L'efficienza e la sicurezza sono tra i requisiti principali nella progettazione dei veicoli elettrici (EV). Entrambi sono influenzati dagli sviluppi della tecnologia delle batterie oltre che dalle architetture dei veicoli, e qualsiasi modifica richiede che la corrente assorbita nei punti critici del sistema sia attentamente e continuamente monitorata dal processo di ricarica delle batterie fino al controllo dei motori ad alta potenza del veicolo. Per questo motivo, sono essenziali i dispositivi di rilevamento della corrente adeguati, e che il raggiungimento della massima efficienza possibile in termini di costi e la facilità di integrazione siano al centro di ogni considerazione.
I Sensori di Corrente come Punto Centrale
I sensori di corrente svolgono un ruolo significativo nello sviluppo e nel miglioramento degli EV e si trovano nell'intero ecosistema dei veicoli elettrici, dagli on-board charger (OBC), nelle fasi di conversione della potenza e della corrente, ai sistemi di gestione della batteria e al controllo dei motori del veicolo elettrico. Garantiscono la sicurezza della batteria e la gestione efficace delle alte tensioni coinvolte. I sensori di corrente fanno anche parte dei sistemi sviluppati per l'infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici, sia domestica che commerciale.
La sicurezza del sistema e dei componenti a bordo dei veicoli è gestita dal BMS (Battery Management System), dove sono necessari sensori di corrente ad alta precisione per misurare e monitorare lo stato delle batterie e consentire una precisa stima dell'autonomia di guida. Un sensore di corrente qui monitora la corrente dentro e fuori dalla batteria, per controllarne lo stato di carica e di salute. Contribuisce anche all'architettura di sicurezza del BMS a seconda del livello di sicurezza ASIL.
Ed è qui che LEM offre la serie CAB, dispositivi di monitoraggio della corrente, basati sulla sua nota e consolidata tecnologia Fluxgate. Questi dispositivi rappresentano la migliore soluzione di monitoraggio della corrente per pacchi batteria ad alta tensione, offrendo intervalli di 500A e 1500A DC e la misurazione della corrente bidirezionale fino a 1500A. Sono altamente efficienti dal punto di vista energetico, e forniscono anche un'elevata precisione (<0.5%), un basso offset (<50 mA) e la conformità ISO26262 ASIL C.
I sensori di corrente svolgono un ruolo importante, determinante anche nel controllo dei motori, dove monitorano il flusso di corrente attraverso gli avvolgimenti degli stessi, per un controllo accurato ed efficiente e una protezione da correnti eccessive. In genere, qui operano quattro sensori: uno nello stadio di ingresso e uno per ciascuna delle tre fasi del motore in uscita, con i loro segnali poi utilizzati in un loop di controllo per ottimizzare il sistema.
I dispositivi LEM HC16F e HAH3 a effetto Hall offrono la migliore misurazione della corrente per il controllo motori monofase e trifase. La famiglia di sensori HC16F è stata progettata specificamente per la misura delle correnti DC, AC e pulsate in sistemi automobilistici ad elevata potenza, mentre la famiglia di prodotti HAH3 comprende sensori di corrente trifase, che misurano la corrente DC, AC e pulsata in ambienti ad alta potenza e bassa tensione.
Figura 1
Sensori di Corrente negli OBC
Poiché gli OBC sono anche l'interfaccia con l'utente finale, la sicurezza nell’alta tensione è importante e, in particolare, il monitoraggio delle perdite di corrente. I sensori di corrente sono una parte cruciale degli OBC, in particolare negli OBC bidirezionali, dove è necessario non solo misurare e controllare la corrente che entra ed esce dal veicolo, ma anche monitorare con precisione la corrente di dispersione AC e DC senza fluttuazioni per garantire la sicurezza dell'utente finale.
Per evitare rischi di tipo elettrico quando il veicolo è collegato alla rete AC, è importante che le correnti AC e DC siano rilevate correttamente. La corrente residua è la somma delle correnti di tutti i conduttori (eccetto la terra che è di protezione) che alimentano il sistema. Queste correnti possono derivare da guasti di isolamento e perdite e, nelle applicazioni di ricarica dei veicoli elettrici, i requisiti sono particolarmente rigorosi per rilevare sia le correnti di dispersione AC che DC. In un OBC bidirezionale, un RCD Type-A può risultare compromesso se una corrente di guasto DC supera i 6 mA.
Il dispositivo potrebbe non rilevare o non scattare correttamente, il che potrebbe causare scosse elettriche.
Solo un dispositivo Residual Current Device (RCD) Type-B rileva con precisione sia le correnti residue AC che DC senza oscillazioni e il sensore CDT LEM è stato progettato specificamente per questo uso.
Il sensore di corrente CDT LEM è stato progettato per rappresentare l'abbinamento perfetto per RCM Type B in OBC bidirezionali, dove le correnti residue vengono rilevate e monitorate, comprese le correnti di dispersione AC e DC. Il CDT controlla la differenza della corrente tra due punti, consentendo di rilevare rapidamente i guasti. Le sezioni in cui si verifica il guasto possono quindi essere isolate, per evitare danni. Il CDT LEM è conforme alla norma ISO2626-2 ASIL B ready, il che ne fa il candidato perfetto per sistemi OBC bidirezionali; gli ingegneri possono accorciare il time-to-market e rispettare direttamente la nuova normativa ISO5474 per OBC bidirezionali.
Figura 2
Ricarica AC
Ci sono diversi tipi di ricarica, a partire da quella durante la notte, generalmente effettuata da privati, a quella in aree di servizio lungo le strade, pubblica e veloce.
La ricarica privata, effettuata a casa, è più conveniente, low-power, ed effettuata per lo più durante la notte. La ricarica sul posto di lavoro o, diciamo, anche in un hotel, può essere più breve, fino a sei ore, e quindi la velocità di ricarica dei veicoli aumenta nei punti pubblici come le stazioni di ricarica di destinazione, consentendo ai proprietari di veicoli di ricaricare la loro auto in pochi minuti. La ricarica a casa e sul posto di lavoro è normalmente tra i 7.4-22kW AC, mentre la ricarica in stazioni di servizio è del tipo 100kW DC. La ricarica a destinazione può essere di 11-22kW AC, <50kW DC o >400kW DC.
La ricarica AC richiede il monitoraggio della corrente residua e una misura accurata dell'uscita, mentre la ricarica DC richiede una misura accurata della corrente nel modulo AC/DC e per la misura dell'energia. I tipi di apparecchiature di ricarica AC includono IC-CPD, wall box o Colonnina, mentre per la ricarica DC possono essere wall box (11-30kW), fast charging (<250kW), super-fast (<400kW) o mega-fast (>400kW). Ogni tipo di apparecchiatura richiede il monitoraggio e la misura della corrente, garantendo che le correnti di dispersione AC e DC siano rilevate correttamente.
L’RCD Type-A è progettato per rilevare la corrente di dispersione e spegnere il circuito di cui monitora la sicurezza. Tuttavia, questo tipo di dispositivo è suscettibile al “blinding effect” che si verifica quando interpreta erroneamente una dispersione DC come AC normale, rendendolo meno efficace nel rilevare i guasti effettivi. La sostituzione di un RCD Type-A con un Type-B è una soluzione perfetta, poiché il Type B rileva con precisione sia le correnti residue AC che DC, eliminando il suddetto blinding effect associato agli RCD Type-A.
Un sensore di corrente di dispersione DC come il CDSR di LEM può essere utilizzato all'interno del set di cavi (Livello 1) o della wallbox (Livello 2). Il CDSR di LEM è stato sviluppato per soddisfare la domanda del mercato per stazioni di ricarica residenziali e commerciali, con opzioni per topologie monofase o trifase.
Figura 3
Ricarica DC
Quando si tratta di caricabatterie DC, ci sono principalmente due tipi: caricabatterie veloci e caricabatterie di destinazione. La differenza tra loro sta nella potenza in uscita e nella velocità di ricarica. I caricabatterie rapidi DC ad alta potenza possono ricaricare fino all'80-100% della batteria del veicolo elettrico in meno di 30 minuti, rendendoli quindi adatti per la ricarica rapida in viaggio, che si effettua nelle stazioni di ricarica pubbliche. In confronto, i caricabatterie di destinazione DC hanno una potenza di uscita inferiore, quindi impiegano diverse ore per caricare la batteria, ma sono più economici.
Una parte essenziale dei caricabatterie DC è il loro modulo AC/DC, che converte la AC dalla rete in DC affinché la batteria del veicolo elettrico possa immagazzinarla e utilizzarla. Man mano che la ricarica diventa più veloce, le densità di potenza all'interno delle stazioni di ricarica crescono. Alcuni contengono più moduli di potenza (convertitori AC/DC), ciascuno dei quali richiede sensori di corrente.
LEM offre diversi tipi di sensori di corrente per sistemi di ricarica DC, inclusi i suoi sensori integrati GO e HMSR, HLSR di tipo open-loop, sensori CKSR basati sulla tecnologia LEM Fluxgate, e LKSR, un tipo di sensore di corrente closed-loop, tra molti altri.
I sensori di monitoraggio della corrente residua Type-B con tecnologia Fluxgate sono la scelta migliore per i sistemi di ricarica ad alta tensione poiché offrono la migliore combinazione di sensibilità e immunità ai campi elettrici circostanti.
I sensori LEM con tecnologia Fluxgate (CDSR e CDT) possono identificare sia i guasti AC che le correnti residue DC che compaiono nei sistemi di ricarica EV ad alta tensione. La ricarica in corrente continua, e sicuramente vale per i luoghi pubblici di ricarica, deve anche fornire una misura accurata dell'energia per le sessioni di ricarica, quindi, per la fatturazione. Il processo di misura dell'energia è regolato dalla metrologia, per garantire accuratezza e affidabilità della misura. Questa regolamentazione è fondamentale poiché garantisce le prestazioni e protegge gli utenti finali da potenziali discrepanze nella fatturazione energetica.
LEM dispone di una propria famiglia di prodotti per Direct Current Billing Meter (DCBM), con soluzioni sia per sistemi di ricarica rapida DC che per sistemi di ricarica DC di destinazione. Tra questi ci sono le soluzioni complete LEM di misura dell’energia DCBM 400/600 e DCBM 100, nonché la nuova serie di energy meter DCES 600/1500A caratterizzate da precisi rilevamenti, misurazione e rendering della corrente.
Guidando il futuro
Visto l’affermarsi dei veicoli elettrici e la migrazione verso sistemi ad alta tensione, il rilevamento della corrente diventa una tecnologia sempre più importante per ottimizzare la loro efficienza e mantenere la loro sicurezza ai massimi livelli. LEM è all'avanguardia nell'innovazione della rilevazione della corrente, contribuendo ad accelerare l'adozione dei veicoli elettrici, aumentando progressivamente la densità di potenza nei dispositivi di rilevamento, a fronte di ingombri sempre più ridotti, rendendoli sempre più intelligenti attraverso più funzionalità e più facilità nel progettare.
