Perché il caricabatterie di bordo è progettato volutamente piccolo?

La velocità di ricarica di un veicolo elettrico a casa non è determinata dall'unità a muro, ma dal caricatore di bordo, mantenuto nella fascia di 7-22 kW.
La velocità di ricarica di un veicolo elettrico a casa non è determinata dall'unità a muro, ma dal caricatore di bordo, mantenuto nella fascia di 7-22 kW.

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A determinare la velocità di ricarica AC di un veicolo elettrico a casa non è l'unità di ricarica a muro, ma il caricabatterie di bordo all'interno del veicolo; questo dispositivo viene mantenuto deliberatamente nella fascia di 7-22 kW, ovvero in un intervallo di potenza ristretto, perché il carico principale della ricarica rapida è sostenuto dai convertitori DC sul lato della stazione. In questo articolo spieghiamo a livello di elettronica di potenza cosa fa l'OBC, perché è progettato piccolo e come la ricarica rapida DC lo bypassa.

In evidenza

  • Nella ricarica AC, la potenza che arriva alla batteria è il valore più piccolo tra la potenza massima della stazione e la potenza del caricabatterie di bordo del veicolo.
  • Le classi di potenza tipiche dell'OBC sono 7 kW, 11 kW e 22 kW in ordine crescente.
  • Il caricabatterie di bordo è tipicamente progettato per pesare meno di 5 kg ed essere compatto.
  • Nella ricarica rapida DC la conversione AC-DC avviene alla stazione; l'OBC viene escluso dal circuito e la corrente DC va direttamente alla batteria.
  • Nella ricarica rapida DC le potenze di picco variano tra 50 kW e 250 kW+ .

Cos'è Esattamente il Caricabatterie di Bordo e Cosa Fa?

Le unità a muro comunemente chiamate "caricabatterie" tecnicamente non sono caricabatterie; vengono definite apparecchiature di ricarica per veicoli elettrici, ovvero EVSE. Il vero caricabatterie si trova all'interno del veicolo: il caricabatterie di bordo converte la potenza AC proveniente dalla rete in potenza DC immagazzinabile nella batteria. Oltre a questa funzione, regola la tensione, comunica con l'apparecchiatura di ricarica e monitora costantemente la batteria.

Il ruolo dell'unità a muro è più modesto: comunica con il veicolo, determina la corrente massima che può passare attraverso il cavo e la corrente massima che l'OBC può accettare, interrompe l'alimentazione se il cavo non è collegato e apre il circuito in caso di guasto. In altre parole, la scatola a muro è un'unità di sicurezza e connessione; il lavoro di conversione lo svolge il veicolo. Questa distinzione è il punto di partenza di ogni dibattito sulla velocità di ricarica.

Perché è il Veicolo a Determinare la Velocità di Ricarica AC?

Il caricabatterie di bordo è il fattore limitante principale della velocità di ricarica AC. Determina ed egli stesso regola volt e ampere da inviare alla batteria. Per quanta potenza offra la stazione di ricarica, l'OBC non accetta mai più potenza della propria potenza nominale: un veicolo con potenza nominale di 7,2 kW, quando collegato a una stazione capace di erogare 19,2 kW a 80 A, si carica comunque solo a 7,2 kW.

Nella pratica, la potenza di ricarica AC è determinata dal più basso di quattro limiti: il cavo, il caricabatterie di bordo del veicolo, il numero di fasi che arrivano alla presa e l'alimentazione. Il calcolo della potenza è semplice: volt × ampere. 240 V × 30 A fanno circa 7,2 kW; con 48 A questo valore sale a circa 11,5 kW. Inoltre ogni veicolo ha due valori di potenza diversi: la potenza AC, più bassa, e la potenza DC, più alta. La differenza tra questi due valori è la conseguenza diretta della divisione dell'architettura in due percorsi di conversione separati.

Classi di Potenza: Perché la Fascia 7, 11 e 22 kW è Così Diffusa?

Le classi di potenza AC sul mercato si concentrano in tre livelli. 7 kW è lo standard per l'ambiente domestico monofase, 11 kW è la scelta per la casa trifase e le piccole imprese, mentre 22 kW è l'opzione AC più veloce offerta dal collegamento trifase. In termini puri di potenza, 11 kW è circa il 57% più veloce di 7 kW; questa differenza significa un risparmio di tempo di tre-quattro ore nella ricarica notturna.

Classe di PotenzaAmbienteTempo di Ricarica Completa (approssimativo)
7 kWCasa monofaseTutta la notte
11 kWCasa trifase / piccola impresa5-6 ore
22 kWTrifase, AC più veloce2,5-3 ore

Superare questi limiti è possibile solo per scelta del produttore: in modelli diffusi come la Nissan LEAF un OBC da 7,2 kW è considerato sufficiente, mentre la Lucid Air sale oltre questa fascia con un caricatore di bordo da 19,2 kW. Tuttavia la diffusione delle stazioni AC da 22 kW resta limitata a causa della necessità di un'infrastruttura trifase e delle omologazioni ufficiali; in altre parole, anche il tetto massimo lo determina l'infrastruttura.

Come la Ricarica Rapida DC Bypassa l'Onboard Charger?

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Nella ricarica rapida DC (DCFC) la conversione da AC a DC avviene non a bordo del veicolo ma nella stazione. La DC convertita alimenta direttamente la batteria senza mai passare per l'OBC; in questa modalità il veicolo gestisce il processo tramite il sistema di gestione della batteria (BMS). L'attrezzatura di ricarica DC classificata come Mode 4 fa esattamente questo lavoro di bypasso.

Per questo nella ricarica rapida DC il livello di potenza è in gran parte limitato solo dalla stazione: le velocità di picco spaziano dai 50 kW fino a valori superiori a 250 kW. È anche qui che risiede la logica architetturale del non spostare la conversione sul veicolo: l'elettronica dei convertitori nelle stazioni può essere molto più grande e potente di ciò che un veicolo potrebbe trasportare. Il veicolo non è costretto a portare con sé l'ingombrante hardware di conversione ogni volta.

Perché l'Onboard Charger è Progettato Piccolo di Proposito?

In un EV sia il carico trasportabile che il volume sono limitati; l'onboard charger è tipicamente progettato per essere più leggero di 5 kg e compatto. Superare questo limite ingrandisce tre costi contemporaneamente:

  • Costo: Un OBC con capacità più elevata aumenta direttamente il costo del veicolo.
  • Peso e volume: Ogni chilogramo in più è una penalità diretta in termini di autonomia e packaging.
  • Gestione termica: Potenza elevata significa più calore da gestire; gli OBC sono progettati con sistemi raffreddati ad aria o a liquido e un buon raffreddamento è critico per il controllo del calore.

Sul fronte ingegneristico ci sono anche modi per ridurre le dimensioni: nei caricabatterie multifunzione la condivisione di un dissipatore termico comune riduce le dimensioni complessive. Le tecnologie avanzate dei semiconduttori possono migliorare il compromesso tra densità di potenza ed efficienza, ma il prezzo da pagare richiede un design del gate-drive più attento, percorsi termici più curati e componenti magnetici avanzati. In altre parole, la riduzione di dimensioni non è "gratis"; ogni guadagno si paga in un'altra area dell'ingegneria.

L'Architettura 800V Cambia Questo Quadro?

L'architettura 800V è una decisione di sistema che comprende il pacco batteria, i convertitori DC-DC e i caricatori di bordo; fornendo maggiore potenza di ricarica a correnti più basse facilita la ricarica ultra rapida e può portare l'intervallo dal 10% all'80% sotto i 20 minuti. Si indica che presso stazioni idonee si può raggiungere circa l'80% in 20-30 minuti con potenze superiori a 200 kW; l'architettura può supportare velocità di ricarica fino a 350 kW.

La sfumatura da tenere presente è questa: la velocità offerta dagli 800V sta sul lato DC. In AC e nella ricarica domestica un'architettura 800V non offre alcun vantaggio, perché il tetto sul lato AC è comunque determinato dalla potenza nominale dell'OBC. Anzi, alcune unità di ricarica domestica bidirezionali riescono a gestire una batteria DC da 400V ma non una da 800V. Il fatto che un veicolo da 400V, collegato a una stazione da 800V, venga limitato a un'erogazione da 400V è un'altra faccia dello stesso principio: il limite è sempre il veicolo con il lato più stretto.

La ricarica AC lenta è più delicata per la batteria?

Non bisogna leggere la presenza di un OBC piccolo come un difetto. La ricarica AC è lenta, ma questa lentezza aiuta a preservare la salute della batteria per tutta la vita del veicolo; la ricarica domestica notturna è il regime in cui la batteria è sottoposta al minor stress. Il vantaggio di velocità della ricarica rapida DC è indiscusso ed è indispensabile per i lunghi viaggi, ma nell'uso quotidiano l'adeguatezza del lato AC è altrettanto indiscussa.

Inoltre è utile sapere che la ricarica a bassa potenza ha un limite pratico: alcuni veicoli consumano 100-200 W all'ora per mantenere il sistema attivo durante la ricarica. Questo consumo rallenta in modo sproporzionato una ricarica impostata a potenze molto basse; quindi, tanto quanto il limite inferiore dell'OBC, anche il carico costante del veicolo stesso determina la forma del flusso.

Conclusione: un OBC piccolo, un carico di lavoro ripartito correttamente

La piccola dimensione dell'onboard charger non è una mancanza, ma una scelta architetturale. Nella ricarica AC il tetto è determinato dal veicolo, nella ricarica DC la conversione viene trasferita alla stazione e il veicolo mantiene solo il lato dati e controllo della batteria. Un OBC nella fascia 7-22 kW mantiene peso, costo e carico termico a livelli ragionevoli, mentre la reale esigenza di velocità è soddisfatta dai giganteschi convertitori sul lato delle infrastrutture. È esattamente questa ripartizione la ragione per cui, leggendo i valori di ricarica di un EV, vediamo due numeri distinti: uno è l'unità piccola ma in funzione continua all'interno del veicolo, l'altro è la grande potenza della stazione che non viene mai trasportata a bordo.

Fonti