Ovvero, la gestione del calore nella ricarica dei veicoli elettrici. Come i caricabatteria AC per veicoli elettrici destinati a consumatori, aziende e industrie possono diventare più freddi, più piccoli e più durevoli.
L'attuale passaggio all'elettrificazione delinea uno stile di vita più pulito e più efficiente dal punto di vista energetico. D'altro canto, le aspettative degli utenti finali continuano a stimolare la domanda di apparecchiature più compatte, in grado di adattarsi in modo ordinato ed elegante agli spazi abitativi, garantendo al contempo prestazioni più elevate. La richiesta di prodotti più piccoli, sottili e veloci vale per tutti i prodotti, dagli accessori agli elettrodomestici, dagli adattatori di corrente ai caricabatteria, comprese le apparecchiature per l'assistenza dei veicoli elettrici (EVSE - electric vehicle service equipment).
Le wallbox EVSE ad alta potenza sono sempre più diffuse nelle case e nelle aziende. Queste wallbox supportano la ricarica in Modalità 3 (che prevede funzioni integrate di controllo e protezione) e possono caricare un veicolo elettrico fino a 22 kW partendo da un'alimentazione AC trifase. Grazie alla praticità di accesso a una ricarica sicura e protetta, ideale per l'uso notturno o durante la giornata lavorativa, queste wallbox possono certamente contribuire a fugare qualsiasi preoccupazione in merito a velocità di ricarica e autonomia, spesso citate come le ragioni principali che frenano gli automobilisti nell'adozione dei veicoli elettrici come mezzo di trasporto quotidiano.
Allo stesso tempo, le dimensioni e l'estetica sono molto importanti e rappresentano un fattore di differenziazione fondamentale tra i produttori. Tuttavia, stipare i circuiti nel contenitore più piccolo e sottile possibile comporta importanti sfide di gestione termica per garantire l'affidabilità a lungo termine dell'EVSE e la sicurezza dell'utente.
Wallbox come queste, infatti, possono essere utilizzate in modalità continua o collegate a più veicoli in rapida successione, soprattutto se installate in un ambiente lavorativo, offrendo poche o nessuna possibilità di raffreddamento tra una ricarica e l'altra. Alla luce diretta del sole, la temperatura interna di una wallbox può facilmente raggiungere i 70-80 °C e subire variazioni di 50-60 °C nel giro di un paio d’ore.
Sebbene le unità dotate di sensori di temperatura possano limitare la corrente di carica in condizioni di sovratemperatura e aumentandone così la sicurezza, ciò comporta velocità di carica più lente e una ridotta praticità d'uso. In una giornata particolarmente calda o se un guasto causa un surriscaldamento, la wallbox potrebbe non funzionare affatto. Affrontare queste sfide termiche può migliorare l'affidabilità, la sicurezza e l'esperienza dell'utente.
Caricabatteria: effetti di autoriscaldamento
All'interno dei circuiti della wallbox, i componenti resistivi, i transistor di potenza, gli induttori, gli avvolgimenti dei trasformatori, i cavi e i connettori sono soggetti a un effetto di autoriscaldamento dovuto alla dissipazione di potenza che aumenta con l’I2R (quadrato del flusso di corrente).
Nella wallbox una quantità sorprendente di calore correlato all'effetto I2R è associata alla resistenza di contatto del dispositivo di commutazione principale, che solitamente è un relè o un contattore elettromagnetico. A differenza dei transistor di potenza, che possono essere collegati in parallelo per distribuire la corrente di carico, il collegamento in parallelo dei dispositivi elettromagnetici non è praticabile. Poiché la corrente a pieno carico deve transitare attraverso il relè, la resistenza del contatto quando è chiuso comporta un effetto riscaldante considerevole. Anche un aumento di un solo milliohm nella resistenza dei contatti del relè può equivalere a un incremento della temperatura del terminale di carico di ben 18˚C.*
Naturalmente non è pensabile prevedere una dissipazione eccessiva del calore all'interno dell'involucro della wallbox, e sarebbe anche da ostacolo allo sviluppo di design più sottili e compatti. Per un dato carico termico, un involucro di piccole dimensioni presenta una superficie minore attraverso cui dissipare il calore, quindi subirà un aumento di temperatura maggiore. Inoltre, disporre i componenti in modo più compatto in uno spazio ridotto può limitare il flusso d'aria e favorire l’insorgere di hot spot localizzati. Questo insieme di fattori può rendere necessaria una gestione termica aggiuntiva, basata per esempio su dissipatori di calore o raffreddamento attivo tramite ventola. Tuttavia, ciò aumenta il costo e la complessità della wallbox. Inoltre, una ventola può essere rumorosa e compromettere l'affidabilità complessiva.
Evoluzione dei relè
Riducendo il carico termico derivante dai componenti elettrici, compresi i contatti dei relè, si può uscire da questa situazione di stallo e offrire ai progettisti una maggiore libertà nel ridurre le dimensioni delle wallbox. I progressi nella progettazione dei relè più all'avanguardia consentono oggi di realizzare nuove soluzioni compatte con fattori di forma idonei per montaggio su PCB. Questi relè combinano elevata capacità di corrente e bassa resistenza di contatto, con conseguente riduzione delle specifiche di dissipazione e aumenti di temperatura più contenuti.
Storicamente, i relè PCB sono stati largamente utilizzati in applicazioni fino a circa 25 A. Per correnti più elevate, i progettisti preferivano ricorrere a dei contattori, cioè componenti esterni montati su guida DIN e dotati di terminali a vite. I più recenti relè PCB introducono nuove funzionalità rivolte alla gestione di correnti notevolmente superiori a 25 A. Questi relè possono sostituire i contattori tradizionali in apparecchiature quali sistemi industriali ad alta potenza e condizionatori di potenza di livello industriale.
Tra i nuovi relè ad alta potenza che emergono come risultato di questa tendenza, la serie Omron G9KC presenta una resistenza di contatto iniziale garantita inferiore a 6 milliohm, circa la metà di qualsiasi soluzione equivalente sul mercato, e contiene funzionalità ottimizzate per applicazioni wallbox AC. Oltre a migliorare l'efficienza e le prestazioni di carica, la bassissima resistenza a pieno carico (32 A per fase attiva) riduce significativamente gli hot spot causati dal flusso di corrente e riduce la probabilità di limitazione della corrente. Anche l'affidabilità e la longevità sia dei relè stessi che dei componenti circostanti risultano migliorate. Fondamentalmente, il relè mantiene una bassa resistenza di contatto per tutta la sua vita utile. Ciò è particolarmente importante se si considera che, in genere, una wallbox resti in funzione per diversi anni.
Il cuore del G9KC è un design di contatto a doppia interruzione accoppiato meccanicamente, sviluppato in modo specifico per queste applicazioni. Il tutto garantisce una resistenza al top della categoria grazie alla struttura migliorata della scheda di contatto (culla), che aumenta significativamente l'efficienza energetica riducendo al contempo la dissipazione di calore. Di conseguenza, con una buona progettazione complessiva del caricabatteria, le temperature di esercizio in una tipica wallbox da 22 kW a 32 A possono essere ridotte fino a 10 °C. Ciò non solo rende la ricarica più rapida ed efficiente, ma permette anche ai progettisti di sviluppare wallbox più compatte e robuste.
Con una distanza di 4 mm tra i contatti principali e una capacità di cortocircuito di 10 kA, testata secondo la norma IEC62955 (approvata TUV), il G9KC supera addirittura i requisiti del prossimo standard sui sistemi di ricarica conduttiva per veicoli elettrici (IEC 61851 ED4). Inoltre, grazie alla sua struttura compatta a 4 poli, il G9KC può sostituire contattori multipolari più grandi o fino a quattro relè unipolari individuali. Questa utile combinazione amplia il campo di applicazione includendo soluzioni Behind the Meter (BTM), all’interno di caricabatteria per veicoli elettrici e In Front of Meter (FTM).
Conclusioni
Sebbene i caricabatteria Mode-3 offrano praticità e sicurezza per affrontare l’ansia da autonomia degli utenti dei veicoli elettrici, l’infrastruttura di ricarica deve continuare a migliorare per poter soddisfare la rapida crescita del mercato. L’utilizzo di componenti più efficienti dal punto di vista termico potrebbe consentire ai progettisti di aggiungere ulteriori funzionalità, come sensori aggiuntivi per monitorare la velocità di ricarica, mentre ulteriori sviluppi futuri potrebbero includere la ricarica wireless.
D'altro canto, la gestione termica continuerà a rappresentare una delle sfide progettuali più critiche per determinare dimensioni, forma, efficienza, affidabilità e sicurezza delle wallbox. Gli ultimi sviluppi nella tecnologia dei relè contribuiscono a rendere i nuovi design discreti e semplici da installare, oltre a garantire una ricarica più efficiente.
*Condizioni di simulazione termica di riferimento: Corrente di trasporto 32A su tre terminali di carico. T.Amb.85 ℃. Scheda di valutazione PCB (2 strati di rame larghi 10 mm e profondi 0,3 mm)
