Nuovo modello di simulazione per colonnine di ricarica rapida
La mobilità elettrica sta vivendo una fase di trasformazione profonda e accelerata. Con cifre da record nelle vendite di veicoli elettrici (EV) in tutto il mondo, l’attenzione non si concentra più esclusivamente sui veicoli stessi, ma sempre di più sull’infrastruttura critica che li alimenta. Le stazioni di ricarica rapida in corrente continua (DC) sono diventate un componente essenziale per l’adozione di massa di questa tecnologia. Tuttavia, la loro integrazione nella rete elettrica solleva complesse sfide tecniche: come influisce l’aumento repentino della domanda di ricarica sulla stabilità della rete? Quali sono gli effetti delle distorsioni armoniche sulla qualità dell’energia? E, soprattutto, come è possibile progettare sistemi di ricarica che siano efficienti, affidabili e compatibili con la rete?
Rispondere a queste domande richiede strumenti precisi in grado di simulare il comportamento delle stazioni di ricarica DC in condizioni realistiche. È proprio in questo ambito che si colloca la ricerca pionieristica di Yang Chuangchuang e Yu Bo dell’Istituto di Ricerca dell’Energia Elettrica di State Grid. In uno studio recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Journal of Power Supply, i due ricercatori presentano un nuovo modello di simulazione per colonnine di ricarica per veicoli elettrici, basato su un’architettura a due stadi. Questo modello, implementato sulla piattaforma ampiamente utilizzata MATLAB/Simulink, offre un’elevata precisione ed è ideale per analizzare le interazioni tra veicoli elettrici e rete elettrica.
L’importanza di modelli di questo tipo non può essere sopravvalutata. A differenza dei veicoli convenzionali, che ottengono la loro energia da combustibili liquidi nei distributori, i veicoli elettrici prelevano energia direttamente dalla rete elettrica. Questa differenza fondamentale trasforma la dinamica del consumo energetico. Le sessioni di ricarica, specialmente presso le stazioni di ricarica rapida, generano picchi di carico elevati e concentrati nel tempo. Se un gran numero di veicoli si ricarica contemporaneamente, ciò può causare fluttuazioni di tensione, sovraccarichi nei trasformatori e una diminuzione generale dell’efficienza della rete di distribuzione. Per prevedere e prevenire tali scenari, è fondamentale disporre di modelli di simulazione che rappresentino con grande dettaglio il comportamento dinamico dei sistemi di ricarica.
Il modello sviluppato da Yang e Yu affronta questa sfida attraverso una selezione accurata e una combinazione di topologie consolidate di elettronica di potenza. L’idea centrale si basa sulla struttura a due stadi di un caricatore DC tipico. Il primo stadio, noto come rettificatore AC/DC, converte la corrente alternata trifase della rete pubblica in una tensione continua stabile. Il secondo stadio, un convertitore di tensione DC/DC, regola quindi questa tensione continua per soddisfare i requisiti specifici della batteria del veicolo. Le prestazioni e l’efficienza dell’intero processo di ricarica dipendono in gran parte dal rendimento di entrambi gli stadi.
Per il primo stadio, il rettificatore AC/DC, i ricercatori hanno scelto deliberatamente la topologia nota come Vienna. Questo circuito, sviluppato all’Università Tecnica di Vienna nel 1994, possiede diversi vantaggi chiave. A differenza dei rettificatori convenzionali a due livelli, il rettificatore Vienna è un rettificatore a tre livelli. Ciò significa che la tensione applicata ai dispositivi di commutazione di potenza è solo la metà della tensione continua totale di uscita. Questa riduzione della tensione migliora significativamente l’affidabilità dei componenti e permette un design più compatto e con maggiore densità energetica, un fattore cruciale per l’integrazione nelle stazioni di ricarica.
Un altro vantaggio fondamentale della topologia Vienna è la sua capacità intrinseca di correggere il fattore di potenza (PFC). Permette di mantenere la corrente di rete quasi sinusoidale e in fase con la tensione di rete. Ciò porta a un fattore di potenza vicino all’unità, il che significa che la potenza attiva trasmessa viene massimizzata e la potenza reattiva viene minimizzata. Questo non solo beneficia l’efficienza del caricatore stesso, ma alleggerisce anche la rete pubblica, generando meno potenza reattiva e riducendo così il carico sulla rete. Inoltre, la topologia garantisce una distorsione armonica significativamente inferiore della corrente di rete, migliorando la qualità dell’energia e facilitando il rispetto delle severe normative di connessione alla rete.
Un problema noto della topologia Vienna è la possibile disuguaglianza nella tensione dei due condensatori in serie del circuito del bus DC. Una distribuzione di tensione squilibrata può sovraccaricare uno dei condensatori e compromettere le prestazioni del sistema. Per risolvere questo problema, Yang e Yu hanno implementato una strategia di controllo avanzata. Hanno utilizzato un concetto di controllo a doppio anello con un regolatore di tensione esterno e un regolatore di corrente interno, entrambi basati su controllori proporzionali-integrali (PI). Questa struttura consente un controllo preciso della tensione di uscita e, allo stesso tempo, una forma ottimale della corrente di rete. Attraverso l’applicazione di tecniche di decoupling, si compensa la complessa interazione tra le componenti di corrente a livello di controllo, risultando in una risposta dinamica rapida e un’elevata stabilità.
Per il secondo stadio, il convertitore di tensione DC/DC, i ricercatori hanno selezionato la topologia Buck-Boost. Questa decisione si basa su un compromesso pragmatico tra prestazioni, costo e complessità. I convertitori isolati, come le topologie a ponte completo, offrono il vantaggio dell’isolamento galvanico, che migliora la sicurezza. Tuttavia, sono considerevolmente più costosi, più complessi da controllare e richiedono più spazio. Per molte applicazioni nel campo della ricarica dei veicoli, l’isolamento galvanico non è strettamente necessario, poiché l’isolamento è già presente nel veicolo attraverso la batteria.
La topologia Buck-Boost, d’altra parte, è un circuito non isolato che si distingue per la sua semplicità, basso consumo di spazio e bassi costi di produzione. Il suo vantaggio decisivo risiede nella sua funzionalità: può abbassare (modalità Buck) o aumentare (modalità Boost) una tensione di ingresso. Questa flessibilità è cruciale per le stazioni di ricarica DC, poiché i veicoli elettrici sono equipaggiati con batterie che operano a tensioni molto diverse, dai veicoli urbani compatti con basse tensioni ai modelli di lunga percorrenza ad alte prestazioni con sistemi di batterie ad alta tensione. Una stazione di ricarica dotata di uno stadio Buck-Boost può servire una vasta gamma di veicoli senza la necessità di hardware specializzato per ogni livello di tensione.
Per valutare le prestazioni del loro modello, Yang e Yu hanno condotto estese simulazioni in diverse condizioni operative. La validazione è stata effettuata in due fasi. In primo luogo, il caricatore è stato sottoposto a un carico puramente resistivo, che rappresenta un caso di prova semplice e stabile. I risultati sono stati impressionanti: indipendentemente dal fatto che la tensione di ingresso fosse impostata all’85%, al 100% o al 115% del suo valore nominale, la tensione di uscita è rimasta entro un intervallo di ±0,5% del valore obiettivo di 600 volt. Questo soddisfa i rigorosi requisiti di stabilità della tensione necessari per una ricarica sicura ed efficiente delle batterie agli ioni di litio.
Un altro parametro critico è l’ondulazione della tensione di uscita, ovvero le piccole fluttuazioni della tensione continua. Valori elevati di ondulazione possono causare processi di ricarica inefficienti, surriscaldare inutilmente la batteria e abbreviarne la vita utile. Le simulazioni hanno mostrato che l’ondulazione della tensione in tutti i casi di prova era inferiore all’1%, ben al di sotto del limite tipico del 5%. Questo è un chiaro indicatore della qualità dell’energia prodotta dal modello.
Particolarmente importante è l’analisi della distorsione armonica della corrente di rete. Le correnti armoniche sono frequenze che sono multipli della frequenza fondamentale (50 Hz). Possono causare surriscaldamento di trasformatori e cavi, ridurre l’efficienza della rete e provocare interferenze con altri apparecchi elettrici. Le norme internazionali e nazionali stabiliscono limiti rigorosi per la distorsione armonica totale (THD). Le simulazioni hanno rivelato che la THD della corrente di rete a pieno carico era di un impressionante 1,3%, ben al di sotto del limite spesso richiesto del 13%. Questo sottolinea le eccezionali prestazioni della topologia Vienna in combinazione con il controllo PI preciso.
Per aumentare ulteriormente la vicinanza alla realtà del modello, i ricercatori hanno sostituito la resistenza puramente resistiva con un modello dettagliato della batteria, il noto modello PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles). Questo modello, basato su principi fisici, simula in modo realistico il comportamento non lineare complesso di una batteria agli ioni di litio, inclusa la sua resistenza interna, la sua tensione a circuito aperto e la sua dipendenza dallo stato di carica (SoC). La simulazione con questo modello di carico dinamico si avvicina molto di più al mondo reale del processo di ricarica rispetto a un test con una resistenza fissa.
Anche in queste condizioni più complesse, il modello si è dimostrato convincente. Il processo di ricarica ha raggiunto uno stato stabile in 0,3 secondi. La tensione di uscita si è stabilizzata a 600,1 volt, con un’oscillazione picco-picco di soli 10,52 volt, corrispondente a un coefficiente di ondulazione dello 0,9%, nuovamente entro i limiti accettabili. La THD della corrente di rete è stata dell’1,10%, confermando la compatibilità con la rete del sistema anche durante l’interazione con una batteria reale. Questi risultati dimostrano che il modello è adatto non solo per analisi teoriche, ma anche per la simulazione di scenari di ricarica realistici.
Le implicazioni pratiche di questa ricerca sono ampie. Un modello di simulazione validato come questo è uno strumento indispensabile per i gestori di rete, i pianificatori energetici e gli sviluppatori di sistemi di ricarica. I gestori di rete possono utilizzarlo per simulare l’impatto di una flotta massiccia di veicoli elettrici sulle loro reti di distribuzione. Possono indagare su come la ricarica non coordinata, specialmente durante le ore serali, influisca sui livelli di tensione e sul carico dei trasformatori. Sulla base di queste analisi, possono sviluppare strategie per appiattire i picchi di carico, ad esempio promuovendo la ricarica notturna o introducendo tariffe dinamiche.
Per l’industria, il modello offre la possibilità di testare e ottimizzare virtualmente nuovi sistemi di ricarica prima della costruzione di prototipi costosi. Gli sviluppatori possono confrontare diverse topologie di circuito, strategie di controllo e componenti nella simulazione per trovare la migliore combinazione di efficienza, costo e compatibilità con la rete. Questo accelera significativamente il processo di innovazione e riduce i costi di sviluppo.
Inoltre, il lavoro fornisce un contributo importante all’integrazione delle energie rinnovabili. I veicoli elettrici non possono solo funzionare come consumatori di energia, ma anche come accumulo mobile (Vehicle-to-Grid, V2G). Un modello preciso del sistema di ricarica è un prerequisito per studiare come i veicoli possano immagazzinare energia in eccesso da pannelli solari o parchi eolici e restituirla alla rete quando necessario. Ciò potrebbe contribuire alla stabilizzazione della rete e massimizzare l’uso delle energie rinnovabili.
La scelta della piattaforma MATLAB/Simulink è strategicamente intelligente. Questo software è ampiamente utilizzato nella ricerca accademica e industriale in tutto il mondo. La disponibilità del modello in questo formato garantisce che possa essere utilizzato, esteso e integrato in simulazioni di sistemi più ampi da una vasta base di utenti. Diventa così un punto di riferimento comune per la ricerca nel campo dell’infrastruttura della mobilità elettrica.
In sintesi, il lavoro di Yang Chuangchuang e Yu Bo rappresenta un progresso significativo nel campo della modellizzazione delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Combinando abilmente le topologie Vienna e Buck-Boost con un robusto controllo PI, hanno creato uno strumento che simula con grande precisione i complessi processi elettrici di un caricatore DC. Le estese simulazioni dimostrano in modo impressionante che il modello soddisfa i requisiti chiave di stabilità della tensione, bassa ondulazione e minima distorsione armonica.
Questo modello è molto più di un semplice esercizio accademico. È uno strumento pratico che aiuta ad affrontare le sfide della mobilità elettrica. Contribuisce a pianificare e realizzare l’integrazione di milioni di veicoli elettrici nella rete elettrica esistente, in modo che questa transizione sia fluida, efficiente e sostenibile. Sottolinea il ruolo centrale dell’elettronica di potenza e della modellizzazione precisa del sistema nella configurazione di un futuro della mobilità elettrificata e neutrale dal punto di vista del carbonio.
Yang Chuangchuang, Yu Bo, State Grid Electric Power Research Institute, Journal of Power Supply, DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74