Tendenze di mercato e tecnologia per le stazioni di ricarica per veicoli elettrici

I veicoli elettrici (EV) vengono promossi a un ritmo rapido a causa della regolamentazione delle emissioni di CO2, l'elettrificazione delle automobili sta progredendo in tutto il mondo e ogni paese si concentra sull'elettrificazione, ad esempio vietando la vendita di nuovi veicoli con motore a combustione interna (ICE). dopo il 2030. La diffusione dei veicoli elettrici significa anche che l’energia distribuita come la benzina verrà sostituita dall’elettricità, aumentando l’importanza e la diffusione delle stazioni di ricarica. Presenteremo in dettaglio le tendenze del mercato delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici, le tendenze tecnologiche e i semiconduttori ottimali.

Le stazioni di ricarica per veicoli elettrici possono essere classificate in 3 tipi: Caricabatterie CA di livello 1 – Caricatori residenziali, Livello CA 2 – Caricabatterie pubblici e Caricabatterie rapidi CC per supportare la ricarica rapida dei veicoli elettrici. Con l’accelerazione della penetrazione globale dei veicoli elettrici, l’uso diffuso delle stazioni di ricarica è essenziale e le previsioni di Yole Group (Figura 1) prevedono che il mercato dei caricabatterie CC crescerà a un tasso di crescita annuo composto (CAGR 2020-26) del 15,6%.

La figura 2 seguente mostra un esempio di circuito di una stazione di ricarica CC per veicoli elettrici. Si prevede che l’adozione di veicoli elettrici raggiungerà i 140-200 milioni di unità entro il 2030, il che significa che avremmo almeno 140 milioni di piccoli accumulatori di energia sulle ruote con uno stoccaggio aggregato di 7 TWH. Ciò comporterebbe una crescita nell’adozione di caricabatterie bidirezionali sul veicolo elettrico stesso. Tipicamente, vediamo due tipi di tecnologie: V2H (Vehicle to Home) e V2G (Vehicle to Grid). Con la crescita dell’adozione dei veicoli elettrici, V2G mira a fornire quantità sostanziali di elettricità dalle batterie dei veicoli per bilanciare le richieste energetiche. Inoltre, la tecnologia può ottimizzare l’utilizzo dell’energia in base all’ora del giorno e ai costi delle utenze; ad esempio, durante i periodi di picco di utilizzo dell’energia, i veicoli elettrici possono essere utilizzati per restituire energia alla rete e possono essere caricati durante le ore non di punta a un costo inferiore. La Figura 3 mostra l'implementazione tipica del caricabatterie per veicoli elettrici bidirezionale.

La seguente figura 4 mostra le tendenze del mercato per ciascun metodo di ricarica CC e tensione della batteria del veicolo elettrico. Ridurre il tempo di ricarica è essenziale per la penetrazione dei veicoli elettrici e il passaggio a metodi di ricarica che supportano una potenza e una tensione più elevate sta progredendo. Inoltre, modularizzando l’alimentatore interno e distribuendo la potenza in base al carico, è possibile caricare più veicoli elettrici contemporaneamente, eliminando così la congestione della ricarica.

Successivamente parleremo dei semiconduttori utilizzati nelle stazioni di ricarica CC. Possiamo vedere chiaramente che la tendenza per la ricarica CC è verso una potenza e una tensione più elevate. Pertanto si desidera che i semiconduttori di potenza utilizzati abbiano perdite di potenza inferiori. Questo perché con una maggiore erogazione di potenza, anche se l'efficienza del sistema è la stessa, la perdita di potenza totale può essere molto elevata. Ad esempio: le cariche CC da 50 kW con efficienza del 98% hanno una perdita di potenza di 1 kW, mentre i caricabatterie CC da 400 kW con la stessa efficienza avrebbero una perdita di potenza di 8 kW. Quindi, il risultato è un sistema di raffreddamento molto grande. Ciò spinge gli ingegneri a prendere in considerazione i dispositivi di nuova generazione di potenza per ridurre la perdita di potenza. Negli ultimi anni, le aspettative non solo per gli IGBT (transistor bipolari a gate isolato) in silicio (Si) ma anche per i MOSFET (transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo) al carburo di silicio (SiC) sono in aumento. I progetti basati su MOSFET consentono una rettifica sincrona, frequenze di commutazione più elevate, sistemi di raffreddamento meno costosi e componenti passivi più piccoli.

La tabella 1 mostra le tendenze dei semiconduttori per le stazioni di ricarica CC. Come accennato, i semiconduttori di potenza devono supportare elevata potenza e alta tensione con perdite inferiori. Per i microcontrollori e i circuiti integrati di gestione dell'alimentazione, è auspicabile integrare funzioni di sicurezza e protezione, alta sicurezza, aggiornamenti di comunicazione wireless Firmware Over-the-Air (FOTA), funzioni periferiche, per ridurre la distinta base (BOM); e i circuiti integrati gate driver sono simili ai microcontrollori e ai circuiti integrati di gestione dell'alimentazione in cui vi è la richiesta di ridurre la distinta base con supporto ad alta tensione e tecnologia per la commutazione di semiconduttori di potenza con semiconduttori con perdita di potenza inferiore.