Sistema di ricarica integrato per veicoli elettrici
Il settore della mobilità elettrica è in continua evoluzione, spinto dalla necessità di aumentare l’autonomia, ridurre i tempi di ricarica e ottimizzare l’integrazione dei sistemi a bordo. In questo contesto, un team di ricercatori dell’Università di Aeronautica e Astronautica di Nanjing ha presentato un’innovazione tecnologica che potrebbe ridefinire il modo in cui i veicoli elettrici (EV) vengono ricaricati. Guidati da Guo Lei, gli studiosi hanno sviluppato un sistema di ricarica integrato basato su un motore sincrono a magneti permanenti con avvolgimento aperto (OW-PMSM), progettato specificamente per veicoli dotati di una configurazione a doppia batteria. Questa soluzione non solo migliora in modo significativo l’efficienza del processo di ricarica, ma elimina anche componenti aggiuntivi, riduce il peso e ottimizza l’utilizzo dello spazio disponibile nel veicolo.
La transizione verso la mobilità elettrica ha evidenziato diverse sfide chiave, tra cui l’autonomia limitata, i tempi di ricarica e l’infrastruttura associata. Sebbene le stazioni di ricarica rapida offrano tempi ridotti, il loro dispiegamento su larga scala richiede investimenti elevati, occupa spazio urbano e genera stress sulla rete elettrica. Al contrario, i caricabatterie a bordo (OBC) consentono di ricaricare il veicolo da qualsiasi presa elettrica standard, migliorando comodità e accessibilità. Tuttavia, i tradizionali OBC sono sistemi indipendenti che aggiungono peso, complessità e costi senza apportare valore durante la guida. Questo dilemma ha spinto la ricerca verso soluzioni più integrate, in cui i componenti del sistema di trazione vengono riutilizzati durante il processo di ricarica.
L’approccio proposto dal team di Guo Lei rappresenta un salto qualitativo in questa direzione. Invece di aggiungere un caricabatterie esterno, il sistema sfrutta direttamente il motore elettrico e gli inverter già presenti nel veicolo. Durante la guida, questi componenti azionano il veicolo; durante la ricarica, vengono riconfigurati per convertire l’energia dalla rete in corrente continua per le batterie. Questa strategia di “riutilizzo” è alla base dei caricabatterie integrati (IBC), ma il lavoro di questo team va oltre, sfruttando le caratteristiche uniche del motore ad avvolgimento aperto.
Un motore ad avvolgimento aperto (OW-PMSM) differisce dai motori convenzionali perché le sue tre fasi non sono connesse internamente a stella o a triangolo. Invece, ogni fase ha due estremità libere, consentendo di collegare ogni insieme di avvolgimenti a un inverter indipendente. Questa architettura a doppio inverter non solo migliora la ridondanza e la tolleranza ai guasti, ma offre anche una flessibilità di controllo senza precedenti. La ricerca sfrutta questa flessibilità per collegare la rete trifase in corrente alternata direttamente ai punti neutri degli avvolgimenti del motore. In questa modalità, ogni inverter si trasforma in un raddrizzatore attivo (VSR), e gli avvolgimenti del motore stessi agiscono come induttanze di filtraggio per regolarizzare la corrente di ingresso. Questo design elimina la necessità di induttori e filtri aggiuntivi, componenti voluminosi e costosi nei caricabatterie tradizionali, raggiungendo un livello di integrazione e leggerezza mai raggiunto prima.
Il sistema è progettato specificamente per veicoli con due batterie ad alta tensione. Questa configurazione è sempre più comune nei veicoli ad alte prestazioni, dove una batteria può essere ottimizzata per l’autonomia e l’altra per la potenza. La topologia proposta consente di caricare entrambe le batterie contemporaneamente, utilizzando i due canali di potenza del motore ad avvolgimento aperto. Un canale carica una batteria, e l’altro canale carica la seconda, tutto ciò senza la necessità di hardware aggiuntivo. Questa capacità di ricarica duale è un vantaggio chiave, specialmente per le flotte commerciali o i veicoli che richiedono tempi di inattività minimi.
Tuttavia, una sfida critica emerge quando le due batterie hanno livelli di carica diversi, una situazione comune nelle condizioni di utilizzo reali. Un livello di carica non uniforme implica una resistenza di carica equivalente diversa, che a sua volta porta a una distribuzione di potenza squilibrata tra i due canali di ricarica. Questo squilibrio provoca correnti diverse che fluiscono attraverso i due insiemi di avvolgimenti del motore. Anche se il motore è fermo durante la ricarica, queste correnti disuguali generano una coppia elettromagnetica pulsante, nota anche come “ondulazione della coppia”.
Questa ondulazione della coppia non è un semplice fenomeno teorico. Nella pratica, può manifestarsi come vibrazioni meccaniche nel sistema di trazione, che a loro volta possono tradursi in rumori di ronzio o battiti all’interno dell’abitacolo. Questi rumori deteriorano significativamente l’esperienza di comfort, che è uno dei principali vantaggi percepiti dei veicoli elettrici. Inoltre, le vibrazioni prolungate possono accelerare l’usura di componenti come cuscinetti e ingranaggi, compromettendo la durata del sistema. Pertanto, sopprimere questa ondulazione della coppia è essenziale per garantire un funzionamento silenzioso, confortevole e affidabile del sistema di ricarica.
Per affrontare questo problema, il team di ricerca ha sviluppato una strategia di controllo innovativa denominata Controllo di Potenza Quasi-Diretto (QDPC). Questa strategia rappresenta una rottura con i metodi di controllo tradizionali. I controller convenzionali operano in un sistema di coordinate rotante (dq), che deve essere sincronizzato con la frequenza della rete tramite un controllo di fase (PLL). Questo processo richiede calcoli complessi, inclusi trasformazioni di coordinate e decoupling della tensione, che consumano risorse di elaborazione significative e possono rallentare la risposta del sistema ai cambiamenti di carico.
La strategia QDPC evita questa complessità operando direttamente nel sistema di coordinate stazionarie αβ. Invece di tracciare la fase della rete, il controller calcola direttamente i valori di corrente di riferimento per gli avvolgimenti del motore a partire dalle misurazioni della tensione di rete e dai valori di potenza desiderati. Ciò consente un controllo preciso e rapido delle correnti nei due canali, senza il carico computazionale del PLL e delle trasformazioni dq. Per garantire un inseguimento perfetto delle correnti sinusoidali in CA, il sistema utilizza regolatori PR (Proporzionale-Risonanti) invece dei tradizionali regolatori PI. Un regolatore PR ha un guadagno infinito a una frequenza specifica (in questo caso, 50 Hz), il che permette un controllo senza errore della corrente di rete, assicurando che sia perfettamente in fase con la tensione, raggiungendo così un fattore di potenza vicino all’unità.
Il risultato è un sistema di controllo che è non solo più semplice ed efficiente, ma anche più robusto e dinamico. I ricercatori hanno validato la loro teoria mediante simulazioni dettagliate e hanno costruito una piattaforma di prova su scala completa. I risultati sperimentali sono stati conclusivi. In condizioni stazionarie con diversi gradi di squilibrio di carico, il sistema ha dimostrato prestazioni eccezionali. Quando il rapporto di carico tra i due canali era di 1,5, che rappresenta uno squilibrio significativo, la distorsione armonica totale (THD) della corrente di ingresso è rimasta al di sotto del 4,5%. Questo è un indicatore di un’eccellente qualità della corrente, con un contenuto di armoniche basso che minimizza l’interferenza con la rete elettrica. Allo stesso tempo, l’ondulazione della coppia è stata ridotta a livelli minimi. L’ampiezza picco-picco dell’ondulazione della coppia non ha superato 1,26 N·m, garantendo un’operazione di ricarica praticamente priva di vibrazioni.
La vera prova di qualsiasi sistema di controllo arriva durante le condizioni dinamiche. Gli esperimenti hanno valutato il sistema sotto carichi variabili e tensioni di uscita variabili, simulando il comportamento reale di una batteria durante il suo ciclo di carica. Quando il rapporto di carico è cambiato da 1,5 a 0,75 e viceversa, il controller QDPC ha mantenuto una regolazione stabile della tensione di uscita e ha minimizzato le fluttuazioni di potenza. La deviazione massima nella potenza attiva media è stata di soli 18,43 W. In confronto, una strategia di controllo di equilibrio della potenza di base ha mostrato una deviazione fino a 32,75 W e un’ondulazione di coppia picco di 1,76 N·m, il 60% in più. Questo confronto diretto sottolinea la superiorità della strategia QDPC nel mantenere la stabilità del sistema e minimizzare le perturbazioni meccaniche durante le transizioni.
Gli esperimenti di variazione della tensione hanno anche confermato la robustezza del sistema. Aumentando la tensione di riferimento da 168 V a 200 V, il sistema ha regolato dolcemente la corrente di ingresso per soddisfare la maggiore richiesta di potenza, senza picchi di corrente né oscillazioni di coppia. La corrente è aumentata da circa 3,8 A a 10 A e poi si è stabilizzata intorno a 5,2 A una volta raggiunto il nuovo livello di tensione. La coppia di carica ha seguito questa tendenza, aumentando leggermente con la corrente, ma mantenendosi sotto un controllo rigoroso. Questo comportamento simmetrico durante i processi di carica e scarica conferma l’affidabilità del sistema sotto condizioni transitorie bidirezionali.
La rilevanza di questa tecnologia per l’industria automobilistica è immensa. A differenza di molte soluzioni avanzate che richiedono nuovi materiali o architetture completamente nuove, questa soluzione si basa su componenti già presenti o compatibili con le piattaforme dei veicoli elettrici moderni. Il motore ad avvolgimento aperto, sebbene non sia ancora dominante, sta guadagnando terreno nei veicoli ad alte prestazioni e nelle applicazioni commerciali grazie ai suoi vantaggi intrinseci. Integrando la funzione di ricarica in questo motore, i produttori possono ridurre il numero di componenti, abbassare i costi di produzione e migliorare l’affidabilità generale.
Inoltre, la capacità di caricare due batterie in modo indipendente apre nuove possibilità di progettazione. Ad esempio, una batteria potrebbe essere di chimica LFP, ottimizzata per la longevità e la sicurezza, mentre l’altra potrebbe essere al nichel, ottimizzata per un’elevata densità di energia. Il sistema di ricarica intelligente può adattare la velocità di carica per ogni batteria in base al suo stato di carica (SOC) e alle sue limitazioni termiche, massimizzando l’efficienza e prolungando la vita utile dell’intero sistema energetico.
Dal punto di vista della sostenibilità, la riduzione dell’uso di materiali è un altro beneficio chiave. Eliminando induttori e filtri aggiuntivi, il sistema riduce la sua impronta di risorse, che include metalli rari e altri materiali critici. Ciò non solo riduce l’impatto ambientale della produzione, ma semplifica anche il processo di riciclaggio alla fine della vita del veicolo. Inoltre, operando con un fattore di potenza unitario e una bassa distorsione armonica, il caricabatterie integrato minimizza il suo impatto negativo sulla rete elettrica, facilitando l’integrazione delle energie rinnovabili e contribuendo a un sistema energetico più pulito.
Il potenziale di questa tecnologia si estende oltre i veicoli privati. Le flotte commerciali, i veicoli di consegna e gli autobus urbani, che di solito tornano ai loro centri operativi ogni notte, trarrebbero grande beneficio da un sistema di ricarica integrato che consenta una ricarica rapida ed efficiente utilizzando la rete CA standard, senza dover investire in costose infrastrutture di ricarica rapida in corrente continua.
Nonostante i notevoli risultati raggiunti, il sistema non è esente da sfide future. L’assunzione di una simmetria perfetta negli avvolgimenti del motore potrebbe non essere realistica nella produzione di massa, dove le tolleranze di fabbricazione possono introdurre piccole asimmetrie. Queste asimmetrie potrebbero influenzare l’efficacia della cancellazione della coppia. La ricerca futura si concentrerà probabilmente su algoritmi di controllo adattivo in grado di compensare queste imperfezioni in tempo reale.
Altre vie di ricerca includono l’estensione di questo concetto ad altri tipi di motori, come i motori a riluttanza commutata, e l’integrazione di funzioni V2G (Vehicle-to-Grid). Un veicolo con questa tecnologia potrebbe non solo caricare la sua batteria, ma anche restituire energia alla rete durante i periodi di alta domanda, trasformandosi in un asset attivo in una rete elettrica intelligente.
In conclusione, il sistema di ricarica integrato a doppia batteria sviluppato da Guo Lei e dai suoi colleghi segna un traguardo nell’evoluzione dei veicoli elettrici. Fondendo in modo intelligente le funzioni di trazione e ricarica in un singolo insieme di hardware, il sistema raggiunge un’efficienza, una leggerezza e una sofisticazione di controllo che prima sembravano irraggiungibili. La strategia di controllo QDPC è l’elemento chiave che permette di dominare gli squilibri di carica e garantire un funzionamento silenzioso e affidabile. Validata attraverso simulazioni rigorose e test sperimentali, questa tecnologia è pronta a svolgere un ruolo fondamentale nella prossima generazione di veicoli elettrici, accelerando la transizione verso un trasporto più pulito e sostenibile.
Guo Lei, Wei Jiadan, Wang Yiwei, Zhou Bo, Wang Yin, Transactions of China Electrotechnical Society, DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230426