ZES ZIMMER Qualifica caricabatterie DC veicoli elettrici con serie LMG600

Introduzione

Recentemente, la mobilità elettrica ha visto un'adozione accelerata in quasi tutti i Paesi industrializzati. Si prevede che entro il 2040 il numero di veicoli elettrici in circolazione raggiungerà i 500 milioni [1]. La crescita prevista del mercato dei veicoli elettrici deve essere accompagnata dallo sviluppo di un'infrastruttura di ricarica adeguata. La ricarica in corrente continua consente una ricarica molto più rapida rispetto a quella in corrente alternata ed è il metodo preferito per la ricarica dei veicoli elettrici, soprattutto per i viaggi a lunga distanza.

Questa nota applicativa fornirà una panoramica dei sistemi di ricarica in corrente continua e illustrerà come sfruttare al meglio le caratteristiche uniche degli analizzatori di potenza di precisione della serie LMG600 di ZES ZIMMER per ottimizzare l'efficienza e le prestazioni di questi caricatori veloci.

Sistemi di ricarica DC

I sistemi di ricarica in DC sono costituiti da un filtro di linea, un convertitore AC-DC e un convertitore DC-DC isolato, in genere contenente un trasformatore ad alta frequenza. Il filtro ha l'obiettivo di smussare la corrente DC e di ridurre le correnti armoniche causate dal raddrizzatore AC-DC. Il raddrizzatore AC-DC regola il fattore di potenza e crea una tensione continua costante per il convertitore DC-DC. L'ultimo stadio controlla la corrente di carica DC per una migliore risposta del convertitore DC-DC [3].

I sistemi di ricarica rapida in corrente continua possono essere classificati come unidirezionali o bidirezionali [2]. I caricabatterie unidirezionali possono solo prelevare energia dalla rete, ma non possono immetterla nella rete. La ricarica bidirezionale fornisce un flusso bidirezionale di energia elettrica, con lo svantaggio di ripetuti cicli di carica/scarica che portano al degrado della batteria. Se necessario, in questi sistemi è possibile ottenere una separazione galvanica utilizzando un trasformatore ad alta frequenza.

Come misurare la potenza dei caricatori DC

La Figura 1 illustra una panoramica del sistema e del collegamento delle apparecchiature di misura. Le tensioni e le correnti possono essere misurate simultaneamente su tutte e tre le fasi AC e sul lato DC tra il convertitore e la batteria.

Figura 1: Configurazione generale della misura

Il tipo di canale di potenza più adatto alle vostre esigenze

La serie LMG600 può essere dotata di fino a 7 canali diversi per misurare l'energia prodotta dal caricabatterie, l'efficienza del sistema, l'energia prelevata dalla rete e molte altre misure. L'LMG offre tre diversi tipi di canali, che possono essere comodamente combinati nello stesso chassis per garantire che il dispositivo di misura sia adattato alle esigenze della specifica applicazione. Gli utenti possono scegliere tra canali A, B o C con le seguenti precisioni e larghezze di banda:

Figura 2: Canali LMG600 Serie A, B e C con la loro larghezza di banda analogica e la loro precisione

LMG671 con la sua capacità di ospitare fino a 7 canali di potenza in un unico chassis, fornisce una misura e un'analisi simultanea altamente precisa di tutti i parametri rilevanti come tensione, corrente, potenza e altro ancora dell'intero sistema di caricabatterie DC senza richiedere un secondo strumento.

La capacità di LMG671 di eseguire simultaneamente fino a 7 misure di potenza in ingresso consente di testare e valutare le misure di potenza e l'efficienza di tutte le diverse topologie di convertitori che possono essere inserite nel caricatore DC. Un'implementazione pratica è illustrata nelle Figure 3 e 4. Pertanto, l'analizzatore di potenza ad alta precisione LMG671 consente agli ingegneri di ricerca e sviluppo che progettano e testano i caricabatterie per veicoli elettrici di accedere a tutte le misure importanti in modo efficiente e, soprattutto, senza compromessi.

Figura 3: Connessione logica del sistema

Figura 4: Implementazione pratica del collegamento che utilizza contemporaneamente tutti i 7 canali di LMG671

Determinazione dell'efficienza di conversione dell'energia

Tutte le efficienze risultanti tra i vari ingressi e uscite possono essere visualizzate in modo semplice e diretto. Per concentrarsi su risultati particolari, l'LMG600 offre un modo pratico per personalizzare le schermate in base alle esigenze dell'applicazione. I risultati delle misure possono essere resi più significativi aggiungendo un titolo descrittivo e illustrando i risultati numerici con una rappresentazione schematica della configurazione e altri elementi grafici.

Figura 5: Risultati dell'efficienza di un caricabatterie DC

Menu completamente personalizzato

Figura 6: Menu completamente personalizzato

Lasciate che l'Editor di script vi semplifichi la vita

La serie LMG600 è dotata di un potente editor di script che offre una vasta gamma di funzioni di programmazione matematica, logica e procedurale, come i loop e l'esecuzione condizionale dei comandi. Il trasferimento di variabili tra script e GUI non potrebbe essere più semplice, offrendo così possibilità virtualmente illimitate.

Un esempio eccellente per illustrare gli enormi vantaggi dello script editor per le misure sulle applicazioni di ricarica in DC è la determinazione dello sbilanciamento della tensione e della corrente della rete elettrica. In un sistema trifase ideale e bilanciato, le singole fasi di una sorgente di tensione o di corrente hanno la stessa ampiezza e frequenza a 120° di differenza di fase l'una dall'altra. È necessario monitorare lo squilibrio percentuale della tensione e della corrente di alimentazione per garantire il rispetto dei limiti di squilibrio. In molti Paesi europei il fattore di squilibrio della tensione in BT e MT dovrebbe essere inferiore al 2%.

Si possono usare le seguenti equazioni [4]:

Figura 7: Comandi script per il calcolo degli squilibri di corrente e tensione

Registrare e post-processare i dati di potenza del caricatore DC

Registra un'ampia gamma di parametri per un lungo periodo. Ad esempio:
- Tensione, corrente, potenza, PF, frequenza, armoniche e altri.
- Segnali di elaborazione analogici e digitali

Esporta i dati registrati nei formati Excel, Matlab o Octave per la post-elaborazione e la visualizzazione dei dati.

Figura 8: Esportazione dei dati registrati in formato CSV o Matlab/Octave

Le forme d'onda delle figure 9 e 10 sono state post-elaborate in Matlab, dopo aver esportato i dati di log in formato Matlab:

Sintesi

L'accelerazione della diffusione delle infrastrutture di ricarica in DC in tutto il mondo ha aumentato la richiesta di test e verifiche dei prodotti veloci, convenienti, robusti e affidabili, dalle prime fasi di ricerca e sviluppo fino alla produzione. Questa nota applicativa descrive come ottenere risultati significativi in modo rapido e semplice utilizzando gli analizzatori di potenza della serie LMG600.

LMG600 può misurare tutti i parametri richiesti, ricavare tutti i valori necessari, visualizzarli nel modo desiderato, registrarli nel tempo e condividerli con altre applicazioni in vari formati. Questa esclusiva architettura all-in-one elimina la necessità di impiegare una moltitudine di strumenti, riducendo così la complessità dell'impostazione della misura, evitando inutili punti di passaggio e minimizzando il rischio di errori di conversione, interruzioni dei supporti e incompatibilità. Consente la massima automazione e il minimo intervento manuale, contribuendo a snellire il processo di test per ottenere velocità, precisione e affidabilità ottimali.

Riferimenti

[1] J.Baraniak, J.Starzynski, "Risultati della simulazione del caricatore DC rispetto alle misure", Conferenza: 2018 19th International Conference "Computational Problems of Electrical Engineering" (CPEE), Sep.2018

[2] J. Channegowda, V. K. Pathipati, S. S. Williamson, "Comprehensive Review and Comparison of DC Fast Charging Converter Topologies: Improving Electric Vehicle Plug-to-Wheels Efficiency", IEEE 24th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), giugno 2015.

[3] S. Chakraborty, Hai-Nam Vu, M.Hasan, D. Tran, M.Baghdadi, O.Hegazy, "Topologie di convertitori DC-DC per veicoli elettrici, veicoli elettrici ibridi plug-in e stazioni di ricarica rapida: State of the Art and Future Trends", Energies 2019, aprile 2019.

[4] G.Burchi, C.Lazaroiu, N.Golovanov, M.Roscia, "Estimation of Voltage Unbalance in Power Systems Supplying High Speed Railway", Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol.XI, No.2, 2005