati nella stazione di ricarica. Ogni convertitore è associato al suo stadio di potenza, composto da interruttori di alimentazione e driver del gate, rilevatori di corrente e tensione e controller. Ciascuno dei sottosistemi del modulo di alimentazione della stazione di ricarica per veicoli elettrici è descritto in dettaglio nelle prossime sezioni.

[boris]

2.1 Stadio di potenza di un caricabatterie veloce in CC

La Figura 2-1 mostra lo schema a blocchi a livello di sistema di un modulo di alimentazione per stazione di ricarica di veicoli elettrici preso dal sito Web Modulo modulo di alimentazione della stazione di ricarica per veicoli elettrici di TI. Sul lato di ingresso presenta l’alimentazione elettrica trifase in CA, collegata allo stadio di potenza in CA/CC. Questo blocco converte la tensione in CA in ingresso in una tensione in CC fissa di circa 800 V. Questa tensione funge da ingresso nello stadio di potenza in CC/CC che elabora la potenza e si interfaccia direttamente con la batteria del veicolo elettrico.

Anche i driver del gate che comandano i MOSFET dello stadio di potenza fanno parte dello stadio di potenza. Oltre allo stadio di potenza, sono disponibili blocchi di rilevamento della corrente e della tensione all’ingresso e all’uscita di entrambi gli stadi, utilizzati principalmente per scopi di controllo, monitoraggio e protezione. Ogni stadio di potenza è dotato di un controller separato che è responsabile dell’elaborazione dei segnali analogici e offre una funzione di controllo rapido. Inoltre, sono presenti diversi blocchi per il rilevamento della temperatura, interfaccia per CAN, Ethernet e RS‑485 e convertitori CC/CC isolati e non isolati che alimentano i circuiti ausiliari come ventole per il raffreddamento dei dissipatori di calore, amplificatori isolati e così via. Il resto di questo report applicativo si focalizza sulla scelta della topologia per la fase di conversione di potenza CA/CC e CC/CC.

2.2 Stadi di potenza CA/CC e CC/CC

Le stazioni di ricarica in CC richiedono convertitori ad alta potenza in grado di caricare fino all’80% dello stato di carica in meno di 30 minuti. Queste applicazioni di ricarica rapida richiedono convertitori di potenza modulari che possono essere messi in parallelo per soddisfare diversi livelli di potenza, consentendo quindi una ricarica rapida. I parametri più importanti sono la densità di energia e l’efficienza del sistema. La densità di energia è la quantità di energia che può essere trasferita per un dato volume del convertitore. Se si riesce a raddoppiare la potenza in uscita a parità di dimensioni, si ottiene un notevole risparmio sui costi e si contribuisce inoltre ad una ricarica rapida. Questo si ottiene facendo lavorare il convertitore a frequenze di commutazione elevate che riducono le dimensioni delle parti magnetiche e contribuiscono quindi a raggiungere un’elevata densità di potenza. Una maggiore efficienza del sistema si traduce in minori perdite e rende possibile ridurre le dimensioni della soluzione per il dissipatore di calore per una data applicazione. Inoltre, riduce lo stress termico sui dispositivi e contribuisce a prolungare l’aspettativa di vita dei componenti. L’ultima tendenza nella tecnologia automobilistica è il concetto di Vehicle to Grid (V2G), che consente il flusso di energia dalla batteria alla rete per rendere stabile la rete quando il veicolo è parcheggiato o non è utilizzato. A tal fine è necessario che entrambi gli stadi di potenza siano bidirezionali e supportino tali applicazioni. Inoltre, il convertitore deve essere in grado di fornire isolamento galvanico tra lo stadio di ingresso e di uscita tramite un trasformatore ad alta frequenza con il rapporto di conversione della tensione richiesto in base all’applicazione. Il convertitore deve lavorare ad alta efficienza attraverso una commutazione graduale intrinseca (come ZVS/ZCS) su un ampio intervallo di tensioni di ingresso e uscita.

Lo stadio in CA/CC (noto anche come stadio PFC) è il primo livello di conversione di potenza in una stazione di ricarica per veicoli elettrici e converte l’alimentazione in CA in ingresso dalla rete (380–415 VCA) in una tensione stabile per circuito intermedio di circa 800 V. Come mostrato in precedenza, lo stadio PFC ha grande importanza per mantenere le correnti di ingresso sinusoidali, tipicamente con una THD < 5%, per erogare una tensione di uscita in CC controllata e superiore all’ampiezza della tensione di ingresso da linea a linea, conversione di potenza a stadio singolo, assenza di isolamento galvanico, flusso di potenza unidirezionale e bidirezionale possibilmente con capacità (limitata) di compensazione della potenza reattiva, semplice topologia del circuito, semplice schema di modulazione e controllo e possibilità di ottenere elevata efficienza ed elevata densità di potenza.

Lo stadio in CC/CC è il secondo livello di conversione di potenza in una stazione di ricarica per veicoli elettrici e converte la tensione del collegamento in CC in ingresso di 800 V (in caso di sistemi trifase) in una tensione in CC inferiore per caricare la batteria di un veicolo elettrico. Gli standard di ricarica per veicoli elettrici sono disciplinati da normative come la CCS (Combined Charging System) e la CHAdeMO. Il convertitore CC/CC deve essere in grado di erogare potenza nominale alla batteria su un ampio intervallo, ad esempio a 50V-500V per ospitare batterie da 48V (e-bike) a 400V (PHEV) con la possibilità di caricare la batteria in modalità a corrente costante e tensione costante, a seconda dello stato di carica (SOC) della batteria.

3 Topologie di alimentazione in CA/CC (PFC)

Le singole topologie sono classificate in sistemi raddrizzatori PFC passivi, ibridi e attivi. Con i recenti progressi nella tecnologia dei semiconduttori, i PFC attivi sono ampiamente utilizzati nelle stazioni di ricarica per veicoli elettrici. A seconda del livello di potenza, nelle stazioni di ricarica per veicoli elettrici vengono utilizzate sia topologie monofase che trifase. Le topologie monofase sono generalmente utilizzate per livelli di potenza inferiori a 3,3 kW, mentre le topologie trifase sono utilizzate per livelli di potenza molto più elevati. In questo report applicativo vengono brevemente introdotte le topologie PFC monofase, ovvero totem-pole, totem interlacciato e Neutral Point Clamped, per poi concentrarsi principalmente sulle topologie PFC trifase, vale a dire PFC a due livelli, Vienna PFC, PFC a 3 livelli Neutral Point Clamped (NPC) e PFC NPC tipo T.

3.1 PFC totem-pole monofase

La Figura 3-1 mostra la topologia PFC totem-pole, ossia un PFC boost convenzionale in cui metà del ponte di diodi è sostituita da interruttori attivi S1 e S2 in una configurazione half-bridge, da cui il nome «totem-pole». I diodi S3 ed S4 formano la gamba di frequenza di linea lenta da 50 a 60 Hz che può essere composta da diodi raddrizzatori in CA lenti o può essere sostituita da MOSFET sincroni a basso RDS(on) per una migliore efficienza.

Il PFC totem-pole ha i vantaggi di una maggiore efficienza. La corrente principale attraversa solo due interruttori per volta. S1 e S2 sono comandati in modo sincrono con segnali PWM complementari, mentre gli S3/S4 sulle gambe di frequenza di linea lenta possono essere diodi o MOSFET Si a basso Rds(on) per ridurre ulteriormente la perdita di conduzione. In secondo luogo, riducendo il numero di componenti, si ottiene una maggiore densità di potenza con un ridotto costo della distinta base. Infine, il PFC totem-pole è intrinsecamente in grado di funzionare in modo bidirezionale: l’ideale per applicazioni V2G e per caricabatterie bidirezionali integrati. L’unico svantaggio consiste nel fatto che, con i MOSFET al silicio, la disposizione totem-pole consente di operare solo in modalità a conduzione discontinua (DCM) o in modalità a conduzione critica (CRM) perché se si consente la modalità a conduzione continua (CCM), il recupero inverso dei body diode del MOSFET può causare perdite eccessive. Il tempo di recupero inverso del body diode nei MOSFET al silicio è molto maggiore di quello dei diodi standard a recupero rapido. Pertanto le perdite di recupero inverso saranno molto elevate e l’efficienza sarà bassa. Sebbene il PFC totem-pole bridgeless-boost sia limitato nel suo utilizzo con MOSFET al silicio, l’avvento di dispositivi di commutazione al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN) con conduzione inversa a recupero zero lo ha reso una scelta preferenziale anche nel funzionamento CCM. Questo PFC totem-pole può essere esteso a potenza maggiore interlacciando lo stadio di potenza come mostra la Figura 3-2.

Il Progetto di riferimento per PFC totem-pole da 6,6 kW al 98,6% di efficienza per caricabatterie di bordo per HEV/EV e il progetto di riferimento per Power Factor Correction (PFC) bridgeless totem-pole Gan CCM ad alta efficienza mostrano le applicazioni dei PFC interlacciati nelle applicazioni di ricarica di veicoli elettrici.

3.2 PFC Neutral Point Clamped monofase

La Figura 3-3 mostra una tipica topologia PFC Neutral Point Clamped in una stazione di ricarica per veicoli elettrici.

Questa topologia presenta numerosi vantaggi rispetto ad un convertitore a due livelli convenzionale. I primi convertitori multilivello non soltanto sono in grado di generare tensioni di uscita con una distorsione molto bassa, ma possono anche ridurre le sollecitazioni dv/dt con una tensione più bassa attraverso gli interruttori di potenza e permettono pertanto di ridurre i problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC).

In secondo luogo, i convertitori multilivello possono assorbire la corrente in ingresso con distorsione ridotta e, quindi, presentano migliori prestazioni di distorsione armonica totale e richiedono induttori di ingresso meno ingombranti. La funzionalità multilivello di questa topologia consente di utilizzare MOSFET più convenienti, riducendo ulteriormente il costo del progetto. È possibile utilizzare GaN/SiC in questa topologia quando sono necessarie un’efficienza e una densità di potenza molto elevate. Infine, gli interruttori attivi consentono un funzionamento bidirezionale del convertitore. Un particolare svantaggio è il maggior numero di interruttori a semiconduttore di potenza necessari. Sebbene in un convertitore multilivello sia possibile utilizzare interruttori con una tensione nominale inferiore, ogni interruttore richiede un circuito di azionamento del gate isolato che può essere piuttosto costoso e difficile da progettare.

3.3 PFC trifase a due livelli

La Figura 3-4 mostra la configurazione tipica di un PFC trifase a due livelli. Il raddrizzatore di tipo boost a sei interruttori presenta una topologia del circuito molto semplice e un facile controllo, facilitando inoltre il flusso di potenza bidirezionale e potendo raggiungere un fattore di potenza elevato con un’efficienza ragionevole.

Poiché questa topologia è a due livelli, richiede interruttori di blocco per alta tensione per bloccare l’intera tensione del circuito intermedio. Ad esempio, in un’applicazione con tensione di collegamento in CC di 800 V, è necessaria una capacità di blocco nominale per carburo di silicio (SiC) di 1200 V per lo stadio di potenza. Uno degli inconvenienti di questa topologia è l’ingombrante induttore del filtro per la regolazione della corrente di ingresso THD a valori bassi. Pertanto, la densità di potenza è bassa rispetto alle altre topologie a tre livelli della concorrenza, documentate nel Paragrafo 3.4, Paragrafo 3.5 e Paragrafo 3.6. Inoltre, la sollecitazione di tensione di picco sui dispositivi è molto elevata, il che incide sull’affidabilità a lungo termine del semiconduttore e di altri dispositivi passivi utilizzati nello stadio di potenza. Infine, le prestazioni di interferenza elettromagnetica (EMI) del convertitore sono significativamente inferiori rispetto ad altre comuni topologie PFC multilivello.

3.4 PFC Vienna trifase

La topologia di alimentazione del raddrizzatore Vienna, mostrata in Figura 3-5, viene utilizzata in applicazioni di correzione del fattore di potenza trifase ad alta potenza. Il raddrizzatore Vienna è apprezzato per via del suo funzionamento in modalità di conduzione continua (CCM), per la commutazione multilivello intrinseca (tre livelli) e per la ridotta sollecitazione di tensione sui dispositivi di alimentazione. Per i raddrizzatori Vienna si utilizzano sia controller basati sull’isteresi che seno-triangolo, pertanto è relativamente più semplice da controllare per via della minore quantità di PWM occorrenti per questa topologia. Tra gli svantaggi di questa topologia vi è il supporto del solo trasferimento di potenza in modalità unidirezionale dalla rete al lato CC. Il raddrizzatore Vienna è caratterizzato da un volume complessivo relativamente piccolo o da un’elevata densità di potenza, in quanto richiede per gli induttori boost circa solo la metà dell’induttanza rispetto ai raddrizzatori a due livelli trattati nel Paragrafo 3.3. La firma multilivello della tensione di uscita fornisce inoltre prestazioni THD migliori. Contrariamente al PFC a due livelli, il raddrizzatore Vienna offre un’elevata efficienza a frequenze di commutazione elevate con MOSFET Si o IGBT da 600 V a 650 V e diodi Schottky SiC grazie alla sua caratteristica a tre livelli; inoltre, non richiede FET SiC avanzati a 1200 V per ridurre le perdite di commutazione. Il Progetto di riferimento per la correzione del fattore di potenza trifase basato su raddrizzatore Vienna con utilizzo della MCU C2000 di TI contiene dettagli sull’implementazione di questo convertitore.

3.5 PFC trifase a tre livelli ANPC/NPC

La Figura 3-6 illustra la topologia di base del convertitore Neutral Point Clamped. È simile alla topologia multilivello NPC monofase vista in precedenza, la quale è stata estesa alle tre fasi in cui tutti gli interruttori di questa topologia sono necessari per bloccare solo metà della tensione del bus. Quindi la sollecitazione di tensione sui dispositivi è la più bassa fra tutte le topologie trattate finora; questa topologia può essere quindi facilmente scalata su più piattaforme per l’implementazione con SiC, GaN e MOSFET Si a seconda del livello di potenza, dei costi e dell’efficienza di destinazione.

Poiché è necessario commutare solo metà della tensione, dimezzando in tal modo anche le perdite di commutazione nei MOSFET, è possibile utilizzare componenti da 600 V invece dei modelli da 1200 V. Inoltre, la tecnologia a 600 V rende disponibili componenti molto più veloci rispetto a quelli a 1200 V, ottenendo quindi un’ulteriore riduzione delle perdite di commutazione. La topologia Neutral Point Clamped presenta un’ondulazione inferiore nella corrente di uscita e metà dei transitori di tensione in uscita. Questo riduce il lavoro di filtraggio e isolamento nell’induttore del filtro. Quindi è possibile ottenere una densità di potenza elevata con la necessità di una minore induttanza per regolare la THD della forma d’onda della corrente. I convertitori multilivello non solo generano tensioni di uscita con disturbi molto bassi, ma possono anche ridurre al minimo le sollecitazioni dv/dt tra i dispositivi, riducendo quindi i problemi di interferenza elettromagnetica (EMI). Inoltre questa topologia offre anche un trasferimento bidirezionale di potenza ed è la scelta preferenziale per frequenze di commutazione superiori a 50 kHz a causa delle minori perdite di commutazione e della maggiore efficienza.

Un particolare svantaggio è l’elevato numero di interruttori a semiconduttore di potenza necessari. Sebbene in un convertitore multilivello sia possibile utilizzare interruttori con una tensione nominale inferiore, ogni interruttore necessita di un circuito di azionamento del gate collegato e anche il controllo è piuttosto complesso con l’aumento del numero di dispositivi. Poiché questa topologia utilizza sia interruttori a semiconduttore attivi che diodi, la loro distribuzione asimmetrica delle perdite attraverso lo stadio di potenza e la gestione termica possono risultare piuttosto impegnativi. In molte situazioni, per avere una distribuzione delle perdite più simmetrica, i diodi della topologia NPC vengono sostituiti con interruttori attivi. Questo dà origine ad una topologia di convertitori Active Neutral Point Clamped (ANPC) come mostrato in Figura 3-7. Inoltre, con una tensione di blocco ridotta su tutti gli interruttori, il nitruro di gallio (GaN) può essere utilizzato per gli interruttori ad alta frequenza in questa topologia che migliora l’efficienza e la densità di potenza del convertitore.

3.6 PFC a tre livelli con TNPC trifase

La Figura 3-8 mostra la topologia di base dei convertitori 3L tipo T. La topologia convenzionale VSC (Voltage Source Converter) a due livelli viene estesa con un interruttore bidirezionale attivo al punto medio del collegamento CC. Per tensioni del collegamento in CC a 800 V, l’high-side e il low-side su ciascuna fase verrebbero solitamente implementati con IGBT/diodi a 1200 V, poiché è necessario bloccare l’intera tensione. Diversamente, l’interruttore bidirezionale al punto medio del collegamento in CC deve bloccare solo metà della tensione. L’implementazione è possibile con dispositivi dotati di tensione nominale inferiore, come due IGBT a 600 V, inclusi i diodi antiparalleli. A causa della ridotta tensione di blocco, l’interruttore centrale mostra perdite di commutazione molto basse e perdite di conduzione accettabili. Contrariamente alla topologia NPC a tre livelli trattata in precedenza, non esiste un collegamento in serie di dispositivi che deve bloccare l’intera tensione del collegamento in CC. Per la topologia NPC, le transizioni di commutazione direttamente dal livello di tensione del collegamento in CC positivo (P) a quello negativo (N) e viceversa vengono generalmente omesse poiché potrebbe essere presente una quota irregolare di tensione da bloccare nel caso del transitorio quando entrambi i FET collegati in serie si spengono contemporaneamente. Questo effetto indesiderato non può verificarsi nella topologia di tipo T. Non è necessario implementare routine di basso livello che impediscano tali transizioni o garantiscano un bilanciamento della tensione transitoria tra IGBT collegati in serie. Un ulteriore vantaggio relativo all’utilizzo di singoli dispositivi a 1200 V per bloccare l’intera tensione del collegamento in CC è la riduzione delle perdite di conduzione. Quando l’uscita è collegata a (P) o (N), si verifica la caduta di tensione diretta di un solo dispositivo, contrariamente alla topologia NPC in cui sono sempre collegati due dispositivi in serie. Le perdite di conduzione sono notevolmente ridotte rendendo il tipo T una scelta interessante anche per basse frequenze di commutazione.

Nel complesso, le perdite di conduzione sono significativamente inferiori rispetto all’NPC, ma le perdite di commutazione risultano elevate a causa dei dispositivi che bloccano l’intera tensione del collegamento in CC. A causa del numero limitato di componenti rispetto alla topologia NPC e delle migliori caratteristiche in termini di efficienza, densità di potenza e capacità di funzionamento bidirezionale rispetto al raddrizzatore Vienna e al PFC a due livelli, il raddrizzatore di tipo T è più indicato per applicazioni con frequenza di commutazione fino a 50 kHz, oltre la quale l’NPC offre prestazioni migliori. Uno degli svantaggi di questa topologia è l’elevata tensione di picco attraverso i FET di blocco dell’alta tensione. Infine, analogamente alle altre topologie, anche questa ha buone prestazioni THD, pertanto non necessita di ingombranti induttanze in ingresso. Il Progetto di riferimento per convertitore CA-CC SiC trifase a tre livelli contiene dettagli sull’implementazione di questo convertitore.

3.7 Riepilogo delle topologie CA/CC

La Tabella 3-1 confronta e riassume le topologie PFC trattate in precedenza.

4 topologie di alimentazione in CC/CC

Questo capitolo esplora quattro diverse topologie di convertitori CC/CC ad alta potenza, ossia il convertitore risonante LLC, il PFSB (Phase-shifted Full Bridge), il DAB (Single-phase Dual-Active Bridge) e DAB – CLLC (Dual-Active Bridge in modalità CLLC).

4.1 PFSB convenzionale

La Figura 4-1 mostra la topologia di base del convertitore PSFB. Il PSFB appartiene alla famiglia dei convertitori Dual Active Bridge in cui gli interruttori attivi sul secondario sono sostituiti da diodi. Per questo motivo, esso consente solo il trasferimento di potenza unidirezionale. Il progetto di riferimento per Convertitore di potenza CC/CC PSFB (Phase-Shifted Full Bridge) di TI contiene dettagli sull’implementazione di questo convertitore.

Il trasferimento di potenza tra primario e secondario viene controllato variando la fase tra le gambe dell’interruttore del ponte primario. Di conseguenza è possibile ottenere l’accensione ZVS di una gamba e l’accensione a bassa tensione dell’altra gamba minimizzando le perdite. I diodi passivi sul secondario possono avere difficoltà di commutazione e provocare maggiori perdite di conduzione che possono ridurre l’efficienza di questo convertitore. Questo convertitore subisce perdite di attivazione non ZVS in condizioni di carico leggero e lo spegnimento non ZVS. Tipicamente, la modalità di funzionamento burst viene utilizzata per mantenere la ZVS in condizioni di carico leggero. Inoltre, questo convertitore è modulare e può essere messo in parallelo per ottenere una maggiore potenza nelle stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Nel PSFB, il dithering può essere facilmente implementato per ridurre la firma EMI condotta. Questa topologia richiede un condensatore di blocco in CC necessario per bloccare l’offset di tensione in CC che va a saturare il trasformatore nel controllo della modalità di tensione. Inoltre, questo convertitore richiede spesso un induttore interposto aggiuntivo, necessario per il funzionamento ZVS, e che può rendere il convertitore ingombrante compromettendone la densità di potenza.

4.2 DAB (Dual Active Bridge)

La Figura 4-2 descrive la topologia di base del convertitore DAB Dual Active Bridge, che è costituito da un full-bridge con interruttori attivi sia sul lato primario che sul secondario, collegati tra loro da un trasformatore ad alta frequenza. A causa della corrente in ritardo intrinseca in uno dei ponti, la corrente scarica la capacità di uscita degli interruttori di uno dei ponti (ad esempio il lato secondario) e alcuni interruttori sul lato primario, consentendo quindi l’accensione ZVS. Inoltre, è possibile utilizzare soppressori capacitivi senza perdite sugli interruttori per ridurre le perdite di spegnimento. I principali vantaggi di questo convertitore sono la sua capacità bidirezionale intrinseca, che si ottiene controllando l’angolo di fase tra i due ponti, e la sua modularità, che ne consente la scalabilità a livelli di potenza più elevati.

Il controllo del DAB va da semplice (per modulazione a sfasamento singolo) a complesso (per modulazione a sfasamento esteso, doppio e triplo). Questa topologia può essere utilizzata per coprire un’ampia variazione nelle tensioni di batteria con modulazione a sfasamento singolo, ma comporta un aumento delle correnti circolanti nel trasformatore, riducendo quindi drasticamente l’efficienza. Tuttavia, con schemi di modulazione avanzati come lo sfasamento triplo è possibile far sì che il convertitore raggiunga teoricamente la ZVS sull’intero intervallo operativo. L’utilizzo della potenza di uscita al valore KVA del trasformatore è elevato per questa topologia. Anche il condensatore di uscita richiesto per gestire le correnti di ripple è ridotto per questo convertitore. Questo convertitore, con un numero relativamente ridotto di dispositivi, commutazioni soft-switching, basso costo e alta efficienza, viene utilizzato in applicazioni in cui densità di potenza, costo, peso, isolamento e affidabilità sono fattori critici. Un’ulteriore caratteristica limitante è nel fatto che questo convertitore richiede spesso un induttore interposto aggiuntivo, necessario per il funzionamento ZVS, e che può rendere il convertitore ingombrante compromettendone la densità di potenza. Il progetto di riferimento per DAB (Dual Active Bridge) bidirezionale per stazioni di ricarica di veicoli elettrici di livello 3 di TI contiene dettagli sull’implementazione di questo convertitore.

4.3 Convertitore risonante LLC

Il guadagno di questo convertitore è una funzione del guadagno del ponte di commutazione, del guadagno del serbatoio risonante e del rapporto delle spire del trasformatore. La regolazione della tensione di uscita si ottiene variando la frequenza di commutazione di funzionamento. Sono tre le modalità/aree di funzionamento nel convertitore risonante LLC, vale a dire il funzionamento alla frequenza di risonanza, al di sopra della frequenza di risonanza e al di sotto della frequenza di risonanza. Nel funzionamento al di sotto della frequenza di risonanza, la corrente dell’induttore a mezzo ciclo risonante raggiunge il valore della corrente di magnetizzazione all’interno del ciclo di commutazione e porta ad una commutazione graduale attraverso diodi raddrizzatori secondari, ma d’altro canto porta anche a maggiori perdite di conduzione dovute alla maggiore energia circolante. Il funzionamento al di sopra della frequenza di risonanza porta ad un aumento delle perdite di commutazione e ad una commutazione dura dei diodi raddrizzatori secondari, ma porta anche a minori perdite di conduzione dovute alla ridotta energia circolante. Pertanto, le prestazioni migliori di questi convertitori si ottengono quando operano vicino alla frequenza di risonanza, dove sono possibili l’accensione ZVS e lo spegnimento ZCS. Questo convertitore fornisce un flusso di potenza unidirezionale ed è generalmente utilizzato in applicazioni al di sotto dei 5 kW. La Figura 4-3 mostra la topologia del convertitore risonante LLC.

Il collegamento in parallelo e la sincronizzazione di più moduli convertitore LLC per aumentare la capacità di potenza sono difficoltosi e spesso richiedono una logica di controllo esterna per un’implementazione sicura. Il basso rapporto di/dt nei progetti ad alta tensione di uscita (maggiore di 400 V) rende piuttosto complicata l’implementazione della rettificazione sincrona nel convertitore LLC. La corrente di ripple e la sollecitazione di tensione di picco sui dispositivi attivi e passivi sono sensibilmente elevate: pertanto è necessaria una capacità di uscita maggiore per gestire questa ondulazione elevata. Anche il trasformatore del convertitore LLC presenta dimensioni leggermente superiori: questi componenti passivi riducono quindi sensibilmente la densità di potenza del convertitore. Poiché questo convertitore commuta durante l’accensione e lo spegnimento, le prestazioni EMI sono migliori rispetto ad altre topologie hard switching trattate in precedenza. Il Progetto di riferimento per convertitore risonante LLC interlacciato a due fasi con utilizzo di MCU C2000™ di TI contiene dettagli sull’implementazione di questo convertitore.

4.4 DAB in modalità CLLLC

La CLLC comprende tutte le funzionalità della LLC descritte in precedenza, ma uno dei principali vantaggi di questa topologia sta nell’uso di interruttori attivi attraverso il secondario, che permette di ottenere un trasferimento di potenza bidirezionale come mostra la Figura 4-4. Il funzionamento ZVS/ZCS di questo convertitore si traduce in una maggiore efficienza. Nei casi in cui è possibile variare la tensione del bus di un margine del 10%, questo convertitore può coprire un ampio intervallo di tensioni della batteria con buone prestazioni in termini di efficienza; tuttavia, con una tensione del bus fissa, l’intervallo di funzionamento è molto limitato. Con i condensatori sul lato primario e secondario del trasformatore si evita quindi il problema della saturazione del nucleo del trasformatore.

Questo convertitore è adatto principalmente per applicazioni con caricabatterie di bordo, ma può essere utilizzato a livelli di potenza più elevati fino a 10 kW. Tuttavia, scalare a livelli di potenza più elevati e il collegamento in parallelo possono essere difficili in quanto richiedono una struttura fortemente simmetrica del serbatoio e la sincronizzazione di più moduli, che possono risultare piuttosto difficoltosi. Il Progetto di riferimento per DAB (Dual Active Bridge) risonante CLLLC bidirezionale per caricabatterie di bordo per HEV/EV di TI contiene dettagli sull’implementazione di questo convertitore.

4.5 Riepilogo delle topologie CC/CC

La Tabella 4-1 confronta e riassume le topologie CC/CC trattate in precedenza.

5 Tendenze emergenti per l’infrastruttura di ricarica rapida in CC

Le topologie di conversione di potenza all’avanguardia trattate in precedenza stanno determinando la necessità di convertitori bidirezionali, ad alta densità di potenza e scalabili e stanno spingendo il settore verso le ultime tendenze nel campo della ricarica di veicoli elettrici, ossia concetti come i caricabatterie portatili e la tecnologia Vehicle to Grid (V2G). Questo capitolo tratta questi sviluppi.

5.1 Caricabatterie portatili

Pochi OEM nel settore automotive stanno esplorando la possibilità di sfruttare l’onnipresenza di caricabatterie in CC per portare all’eliminazione dei caricabatterie di bordo (OBC) sui veicoli elettrici negli anni a venire, rendendo i veicoli elettrici più efficienti e convenienti. Abbinando un caricabatterie portatile in CC (a ridotto fattore di forma) a ogni veicolo elettrico, gli OEM nel settore automotive potrebbero cercare di eliminare gli OBC dai veicoli elettrici. Eliminare gli OBC dalle auto porta numerosi vantaggi, come:

• Ridotto costo complessivo del sistema, in quanto i dispositivi/il sistema con qualifica Q100 potrebbero non essere necessari
• La manutenzione dei caricabatterie per veicoli elettrici risulta semplificata, senza più tempi di fermo per il veicolo elettrico in caso di guasti del caricabatterie
• Maggiore efficienza, ossia più chilometri per ogni carica grazie alla riduzione del peso totale del veicolo
• Ma soprattutto, la velocità di ricarica non sarà più limitata dalla potenza nominale dell’OBC (come nel caso dell’utilizzo di un caricabatterie in CA L1 o L2)

Si prevede che questi caricabatterie siano portatili, ossia che si possano tenere in mano con un fattore di forma ridotto, con raffreddamento a convezione naturale (quindi senza ventole). Queste caratteristiche potrebbero far sì che i produttori si rivolgano all’architettura basata su GaN/SiC, che può commutare nell’ordine dei 100 s dai kHz a pochi MHz, in modo da ridurre le dimensioni dell’intero caricabatterie e ridurre le emissioni termiche. La Figura 5-1 mostra lo schema a blocchi di un caricabatterie portatile per veicoli elettrici.

5.2 Tecnologia Vehicle-to-Grid (V2G)

La tecnologia «Vehicle to grid», detta anche V2G, consente di reimmettere nella rete elettrica nazionale («grid») l’energia immagazzinata nei veicoli elettrici per aiutare a fornire energia nei momenti di picco della domanda. In ogni momento, oltre il 90% delle auto rimane parcheggiato, il che significa che una grande quantità di energia rimane ferma senza fare nulla. Questa energia può essere utilizzata per il bilanciamento della rete in modo che vi sia abbastanza elettricità nella rete quando tutti ne abbiamo bisogno. Da questo deriva la necessità di avere convertitori bidirezionali nelle stazioni di ricarica per i veicoli elettrici. La Figura 5-2 mostra un veicolo elettrico collegato ad una stazione di ricarica con convertitori bidirezionali all’interno della stazione di ricarica stessa che consentono di sfruttare l’energia immagazzinata nella batteria per stabilizzare le intermittenze in rete.

6 Conclusione

La scelta definitiva di una topologia di potenza dipende essenzialmente dal caso d’uso previsto per lo specifico caricabatterie per veicoli elettrici, ossia, ad esempio, dai livelli di potenza, dall’efficienza e dagli obiettivi di densità di potenza. Mentre per i caricabatterie ad alta potenza sulle strade principali (o per i caricabatterie per flotte) è possibile rivolgersi a complessi PFC trifase multilivello e stadi CC-CC per aumentare sempre più l’energia al loro interno, nel caso dei nuovi ed emergenti caricabatterie portatili potrebbe essere interessante un semplice stadio PFC totem-pole interlacciato seguito da uno stadio LLC in CC/CC. Con l’interesse verso nuovi requisiti come nel caso della V2G, gli ingegneri potrebbero trovarsi a limitare le loro scelte in termini di topologia a quelle che supportano un trasferimento di potenza bidirezionale tra il veicolo e la rete.

A prescindere da questi aspetti e dalla scelta operata per il caso d’uso, i progressi nel campo dell’elettronica di potenza in combinazione con la tecnologia dei semiconduttori offrono tutto ciò che serve per creare la giusta stazione di ricarica rapida in CC per veicoli elettrici di nuova generazione.

7 Bibliografia

• Progetto di riferimento per la correzione del fattore di potenza trifase basato su raddrizzatore Vienna con utilizzo della MCU C2000
• Progetto di riferimento per inverter trifase di tipo T, a tre livelli, da 10 kW per inverter di stringa per fotovoltaico
• Progetto di riferimento per PFC totem-pole da 6,6 kW al 98,6% di efficienza per caricabatterie di bordo per HEV/EV
• Progetto di riferimento per Power Factor Correction (PFC) bridgeless totem-pole Gan CCM ad alta efficienza
• Design and Implementation of a Highly Efficient Three-Level T-Type Converter for Low-Voltage Applications, M. Schweizer, J. W. Kolar, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, N. s2, pagg. 899-907, febbraio 2013
• Progetto di riferimento per DAB (Dual Active Bridge) risonante CLLLC bidirezionale per caricabatterie di bordo per HEV/EV
• Progetto di riferimento per DAB (Dual Active Bridge) bidirezionale per stazioni di ricarica di veicoli elettrici di livello 3
• Convertitore di potenza CC/CC PSFB (Phase-Shifted Full Bridge)
• Progetto di riferimento per convertitore risonante LLC interlacciato a due fasi con utilizzo di MCU C2000™
• R.W. A. A. De Doncker, D. M. Divan e M. H. Kheraluwala, «A threephase soft-switched high-power-density dc/dc converter for high-power applications», IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 27, n. 1, pagg. 63–73, gen./feb. 1991.
• H. Kheraluwala, R. W. Gascoigne, D. M. Divan e E. D. Baumann, «Performance characterization of a high-power dual active bridge dc-to dc converter», IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 28, n. 6, pagg. 1294–1301, nov./dic. 1992.

• A.K. Jain e R. Ayyanar, «PWM Control of Dual Active Bridge: Comprehensive Analysis and Experimental Verification», IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, n. 4, pagg. 1215-1227, aprile 2011.
• Panoramica del convertitore CC-CC bidirezionale isolato a doppio ponte attivo per sistema di conversione dell’alimentazione ad alta frequenza Biao Zhao, membro studente, IEEE, Qiang Song, membro, IEEE, Wenhua Liu, membro, IEEE e Yandong Sun

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