I relè contribuiscono ad aiutare a colmare il divario in atto nelle risorse di ricarica dei veicoli elettrici

Autore: Steve Drumm, Strategic Marketing Manager, OMRON Electronic Components Europe

Il passaggio ai veicoli elettrici è ostacolato dalla lentezza di implementazione di strutture di ricarica più veloci e affidabili. I caricatori Mode 4 promettono di colmare questo divario ma il loro design presenta alcune sfide importanti. I relè sono componenti chiave per far sì che questa nuova generazione di prodotti soddisfi la domanda di processi di ricarica più rapidi pur mantenendo elevati standard di sicurezza e affidabilità.

I dati dell’Associazione europea dei produttori di automobili (ACEA) evidenziano un enorme divario tra la domanda di veicoli elettrici e la disponibilità di strutture di ricarica affidabili. Per raggiungere gli obiettivi di riduzione di CO2, le vendite di veicoli elettrici dovranno aumentare massicciamente in tutti i paesi dell’UE. Uno studio recente evidenzia che per raggiungere la riduzione del 55% di CO2 proposta per le auto, entro il 2030 saranno necessari fino a 6,8 milioni di punti di ricarica pubblici. Ciò equivale a una crescita di ventidue volte in meno di 10 anni.

I caricatori Mode 4 convenzionali permettono di soddisfare questo profilo di crescita offrendo una ricarica molto più veloce che consente a ciascuna unità di servire più veicoli al giorno. I parcheggi pubblici e privati dovranno offrire agli utenti la possibilità di ricaricare rapidamente il loro veicolo.

Inoltre, grazie alla loro flessibilità, i caricatori vehicle-to-home (V2H) e vehicle-to-grid (V2G) offrono alle flotte di auto elettriche nazionali l’opportunità di diventare delle vere e proprie batterie su ruote. L’elettricità immagazzinata in questi sistemi può essere immessa nell’impianto di casa o nella rete elettrica quando se ne presenta la necessità, garantendo praticità ed efficienza economica. La ricarica rapida permette di ricaricare prontamente la batteria del veicolo non appena si presenta l’occasione.

Tutti e tre i tipi di caricatori richiedono relè di alimentazione DC compatti ed efficienti dal punto di vista energetico che permettano lo spegnimento di sicurezza del relè principale e di altre parti del circuito.

Requisiti per la ricarica di veicoli elettrici

Chiamata anche “ricarica rapida DC”, la ricarica Mode 4 utilizza un caricatore esterno (un quadro a parete fisso collegato in modo permanente e un sistema di ricarica a piedistallo) con un’uscita DC (Figura 1). Si tratta dell’unica modalità in cui il caricatore di bordo del veicolo elettrico viene bypassato e la corrente DC viene erogata direttamente alla batteria. Questo sistema offre una ricarica altamente efficiente, ideale per applicazioni convenzionali, V2H e V2G. Le specifiche prevedono una dotazione obbligatoria per la comunicazione digitale tra il veicolo elettrico e l’apparato di alimentazione del veicolo elettrico stesso, come descritto nella norma IEC 61851-24.

Figura 1: configurazione di un tipico caricatore Mode 4

La ricarica del veicolo elettrico può essere sia più veloce sia più efficiente rispetto ai Mode AC 1, 2 o 3. Il Mode 4 permette di erogare fino a 600 VDC con una corrente massima di 400 A. L’elevata potenza trasmessa in questa modalità richiede dotazioni di sicurezza più rigorose, inclusa una funzione di disconnessione.

Caricatori convenzionali Mode 4

Nei caricatori Mode 4 convenzionali, il flusso di corrente avviene in una sola direzione: dal caricatore al veicolo. La funzione principale del relè è gestire la corrente di carica in modo affidabile stabilendo e interrompendo il circuito di alimentazione in base a un protocollo di segnale a norme IEC, commutando normalmente a carico ridotto o nullo. Durante la carica, il relè dovrebbe mantenere una resistenza di contatto molto bassa e assicurare al contempo una disconnessione di emergenza ad azione rapida quando necessario. Per fornire un ulteriore livello di sicurezza di disconnessione nel caso in cui uno dei contatti si saldi, viene generalmente utilizzata una configurazione SPST-NO monostabile sul binario positivo in combinazione con una configurazione STST-NO aggiuntiva sul binario negativo. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni bidirezionali. In ogni caso un caricatore EV deve essere in grado di rilevare permanentemente le condizioni di funzionamento dei relè e di effettuare una disconnessione per interrompere il flusso di corrente. Un circuito di precarica costituito da un relè SPST-NO posto solitamente in serie a un resistore può essere incluso opzionalmente a seconda del livello di tensione di lavoro DC e dei periodi di intervento in condizioni di attivazione a carico elevato. Questa configurazione fornisce una protezione dalla corrente DC di spunto, contribuendo a prolungare ulteriormente la durata dei contatti del relè principale. Le specifiche di durata da seguire, incluso l’isolamento di sicurezza e le certificazioni di omologazione, sono determinate dal produttore del caricatore.

Figura 2: OMRON G7L-2A-X 12 DC utilizzato per la disconnessione del relè principale in questo caricatore Mode 4 convenzionale.

Alcuni caricatori utilizzano circuiti che consentono la commutazione della tensione di uscita per caricare sia veicoli con batteria ad alta tensione (1.000 V), ad esempio camion e autobus elettrici, sia veicoli elettrici per passeggeri con batteria a bassa tensione (500 V). In questa applicazione, i relè vengono utilizzati nel circuito di commutazione per fornire un isolamento fisico di sicurezza completo tra le uscite.

Caricatori V2H e V2G

I sistemi Mode 4 V2H consentono alla batteria del veicolo elettrico di diventare un generatore di energia nell’ambito dell’impianto elettrico domestico. Nei sistemi V2G, la batteria del veicolo elettrico è generalmente collegata tramite un inverter e un contatore alla rete elettrica, esportandola invece di utilizzarla per il consumo domestico. In entrambi i casi, la differenza essenziale è che il flusso di corrente è bidirezionale, il che comporta alcune implicazioni nella scelta del relè.

Relè per caricatori Mode 4

OMRON fornisce relè compatti ed efficienti dal punto di vista energetico per la disconnessione di sicurezza del relè principale nei caricatori V2H e V2G convenzionali, nonché soluzioni per la protezione del circuito di precarica dalla corrente di spunto.

Per la disconnessione del relè principale, in alternativa al dispositivo G7L-X (configurazione a doppia interruzione polarizzata DPST-NO), OMRON ha inserito nella gamma di prodotti DC ad alta potenza il nuovo G9KB SPST-NO (non polarizzato, a doppia interruzione). Classificato per DC600V / 50A, il dispositivo è progettato per la commutazione DC ad alta potenza mono o bidirezionale. Questa soluzione permette di risparmiare spazio e di semplificare la progettazione, consentendo la commutazione della funzione di carica e scarica tramite lo stesso relè (a patto che la parte relativa alla sicurezza sia implementata come descritto in precedenza). Le caratteristiche includono una bassa resistenza di contatto iniziale per una minore dissipazione del calore e un consumo energetico della bobina eccezionalmente basso: 570 mW.

Figura 3: Il relè G9KB offre funzionalità bidirezionali.

Per la precarica DC, le opzioni includono il robusto relè di potenza compatto G2RG-X da 500 VDC/10 A. Il relè G2RG-X presenta un basso consumo (soli 0,8 W) e una configurazione a bobina singola, contro le due bobine presenti nei prodotti generalmente disponibili sul mercato. Un’alternativa è il G5PZ-X, anch’esso estremamente compatto. Un singolo relè G5PZ-X (che misura 15,2 x 26,4 mm), permette di gestire fino a 200 VDC/20 A, Quindi, due relè collegati in serie commuteranno fino a 400 VDC. Entrambi includono una funzione di controllo dell’arco per massimizzare la durata. Tale funzione è comune anche al modello G7L-X e al nuovo G9GB.

 

 Figura 4: il G2RG-X è una soluzione estremamente compatta per la precarica e la limitazione della corrente di spunto

Conclusione

Affrontare il divario di domanda individuato all’inizio di questo articolo significa non solo implementare un numero maggiore di caricatori ma anche aumentare le velocità di ricarica. Come spesso accade, i relè elettromeccanici – considerati componenti poco “affascinanti” – sono fondamentali per affrontare questo problema tanto quanto i componenti ritenuti più fondamentali. La diffusa implementazione di unità Mode 4 sicure e convenienti avrà un profondo impatto sulla disponibilità di strutture di ricarica pubbliche. Inoltre, un aumento dei punti di ricarica V2H e V2G offrirà ai proprietari di veicoli elettrici dotati di una struttura privata un livello completamente nuovo di flessibilità e libertà.

https://components.omron.com/eu-en/

 

Modalità di ricarica per veicoli elettrici:

• La ricarica Mode 1 prevede il collegamento del veicolo elettrico direttamente a una presa domestica standard.

• La ricarica Mode 2 prevede l’utilizzo del cavo di ricarica fornito con il veicolo elettrico

• La ricarica Mode 3 prevede una stazione di ricarica dedicata o una wall box installata in casa

• La ricarica Mode 4 utilizza un caricatore esterno con un’uscita DC e bypassa il caricatore nel veicolo elettrico

Steve Drumm, Strategic Marketing Manager, OMRON Electronic Components Europe