ITMI20131009A1 - Sistema per la carica di veicoli elettrici - Google Patents

Description

SISTEMA PER LA CARICA DI VEICOLI ELETTRICI

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda un sistema di ricarica per veicoli elettrici, ed in particolare, una stazione di ricarica per veicoli elettrici in grado di garantire una carica ultra-veloce dei veicoli elettrici (EV) mediante corrente prelevata dalla rete elettrica nazionale.

Nel dettaglio, l’invenzione si riferisce ad un sistema di ricarica secondo il preambolo della rivendicazione 1.

STATO DELLA TECNICA

La diffusione dei veicoli elettrici à ̈ ancora influenzata da molti problemi, che sono principalmente derivanti dalla interazione tra questi tipi di veicoli con la rete elettrica esistente.

Inoltre, al fine di avere una larga diffusione sul mercato di veicoli elettrici, non inquinanti, essi devono presentare tempi di ricarica comparabili ai tempi di rifornimento dei tradizionali veicoli a ciclo otto o diesel.

Per queste ragioni i veicoli elettrici richiedono batterie contraddistinte sia da alti valori di capacità di energia immagazzinata sia da ridotti tempi di ricarica.

Da questo punto di vista, le batterie al litio rappresentano una soluzione molto interessante, in quanto negli ultimi anni, per i veicoli elettrici, hanno mostrato un elevato potenziale e buone prestazioni in termini di accelerazione e distanze percorribili (autonomia del veicolo elettrico).

Attualmente le nuove tecnologie relative ai composti di litio permettono di raggiungere un’energia specifica di 180 Wh/kg e una velocità massima di carica di 6C, riducendo così i tempi di carica fino a valori di una decina di minuti.

Le modalità di ricarica a bassa potenza (ricarica lenta) sono adatte per la ricarica delle batterie durante la notte, in quanto avvengono in 7 ÷ 8 ore e garantiscono un basso assorbimento di potenza dalla rete.

In realtà, studi recenti hanno dimostrato che il giornaliero campo di utilizzo di un veicolo elettrico à ̈ inferiore a 50 km nell’80% dei casi.

Per questo motivo tale ricarica lenta à ̈ accettabile per la maggior parte degli utenti che di giorno si spostano per distanze di 100-150 km.

Distanze più lunghe richiedono frequenti stazioni di servizio lungo la strada. Perché si possa diffondere l’uso dei veicoli elettrici, le stazioni devono essere in grado di fornire al veicolo una notevole quantità di energia con tempi di ricarica simili a quelli dei veicoli a combustione interna, preferibilmente inferiori ai 5 minuti.

Per far ciò, la stazione di ricarica deve poter erogare una potenza che va da 20 kW (in caso di piccoli veicoli elettrici da città) a 250 kW (in caso di veicoli pesanti). Una rete di stazioni di ricarica per i veicoli elettrici tale da soddisfare le esigenze degli utenti comporterebbe pertanto un aumento rilevante della potenza richiesta alla rete elettrica nazionale, che però non à ̈ stata progettata con infrastrutture in grado di soddisfare un tale rilevante aumento della potenza richiesta.

Per ridurre l'impatto di una ricarica ultra rapida sulla rete à ̈ noto prevedere il disaccoppiamento del carico (il veicolo elettrico) dalla rete di alimentazione AC, mediante sistemi stazionari di accumulo energia. In questo caso, il sistema di accumulo energia funziona come un buffer di potenza interposto tra la rete ed i veicoli in ricarica.

In questa soluzione, mostrata in figura 1, l'architettura del sistema di carica à ̈ caratterizzata da due stadi di conversione, con un convertitore AC/DC ad alta efficienza (detto Grid Tie Converter) e due convertitori DC / DC.

L’architettura per la ricarica di veicoli elettrici EV di figura 1 può essere quindi vista come un’architettura a bus DC con tre porte, che collega la rete principale, il veicolo elettrico ed il buffer di accumulo dell'energia.

Il Grid Tie Converter converte la tensione alternata della rete in una tensione continua che viene posta sul bus DC; controllando opportunamente i convertitori DC-DC di figura 1 Ã ̈ possibile indirizzare la potenza prelevata dalla rete verso il buffer (flusso F1) o verso il veicolo elettrico (flusso F3).

Per caricare il veicolo elettrico EV ad alta potenza, l’energia viene prelevata dal buffer di accumulo energia (flusso F2) e/o dalla rete (flusso F3) a seconda della potenza richiesta e della strategia di carica.

La potenza di ricarica proveniente dal convertitore Grid Tie Converter ad alta efficienza AC/DC dipende, infatti, dalla potenza disponibile dal buffer, e dall'efficienza dei convertitori in corrente continua DC/DC.

Si possono valutare due diverse strategie di gestione dell'energia per l'appena descritta architettura di ricarica ultra veloce, che riguardano la progettazione del convertitore AC/DC e la batteria tampone: la strategia di livellamento del carico e la strategia di spostamento del carico.

La prima strategia prevede che la potenza media di carica sia fornita dalla rete principale, mentre i picchi di potenza sono forniti dal buffer. In altre parole, i convertitori vengono controllati in modo tale che la rete AC veda un carico sostanzialmente costante e pertanto fornisca una potenza costante nel tempo. Dato che però la ricarica veloce del carico prevede un picco iniziale di potenza molto elevata, il convertitore DC-DC collegato al buffer viene controllato per erogare un flusso di potenza variabile nel tempo e tale da compensare la potenza non fornita dalla rete AC.

La strategia di spostamento del carico, prevede di immagazzinare energia (presa dalla rete AC) nel buffer durante la notte, quando il carico complessivo della rete elettrica nazionale à ̈ minimo. Il buffer rilascia l'energia per la ricarica dei veicoli elettrici EV durante il giorno, quando la rete à ̈ fortemente caricata.

In questo modo, il convertitore AC/DC può essere ridimensionato in modo ridotto, tenendo conto che il suo funzionamento à ̈ limitato alle operazioni di ricarica in bassa potenza, durante la fase di bufferizzazione, e per sostenere la potenza di scarica dalla batteria tampone, durante la ricarica del veicolo EV ad alta potenza.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE

L'oggetto dell'invenzione à ̈ quello di sviluppare un sistema di ricarica, ad es. una stazione di ricarica, per veicoli elettrici in grado di superare gli inconvenienti dell’arte nota.

In particolare, Ã ̈ scopo della presente invenzione presentare un sistema di ricarica per veicoli elettrici che permetta di ridurre l'impatto del picco di potenza sul lato rete AC durante la ricarica veloce o ultra veloce di veicoli elettrici EV.

E’ anche scopo della presente invenzione quello di presentare un sistema di ricarica per veicoli elettrici che permetta di sfruttare sorgenti di energia ulteriori e addizionali alla rete elettrica nazionale.

In particolare, Ã ̈ scopo della presente invenzione quello di presentare un sistema di ricarica che sia di basso impatto ambientale e sfrutti fonti rinnovabili per il caricamento dei veicoli elettrici.

Questi ed ulteriori scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un sistema di ricarica di veicoli elettrici che incorpora le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione. In particolare, l’idea generale alla base della presente invenzione consiste nell’uso di un convertitore modulare multilivello integrato con accumulatori di energia e/o sorgenti di generazione, come moduli fotovoltaici, per ridurre l'impatto del picco di potenza sul lato rete AC durante la ricarica veloce o ultra veloce di veicoli elettrici EV.

L’uso di architetture modulari con un convertitore multilivello integrato in uno o più dei suoi sotto-moduli con sorgenti di generazione di energia, come moduli fotovoltaici, e/o dispositivi di immagazzinamento come le batterie elettrochimiche, capacitori agli ioni di litio e supercapacitori, risulta particolarmente vantaggioso e permette di realizzare strategie di ricarica diverse con una stessa struttura.

Ogni sotto-modulo, collegato in serie con gli altri sul lato della corrente alternata AC, consente di interfacciare i diversi livelli di tensione della rete AC e/o DC, dei dispositivi di immagazzinamento e delle sorgenti di generazione (come i moduli fotovoltaici) con la parte relativa al veicolo elettrico EV.

I sotto-moduli comprendono un numero fisso di connessioni di tipo a ponte H o semi-ponte H collegati in cascata e/o in parallelo in modo tale da ottenere la conversione dell'energia desiderata (AC e/o DC).

In genere, essi sono raddrizzatori attivi, convertitori boost DC-DC (o convertitori step-up) isolati e non isolati, e convertitori push-pull, ognuno di loro a fase singola o multifase.

La combinazione di diverse architetture di sotto-moduli per ogni ramo consente di ottenere un'architettura modulare in grado di realizzare più tipi diversi di conversione dell'energia contemporaneamente.

In questo modo si possono realizzare sistemi di ricarica per veicoli elettrici EV a corrente alternata AC, a corrente continua DC e ibridi.

Ad esempio, in una forma di realizzazione, i sotto-moduli del convertitore multilivello sono collegati in cascata, con le uscite DC collegate in serie. Questa soluzione permette di sommare le tensioni continue presenti al lato DC dei sottomoduli, così da ricaricare il veicolo elettrico con una tensione continua elevata (al massimo pari al valore rms della tensione AC della rete di distribuzione elettrica). In un’altra forma di realizzazione, i sotto-moduli del convertitore multilivello sono collegati in cascata con le uscite DC collegate in parallelo. Questa soluzione permette di alimentare il veicolo elettrico con una tensione bassa, e conseguentemente di contenere i costi del sistema di ricarica, dato che i componenti circuitali devono essere dimensionati per sostenere correnti più basse.

Vantaggiosamente, in una forma di realizzazione i sotto-moduli del convertitore multilivello sono collegati in cascata con le uscite DC collegate ad un circuito d’interfaccia configurato per collegare dinamicamente in serie o in parallelo le uscite dei sotto-moduli. Questa soluzione permette di utilizzare lo stesso sistema di ricarica in modo diverso, alimentando il veicolo elettrico con tensioni più o meno alte a seconda delle esigenze. L’informazione sulle necessità di ricarica del veicolo elettrico possono, ad esempio, essere fornite all’unità di controllo del sistema di ricarica tramite un’interfaccia d’utente o in altro modo.

In una forma di realizzazione, in cui la rete di distribuzione di energia elettrica à ̈ una rete multifase, il convertitore multilivello à ̈ collegato ad una prima fase della rete e si prevede, per ogni ulteriore fase della rete di distribuzione elettrica, almeno un ulteriore convertitore multilivello uguale a quello posto sulla prima fase.

Vantaggiosamente, poi, i convertitori multilivello possono essere collegati in configurazione a stella o a triangolo così da distribuire l’assorbimento di potenza sulle tre fasi.

In una forma di realizzazione, il sistema di ricarica comprende un convertitore AC-DC multilivello d’uscita collegato in parallelo ad un convertitore multilivello collegato alla rete di distribuzione elettrica AC. Questa soluzione consente di ottenere sistemi di ricarica elettrica in corrente alternata: mentre il lato AC di un convertitore modulare multilivello à ̈ collegato alla rete di distribuzione, il convertitore modulare multilivello d’uscita permette di prelevare una tensione AC d’uscita per la ricarica del veicolo elettrico.

In una forma di realizzazione, lo stadio d’uscita del sistema di ricarica comprende un’uscita in corrente alternata per permettere la ricarica di veicoli elettrici in corrente alternata. Il convertitore multilivello d’uscita comprende una pluralità di rami collegati in parallelo al convertitore multilivello, ognuno di detti rami comprende un convertitore multilivello con una rispettiva uscita in corrente alternata, l’unità di controllo viene configurata per controllare i convertitori multilivello di detta pluralità di rami, in modo tale che almeno due uscite in corrente alternata di detta pluralità di rami risultino tra loro sfasate.

Preferibilmente, una pluralità di uscite del convertitore multilivello d’uscita sono accolte in una singola presa di corrente ove può essere inserita una spina elettrica di un veicolo elettrico da ricaricare; l’elettronica di controllo del sistema di ricarica viene configurata in modo tale da controllare i convertitori, es. ponte H o semi-ponte H, presenti nei sotto-moduli dei singoli rami, in modo tale che alle uscite presenti nella presa siano presenti segnali sinusoidali tra loro sfasati di uno stesso angolo.

Vantaggiosamente, un condensatore viene posto in parallelo tra il convertitore multilivello d’uscita e quello d’ingresso, collegato alla rete di distribuzione AC. Ciò permette di filtrare eventuali disturbi dovuti alla commutazione degli interruttori nei sotto-moduli

In una forma di realizzazione preferita, sul lato DC del convertitore multilivello d’uscita viene prevista una presa di corrente per caricare veicoli elettrici in corrente continua. Questa soluzione permette di realizzare un sistema di ricarica ibrido che consente una ricarica sia in corrente continua che in corrente alternata di veicoli elettrici.

Vantaggiosamente, il convertitore multilivello d’uscita comprende una pluralità di sotto-moduli tra loro connessi per definire livelli di conversione del convertitore d’uscita, almeno uno di detti sotto-moduli comprende un relativo dispositivo di immagazzinamento energia e/o una sorgente di energia in corrente continua, in particolare un pannello fotovoltaico, connessa ad un inverter.

L’invenzione à ̈ inoltre diretta ad una stazione di ricarica per veicoli elettrici, comprendente un corpo scatolare atto ad alloggiare un sistema di ricarica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, un presa di corrente collegata allo stadio d’uscita del sistema di ricarica per ricevere una spina di un veicolo elettrico, e mezzi, in particolare morsetti, per il collegamento dello stadio d’ingresso del sistema di ricarica ad una rete di distribuzione elettrica in corrente alternata.

Ulteriori caratteristiche vantaggiose sono oggetto delle allegate rivendicazioni, che si intendono parte integrante della presente descrizione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L’invenzione verrà descritta qui di seguito con riferimento ad esempi non limitativi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari. La Fig. 1 illustra un sistema di ricarica ultra veloce di tipo noto.

La Fig. 2 illustra tre schemi circuitali alternativi di un sistema di ricarica in corrente continua DC che sfruttano una conversione diretta AC/DC mediante convertitore modulare multilivello (MMC), nel dettaglio:

fig. 2a: illustra una soluzione con connessione in serie delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello,

fig. 2b: illustra una soluzione con connessione in parallelo delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello,

fig. 2c: illustra una soluzione con connessione delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello mediante circuito d’interfaccia che varia dinamicamente la connessione serie o parallelo di tali uscite.

La fig. 3 illustra tre schemi circuitali alternativi di un sistema di ricarica in corrente continua DC che sfruttano una conversione diretta AC/DC mediante convertitore modulare multilivello (MMC) con collegamento a stella, nel dettaglio:

fig. 3a: illustra una soluzione con connessione in serie delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello,

fig. 3b: illustra una soluzione con connessione in parallelo delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello,

fig. 3c: illustra una soluzione con connessione delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello mediante circuito d’interfaccia che varia dinamicamente la connessione serie o parallelo di tali uscite.

La fig. 4 illustra tre schemi circuitali alternativi di un sistema di ricarica in corrente continua DC che sfruttano una conversione diretta AC/DC mediante convertitore modulare multilivello (MMC) con collegamento a triangolo, nel dettaglio:

fig. 4a: illustra una soluzione con connessione in serie delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello,

fig. 4b: illustra una soluzione con connessione in parallelo delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello,

fig. 4c: illustra una soluzione con connessione delle uscite DC dei sotto-moduli del convertitore multilivello mediante circuito d’interfaccia che varia dinamicamente la connessione serie o parallelo di tali uscite.

La fig. 5 illustra uno schema di un sistema di ricarica in corrente alternata AC che sfrutta una conversione indiretta AC/DC/AC mediante due convertitori modulari multilivello (MMC) collegati in parallelo.

La fig. 6 illustra uno schema di un sistema di ricarica in corrente alternata AC che sfrutta una conversione indiretta AC/DC/AC mediante due convertitori modulari multilivello (MMC) collegati in parallelo, in cui la ricarica del veicolo elettrico viene integrata con moduli fotovoltaici (PV) sul lato della rete di distribuzione elettrica AC. La fig. 7 illustra uno schema di un sistema di ricarica in corrente alternata AC che sfrutta una conversione indiretta AC/DC/AC mediante due convertitori modulari multilivello (MMC) collegati in parallelo, in cui la ricarica del veicolo elettrico avviene anche con moduli fotovoltaici (PV) sul ramo che alimenta in corrente alternata i veicoli elettrici EVs.

La fig. 8 illustra uno schema di un sistema di ricarica ibrida in corrente alternata AC e continua DC che sfrutta una conversione indiretta AC/DC/AC mediante due convertitori modulari multilivello (MMC) collegati in parallelo, in cui la ricarica del veicolo elettrico avviene anche mediante la sinergia tra moduli fotovoltaici (PV) e batterie, sul lato che alimenta in corrente alternata i veicoli elettrici EVs.

La fig. 9 illustra uno schema di un sistema di ricarica ibrida in corrente alternata AC e continua DC che sfrutta una conversione indiretta AC/DC/AC mediante due convertitori modulari multilivello (MMC) collegati in parallelo, in cui la ricarica del veicolo elettrico viene integrata con moduli fotovoltaici (PV) sul lato della rete di distribuzione elettrica AC.

Le fig. 10a,10b,10c,10d illustrano sotto-moduli non isolati di tipo:

fig. 10a: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H,

fig. 10b: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H e di un DC boost integrato con moduli fotovoltaici PV e batterie,

fig. 10c: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H,

fig. 10d: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H e DC boost integrato con moduli fotovoltaici PV e batterie;

La fig. 11 illustra alcune forme di realizzazione alternative di sotto-moduli isolati da usarsi nei convertitori multilivello del sistema di ricarica, nel dettaglio:

fig. 11a: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H dal lato AC del sotto-modulo e di un ponte H dal lato del veicolo elettrico EV,

fig. 11b: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H dal lato AC del sotto-modulo e di un push-pull dal lato del veicolo elettrico EV,

fig. 11c: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H dal lato AC del sotto-modulo e di un semi-ponte H dalla parte del veicolo elettrico EV con punto di presa al centro dell’avvolgimento,

fig. 11d: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H sia dal lato AC del sotto-modulo che dal lato del veicolo elettrico EV,

fig. 11e: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H dal lato AC del sottomodulo e di un push-pull dal lato del veicolo elettrico EV,

fig. 11f: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H dal lato AC del sottomodulo e di un semi-ponte H dalla parte del veicolo elettrico EV con punto di presa al centro dell’avvolgimento;

La fig. 12 illustra forme di realizzazione alternative di sotto-moduli isolati dal lato del veicolo elettrico EV da usarsi nei convertitori multilivello del sistema di ricarica, nel dettaglio :

fig. 12a: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H dal lato AC del sotto-modulo e di un convertitore multifase DC/DC;

fig. 12b: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H dal lato AC del sottomodulo e di un convertitore multifase DC/DC.

La fig. 13 illustra forme di realizzazione alternative di sotto-moduli da usarsi preferibilmente sul lato della rete in corrente alternata AC, nel dettaglio:

fig. 13a: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H dal lato AC del sotto-modulo e di un convertitore multifase DC/DC per il collegamento ad una sorgente di energia DC,

fig. 13b: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H dal lato AC del sottomodulo e di un convertitore multifase DC/DC per il collegamento ad una sorgente di energia DC,

fig. 13c: illustra una soluzione che fa uso di un semi-ponte H dal lato AC del sotto-modulo e di un convertitore multifase DC/AC per il collegamento ad una sorgente di energia AC,

fig. 13d: illustra una soluzione che fa uso di un ponte H dal lato AC del sottomodulo e di un convertitore multifase DC/AC per il collegamento ad una sorgente di energia AC.

La fig. 14 illustra due moduli alternativi per l’integrazione nei sotto-moduli di sorgenti di energia e dispositivi di immagazzinamento energia in corrente continua DC, nel dettaglio:

fig. 14a: illustra una soluzione che prevede l’integrazione di una sorgente di energia e di un dispositivo di immagazzinamento dalla parte a basso voltaggio di un booster,

fig. 14b: illustra una soluzione che prevede l’integrazione di un dispositivo di immagazzinamento dalla parte a alto voltaggio di un booster.

La fig. 15 illustra forme di realizzazione alternative per il collegamento delle uscite dei differenti sotto-moduli del convertitore multilivello di un sistema di ricarica secondo la presente invenzione, nel dettaglio :

fig. 15a: illustra una soluzione che prevede la connessione in parallelo delle uscite dei sottomoduli di fasi diverse,

fig. 15b: illustra una soluzione che prevede la connessione in serie delle uscite dei sottomoduli di fasi diverse.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Mentre l’invenzione à ̈ suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione relative illustrate sono mostrate nei disegni e saranno descritte qui di seguito in dettaglio.

Si deve intendere, comunque, che non vi à ̈ alcuna intenzione di limitare l’invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, l’invenzione intende coprire tutte la modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell’ambito dell’invenzione come definito nelle rivendicazioni.

L’uso di “ad esempio†, “ecc†, “oppure†indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato.

L’uso di “include†significa “include, ma non limitato a †a meno che non altrimenti indicato.

Nella descrizione che segue viene presentato un sistema di ricarica per veicoli elettrici comprendente

- uno stadio d’ingresso per il collegamento ad una rete a corrente alternata, - uno stadio d’uscita per il collegamento ad un veicolo elettrico,

- uno stadio di conversione per convertire una tensione alternata in una continua, detto stadio di conversione essendo interposto tra lo stadio d’ingresso e lo stadio d’uscita ,

- un’unità di controllo atta a controllare il funzionamento dello stadio di conversione.

Lo stadio di conversione comprende un primo convertitore AC-DC multilivello, detto primo convertitore multilivello comprendendo una pluralità di sotto-moduli (SMi) tra loro connessi per definire livelli di conversione del convertitore, almeno uno di detti sotto-moduli comprendendo un dispositivo di immagazzinamento energia e/o una sorgente di energia connessa ad un inverter.

L’unità di controllo viene configurata per collegare il dispositivo di immagazzinamento energia e/o la sorgente di energia a detto stadio d’uscita rispettivamente per rilasciare energia accumulata da detto dispositivo di immagazzinamento e/o energia fornita da detta sorgente di energia.

Il sistema di ricarica viene preferibilmente inserito in una stazione di ricarica, ovvero una struttura che presenta un ingresso per la connessione ad una rete elettrica di distribuzione (ad es. la rete elettrica nazionale che in Italia fornisce alle utenze energia a 230V @ 50Hz) ed una presa di corrente cui può essere collegata una spina di ricarica di un veicolo elettrico. La forma e le dimensioni di una tale stazione di ricarica possono essere di vario tipo, ed à ̈ possibile prevedere l’installazione a pavimento e/o quella a parete (ad es. per installazioni in box privati). Al fine di permettere l’uso in ambienti pubblici, quali parcheggi e stazioni di servizio, la stazione di ricarica può comprendere un’interfaccia d’utente (ad es. comprendente un display touch) e mezzi per contabilizzare il pagamento della corrente fornita al veicolo (ad es. mezzi che misurano gli Ampere forniti al veicolo e mezzi che calcolano un addebito per la corrente fornita).

Le Fig. 2a, 2b e 2c mostrano tre soluzioni di un sistema di ricarica 1 monofase, ovvero un sistema che carica la batteria di un veicolo elettrico (EV) mediante un convertitore alimentato da una fase della rete elettrica nazionale.

Nelle figure che seguono, la rete elettrica nazionale à ̈ rappresentata come una rete alternata trifase, chiaramente il numero di fasi può variare e non à ̈ limitativo della presente invenzione. Il sistema, come si mostrerà, può funzionare prelevando corrente da una rete AC monofase o da una rete AC multifase con un numero N di fasi qualsiasi. Ugualmente la rete AC può essere sostituita da una qualsiasi sorgente AC da cui si preleva energia per la carica dei veicoli elettrici EV.

Il sistema 1 comprende un convertitore AC/DC multilivello 2 collegato, mediante un banco filtri 3 (rappresentato genericamente da un’induttanza Lac ed in questo caso corrispondente allo stadio d’ingresso del sistema di ricarica) ad una fase 40 di una rete elettrica AC 4.

Il convertitore multilivello 2 presenta poi una coppia di terminali d’uscita 5 che coincidono con lo stadio d’uscita del sistema di figura 2a-2c.

Il veicolo elettrico EV, rappresentato come un banco di batterie, viene collegato ai terminali 5 del convertitore 2 per essere ricaricato.

Il convertitore multilivello 2 Ã ̈ composto da due blocchi 20 e 21 simmetrici che, opportunamente controllati, lavorano per raddrizzare le due anse (positiva e negativa) della tensione alternata AC ricevuta in ingresso.

Ognuno dei blocchi 20 e 21 comprende un’impedenza d’ingresso LSnecessaria a filtrare il segnale d’ingresso, ed una serie di sotto-moduli SMi collegati in cascata. I sotto-moduli SMi hanno sia un lato a corrente alternata AC, per il collegamento diretto alla rete, che un lato EV verso il veicolo elettrico, per collegamento diretto al veicolo elettrico.

In modo noto, i sotto-moduli SMi del convertitore multilivello comprendono un convertitore AC/DC, ad esempio un ponte H (H-bridge o full-bridge) o un semi-ponte H (half-bridge), che viene pilotato da un’elettronica di controllo (ad es. un DSP, Digital Signal Processor) del sistema di ricarica, non mostrata nelle figure.

Controllando in modo di per sé noto i sotto-moduli SMi, la tensione alternata della rete, in ingresso al convertitore, viene convertita in un numero s di cadute di potenziale Vdcche si trovano ai morsetti d’uscita di ogni sotto-modulo SMi.

Nell’esempio di figura 2a, 2b e 2c sono presenti 2n sotto-moduli SMi, pertanto s à ̈ pari a 2n, ed il convertitore multilivello à ̈ un convertitore di livello m=2s+1.

I sottomoduli SMi definiscono quindi il livello di conversione del convertitore multilivello.

Le cadute di potenziale Vdcpresenti ai terminali d’uscita dei sotto-moduli SMi possono essere sommate collegando in serie le uscite dei sotto-moduli SMi, come mostrato in fig. 2a, così da caricare il veicolo elettrico con una tensione superiore rispetto a quella presente ai capi dei singoli sotto-moduli SMi.

Questa soluzione permette di realizzare i sotto-moduli con componenti con blocchi di commutazione di tensione ridotti rispetto alla tensione totale del lato EV, ma tutti attraversati da corrente massima di carica / scarica del pacco di batterie.

Nell’esempio non limitativo di figura 2a, e nei successivi, la rete di distribuzione elettrica à ̈ una rete trifase. Nell’esempio di figura 2a sono rappresentati, in modo tratteggiato, due convertitori multilivello (200 e 201) del tipo sopra descritto, con moduli SMi ed impedenze d’ingresso Ls ed Lac. Il sistema di figura 2a presenta quindi tre convertitori multilivello collegati ognuno ad una rispettiva fase della rete di distribuzione ed ognuno dotato di propri terminali d’uscita 5 per alimentare un veicolo elettrico EV.

In Fig.2b, invece, à ̈ mostrata una soluzione preferita per un collegamento in parallelo dei sotto-moduli SMi sul lato EV: questa soluzione potrebbe essere più adatta per applicazioni di trazione stradale elettrica in quanto, dati i valori ridotti delle tensioni dei blocchi richieste ai componenti di commutazione, si può avere la possibilità di suddividere in modo equo la massima corrente di carica/scarica tra i diversi sottomoduli senza rischiare danni.

Almeno uno dei sotto-moduli SMi dei circuiti di figura 2a e 2b comprende una sorgente di energia, ulteriore rispetto alla rete alternata AC 4 in ingresso, e/o un dispositivo di immagazzinamento energia. Tale dispositivo, può ad esempio essere costituito da un gruppo di condensatori, in particolare dei supercap, collegati in serie, o da una batteria tampone di tipo elettrochimico o da batterie agli ioni di litio, fuel cell o da accumulatori di qualsiasi tipo oppure un pannello o una serie di pannelli fotovoltaici (PV) .

La sorgente di energia, come si vedrà meglio nel seguito con riferimento alle figure da 10 a 13 dove sono illustrati diverse forme di realizzazione alternative dei sottomoduli SMi, può essere una sorgente AC o DC e preferibilmente, ma non necessariamente, à ̈ una sorgente di energia rinnovabile.

Questo aspetto viene evidenziato in fig.2c, dove si vuole evidenziare la possibilità di integrare i sotto-moduli SMi con una sorgente esterna per integrare e sostenere il fabbisogno energetico da rispettare nel convertitore. A questo scopo, i moduli SMi sono indicati come un insieme di due blocchi: un blocco SMi* che comprende un convertitore AC/DC ed una sorgente. ;Nell’esempio di figura 2c ogni sotto-modulo SMi à ̈ provvisto di una rispettiva sorgente esterna 6k, con k intero compreso tra 1 ed s, posizionata su un lato del sottomodulo per indicare così un “lato di sorgente†oltre ai lati AC e DC propri dei sottomoduli di un convertitore AC/DC multilivello. Chiaramente il posizionamento della sorgente di energia 6kin figura 2c ha solo scopo semplificativo ed illustrativo, il reale posizionamento di tale sorgente essendo meglio indicato nelle figure da 10 a 13 dove sono illustrati diverse forme di realizzazione alternative dei sotto-moduli SMi. ;L’esempio di figura 2c rende tuttavia molto bene un aspetto preferito e vantaggioso dell’invenzione, ovvero la modularità del sistema di ricarica. In fig. 2c, ogni modulo SMi à ̈ rappresentato come un gruppo costituito da un modulo SMi* e da una sorgente di energia ad esso collegato. Ciò consente, in funzione delle esigenze energetiche, di integrare o meno uno o più sotto-moduli del convertitore multilivello. In particolare, in una forma di realizzazione preferita e vantaggiosa, uno o più (e preferibilmente tutti) dei sotto-moduli del convertitore multilivello viene predisposto con dei morsetti cui poter collegare in modo rapido, una sorgente di energia esterna. Questa soluzione, con un adeguato controllo, offre buone opportunità di gestione dei flussi di energia favorendo le caratteristiche di buffering che sono indirizzate ad una configurazione MMC per contenere i picchi di richieste di potenza alla rete.

Nel sistema di figura 2c i moduli SMi sono collegati, sul lato DC da un circuito d’interfaccia 8 che, dinamicamente, permette di collegare in serie o in parallelo le uscite DC dei sotto-moduli SMi. In questo modo, sotto il controllo dell’elettronica di controllo, à ̈ possibile collegare in serie o in parallelo le uscite per soddisfare le esigenze di ricarica del veicolo elettrico.

L’informazione sulle esigenze di ricarica del veicolo elettrico possono, ad esempio, essere fornite all’unità di controllo del sistema di ricarica tramite un’interfaccia d’utente o in altro modo.

Le figure 3a,3b,3c,4a,4b,4c mostrano delle forme di realizzazione vantaggiose che riducono possibili squilibri sulla rete. Le configurazioni topologiche mostrate in queste figure rientrano nella categoria H-Bridge a cascata (c.d. CHB).

Differentemente dagli esempi di figura 2, dove ogni fase della rete AC di distribuzione alimenta in modo indipendente dalle altre fasi un rispettivo convertitore multilivello, negli esempi di figura 3 e 4 le fasi della rete sono tra loro collegate e si scambiano quindi potenza elettrica.

In figura 3 il sistema di ricarica comprende una pluralità di “moduli a bassa e media tensione†collegati in una configurazione a stella, in cui ogni ramo della stella viene collegato ad una fase della rete AC e presenta un’induttanza Lac ed una modulo a bassa tensione; ognuna di queste celle contiene un convertitore multilivello con sottomoduli SMi (che utilizzano ponti H, o semi-ponti H) in cascata e collegati in serie (fig. 3a) o in parallelo (fig. 3b) sul lato DC. Ognuna di queste celle corrisponde, quindi, sostanzialmente al convertitore multilivello 2 descritto sopra con riferimento alla figura 2 e presenta un bus DC (per il collegamento del veicolo elettrico da ricaricare) con un relativo condensatore dedicato (DC bus capacitor).

Così come per la figura 2, la figura 3c evidenzia la possibilità collegare in serie o in parallelo le uscite DC dei moduli SMi e di collegare una o più sorgenti di energia ai diversi moduli.

In figura 4 le “celle a bassa tensione†sono collegate alle fasi della rete di distribuzione in modo tale da formare una configurazione a triangolo (o delta). In modo analogo a quanto illustrato nelle figure 2 e 3, la figura 4a mostra i sotto-moduli SMi collegati in serie sul lato DC, mentre la figura 4b mostra gli stessi moduli con l’uscita DC collegata in parallelo. La figura 4c evidenzia la possibilità di collegare delle sorgenti di energia, ad esempio moduli fotovoltaici, ai sotto-moduli.

In una forma di realizzazione preferita, il sistema di ricarica viene predisposto con una pluralità di prese di corrente cui poter collegare relative spine di una pluralità di veicoli elettrici da ricaricare. Ciò à ̈ possibile in quanto ad ognuno dei convertitori multilivello mostrati nelle figure da 2 a 4 à ̈ possibile collegare, sul lato DC, uno stadio d’uscita comprendete (o coincidente con) una coppia di terminali cui poter collegare un rispettivo veicolo elettrico EV. Così, le soluzioni mostrate nelle figure da 2 a 4 e provviste di tre convertitori multilivello (uno per fase) possono alimentare fino a tre veicoli elettrici.

Come si vedrà dagli esempi che seguono, il numero di terminali d’uscita cui collegare i veicoli elettrici à ̈ indipendente dal numero di fasi della rete AC di distribuzione.

In Fig.5 viene mostrato un sistema di ricarica che permette la ricarica in corrente alternata AC di un numero R, con R intero qualsiasi maggiore di 1, veicoli elettrici. Il sistema di ricarica sfrutta una conversione indiretta AC-DC-AC mediante convertitori modulari multilivello.

Nell’esempio di figura 5 il primo stadio di conversione à ̈ costituito da un convertitore modulare multilivello trifase 50 che comprende tre rami 501, 502 e 503 collegati in ingresso mediante una rispettiva impedenza Lac1, Lac2 ed Lac3, alle tre fasi f1, f2 ed f3 della rete elettrica di distribuzione AC.

I tre rami 501, 502 e 503 sono collegati in parallelo ed ogni ramo singolo à ̈ composto da un braccio superiore 51 e da uno inferiore 52.

Il braccio superiore e quello inferiore consistono rispettivamente di un qualsivoglia numero “n†di sotto-moduli SMi in cascata in cui il singolo modulo comprende un inverter a semi-ponte H, ad esempio del tipo rappresentato nelle Fig.11a, 11b e 11c, o a ponte H intero come ad esempio rappresentato nelle figure Fig.11d, 11e e 11f.

Il secondo stadio di conversione del sistema di ricarica di figura 5 comprende un convertitore modulare multilivello a più fasi indicato complessivamente dal riferimento 5000. La configurazione del convertitore modulare multilivello à ̈ sostanzialmente la stessa di quella del primo stadio di conversione, con una pluralità di rami di conversione 5001, 5002, 5003, 5004…5000R collegati in parallelo e comprendenti un braccio superiore ed uno inferiore a loro volta comprendenti sottomoduli SMi collegati in cascata ed una resistenza Ls.

Ogni singolo ramo 500k (con k compreso tra 1 e R) à ̈ provvisto di una uscita in corrente alternata AC 501k (con k compreso tra 1 e R) cui può essere collegato un veicolo elettrico.

Dato che un veicolo elettrico può richiedere una o più fasi per la ricarica, in una forma di realizzazione una pluralità di uscite 501k del convertitore modulare multilivello 5000 sono accolte in una singola presa di corrente ove può essere inserita una spina elettrica del veicolo elettrico da ricaricare. In questa forma di realizzazione, l’elettronica di controllo del sistema di ricarica viene configurata in modo tale da controllare i convertitori (es. ponte H o semi-ponte H) presenti nei sotto-moduli SMi dei singoli rami 500k in modo tale che alle uscite 501k siano presenti segnali sinusoidali opportunamente sfasati.

Preferibilmente, una tale presa di corrente comprende anche una linea di massa. Nell’esempio di figura 5 il primo ed il secondo stadio di conversione sono collegati mediante una linea AC provvista di un condensatore 7 che risulta collegato in parallelo ai lati AC del due convertitori multilivello 50 e 5000. Tale condensatore funziona da filtro e può eventualmente essere sostituito da altro elemento o circuito in grado di filtrare i segnali di corrente trasferiti tra i due convertitori multilivello 50 e 5000; in particolar un tale filtro viene dimensionato per tagliare frequenze più alte rispetto a quelle della tensione alternata distribuita dalla rete elettrica di distribuzione (ad es. in Italia 50 Hz).

Anche se non esplicitato in figura 5, ogni sotto-modulo SMi dei rami dei convertitori multilivello 50 e 5000 può comprendere un dispositivo di immagazzinamento energia e/o una sorgente di energia, ad esempio come mostrato nelle figure 10 o 13. Il dispositivo di immagazzinamento energia e/o la sorgente di energia sono preferibilmente collegati al lato DC dei sotto-moduli SMi.

La conversione AC/DC realizzata da ogni singolo sotto-modulo SMi, permette quindi, sotto il controllo dell’elettronica di controllo del sistema di ricarica, di caricare il dispositivo di immagazzinamento energia e/o di prelevare energia da questo o dalla sorgente di energia, così da implementare diverse strategie per la ricarica del veicolo elettrico senza stress per la rete di distribuzione elettrica.

Come detto in precedenza, à ̈ possibile prevedere l’integrazione di sorgenti di energia all’interno di uno o più o tutti i moduli SMi del convertitore multilivello utilizzato dal sistema di ricarica. Questo viene evidenziato dalle figure 6 e 7.

In Fig.6 à ̈ mostrata una stazione di ricarica in corrente alternata AC con conversione indiretta AC-DC-AC in configurazione MMC integrata con moduli fotovoltaici PV sul primo stadio di conversione, ovvero sul lato in corrente alternata AC della rete. Il primo stadio di conversione consiste di un raddrizzatore trifase attivo che utilizza una topologia modulare multilivello in cui ogni singolo ramo à ̈ composto da un braccio superiore ed uno inferiore. Il braccio superiore ed inferiore consistono rispettivamente di un numero qualsivoglia “n†di moduli in cascata, in cui il singolo modulo comprende, preferibilmente, un circuito a semi-ponte H come quello rappresentato in Fig.10b.

Il secondo stadio di conversione à ̈ lo stesso illustrato e descritto per la Fig.5.

In FIG.7 Ã ̈ mostrata una stazione di ricarica basata su una conversione indiretta ACDC-AC in configurazione MMC con moduli fotovoltaici PV sul lato in corrente alternata del veicolo elettrico EV.

Il primo stadio di conversione à ̈ lo stesso illustrato in Fig.5, mentre il secondo stadio di conversione consiste in un convertitore modulare multilivello multifase DC-AC, in cui ogni singolo ramo à ̈ composto da un braccio superiore ed uno inferiore.

L’uscita per il collegamento del veicolo elettrico EV in corrente alternata AC à ̈ collegata ad un punto medio del ramo.

Il braccio superiore ed inferiore consistono, rispettivamente, di un numero “n†di moduli in cascata, in cui il singolo modulo à ̈ costituito, preferibilmente, da un circuito a semi-ponte H integrato con un modulo fotovoltaico PV, ad esempio come mostrato in Fig. 10b.

Le figure 8 e 9 mostrano due forme di realizzazione di un sistema di ricarica ibrida per veicoli elettrici. Il sistema di ricarica ibrida comprende un’uscita AC ed una DC per la ricarica di veicoli elettrici in corrente alternata o continua.

Nell’esempio di Fig.8 à ̈ mostrato un sistema di ricarica ibrida in corrente alternata AC e continua DC, sulla base di una conversione indiretta AC-DC-AC in configurazione MMC integrato con moduli fotovoltaici sul lato AC del veicolo elettrico.

Il primo stadio di conversione à ̈ lo stesso illustrato in Fig.5.

Il secondo stadio di conversione consiste in un convertitore modulare multilivello multifase DC-AC in cui ogni singolo ramo à ̈ composto da un braccio superiore ed uno inferiore.

Il braccio superiore ed inferiore comprendono rispettivamente un numero qualsivoglia “n†di moduli in cascata, in cui il singolo sotto-modulo SMi comprende un circuito a ponte H o semi-ponte H. Tale sotto-modulo comprende preferibilmente:

ï‚· un circuito di conversione isolato sul lato del veicolo elettrico EV, ad esempio un circuito di conversione del tipo illustrato nelle figure 11a, 11b, 11c, ï‚· un dispositivo di immagazzinamento energia ed

ï‚· una sorgente di energia, in particolare un modulo fotovoltaico PV, che viene collegato al lato DC del circuito di conversione mediante un DC boost, ad esempio come mostrato in FIG.14b.

Grazie al circuito d’interfaccia 8, ogni sotto-modulo può essere collegato in serie o in parallelo sul lato del veicolo elettrico EV per raggiungere la potenza richiesta dal veicolo.

In FIG. 9 Ã ̈ mostrato un sistema di ricarica ibrida AC e DC integrato con moduli fotovoltaici PV su lato in corrente alternata della rete.

La configurazione à ̈ simile alla topologia presentata in fig. 8, ma in questo caso, l'integrazione del modulo fotovoltaico PV nei sotto-moduli SMi à ̈ realizzato nel primo stadio di conversione, ossia sul lato AC della rete di distribuzione elettrica. Le figure 10 a 13 mostrano diverse forme di realizzazione dei sotto-moduli SMi.

In FIG.10a à ̈ mostrato un sotto-modulo SMi con raddrizzatore attivo AC/DC a semiponte H 100 non isolato e un elemento 101 (che può essere una sorgente di energia DC o un dispositivo di immagazzinamento energia) collegato in parallelo al lato DC del raddrizzatore attivo.

In modo di per sé noto, il semi-ponte H comprende una coppia di interruttori (T1 e T2) ed una coppia di diodi di ricircolo (D1 e D2). Controllando opportunamente l’apertura e la chiusura degli interruttori à ̈ possibile convertire una tensione continua in una forma d’onda che approssima una forma d’onda sinusoidale e viceversa. Il semi-ponte H ed il ponte H sono comunque circuiti di per sé noti e non si ritiene quindi necessario entrare ulteriormente nel dettaglio del loro funzionamento.

Nella soluzione di FIG. 10a gli interruttori del semi-ponte H sono realizzati con un MOSFET o altro interruttore allo stato solido (SSS).

Quando in conduzione, i MOSFET, o qualsiasi altro SSS, presentano una resistenza costante molto bassa, nota come resistenza “on†(RDS (on)), che dipende da alcuni parametri del MOSFET (come i drogaggi dei substrati) e può partire da 10 mΩ o anche meno. La caduta di tensione attraverso il transistor à ̈ quindi molto bassa, il che implica una riduzione della perdita di potenza e un incremento di efficienza rispetto a circuiti a ponte H o semi-ponte H che utilizzino relà ̈ o altri interruttori meccanici.

In una forma di realizzazione preferita, l’elettronica di controllo del sistema di ricarica utilizza solitamente comparatori per rilevare la tensione AC in ingresso al convertitore modulare multilivello e controlla i transistor al momento giusto per permettere alla corrente di fluire nella direzione corretta.

L’uso di un raddrizzamento attivo per implementare la conversione AC/DC consente alla progettazione di subire ulteriori miglioramenti (con maggiore complessità) per ottenere una correzione attiva del fattore di potenza, che costringe la forma d'onda della sorgente di corrente alternata AC (ossia la tensione fornita dalla rete di distribuzione elettrica) a seguire la forma d'onda della tensione, eliminando correnti reattive e consentendo al sistema nel suo complesso di raggiungere una maggiore efficienza.

In Fig. 10b à ̈ mostrato un sotto-modulo SMi con raddrizzatore a semi-ponte H 100 sul cui lato DC à ̈ collegato un dispositivo di immagazzinamento energia 102 (in figura rappresentato da una batteria tampone). Il sotto-modulo di figura 10b comprende inoltre un modulo fotovoltaico 103 che fornisce energia al sotto-modulo attraverso un boost in corrente continua 104 che porta la tensione del modulo fotovoltaico 103 al valore della tensione DC in uscita dal sotto-modulo SMi, ossia della tensione presa sul lato DC del semi-ponte H. Il Boost 104 à ̈, quindi, un convertitore di potenza da corrente continua DC a corrente continua DC con una tensione di uscita superiore alla sua tensione di ingresso.

Nell’esempio di figura 10b, il boost 104 comprende un transistor, nell’esempio un BJT, 1041 in configurazione emitter a massa. Il collettore del BJT 1041 à ̈ collegato al modulo fotovoltaico attraverso un induttore 1040 e ad un polo della batteria tampone 102 mediante un diodo 1042 che impedisce il ritorno di corrente dalla batteria verso il modulo fotovoltaico 103. Il boost 104 comprende poi, in uscita, un condensatore 1043 posto in parallelo alla batteria tampone 102 e al lato DC del semi-ponte H 100.

L'accumulo di energia nella batteria tampone 102 può essere alimentato sia da corrente alternata AC proveniente dal lato AC del semi-ponte H 100, che dal pannello fotovoltaico 103 collegato al Boost 104;.

Il sotto-modulo di figura 10b, Ã ̈ quindi un tipo di alimentatore a commutazione (Switched-Mode Power Supply, SMPS) contenente almeno due interruttori a semiconduttore (un diodo ed un transistor) e almeno un elemento di immagazzinamento di energia, un condensatore, un induttore, o i due in combinazione.

Le figure 10c e 10d mostrano due forme di realizzazione di un modulo SMi che, a differenza di quelle di figura 10a e 10b utilizzano un raddrizzatore a ponte H 105 non isolato AC/DC.

In FIG. 11 vengono illustrate (fig. da 11a a 11f) differenti forme alternative di sottomoduli SMi isolati, ovvero provvisti di un trasformatore che isola l’uscita sul lato EV del sotto-modulo dall’ingresso AC ad alta tensione.

Le figure 11a, 11b ed 11c mostrano delle soluzioni in cui la conversione AC/DC viene ottenuta mediante un semi-ponte H 100, mentre nelle figure 11d, 11e ed 11f la conversione viene ottenuta mediante un ponte H 105. La conversione AC/DC viene quindi ottenuta mediante un raddrizzatore attivo non isolato a semi-ponte H o ponte H non isolato che converte una sorgente di corrente alternata AC in una tensione continua per l'accumulo di energia in una batteria tampone 102.

I sotto-moduli delle figure 11a-11f sono adatti all’accoppiamento con uno stadio d’uscita DC del sistema di ricarica, essi si prestano, quindi, ad essere utilizzati nei convertitori modulari multilivello di figura 2, 3 e 4, e nei convertitori modulari multilivello 5000 utilizzati nel secondo stadio di conversione dei sistemi di ricarica delle figure 8 e 9.

Proprio per permettere l’accoppiamento con l’uscita DC del sistema di ricarica, i sotto-moduli di figura 11 sono provvisti ognuno di un convertitore DC-DC che permette di adattare la tensione d’uscita ad un valore desiderato.

In particolare, nelle forme di realizzazione delle figure 11a-11f i convertitori DC-DC sono dei convertitori elettronici a commutazione; la commutazione essendo controllata elettronicamente, ad esempio mediante un controllo PWM.

Preferibilmente, i convertitore DC/DC utilizzati nei sotto-moduli convertono una tensione DC da un primo livello ad un altro, immagazzinando temporaneamente l'energia in ingresso e poi rilasciandola in uscita con una tensione diversa. L’immagazzinamento di questa energia può avvenire in componenti di immagazzinamento a campo magnetico (induttori, trasformatori) o in componenti di immagazzinamento a campo elettrico (condensatori). Questo metodo di conversione à ̈ più efficiente in termini energetici (spesso dal 75% al 98%) rispetto alla regolazione lineare di tensione (che dissipa energia come calore indesiderato).

Nell’esempio di Fig. 11 l’energia immagazzinata nel “battery buffer†viene trasferita tramite il trasformatore 109 che garantisce l’isolamento tra il lato AC e quello DC del sotto-modulo SMi.

Esempi di convertitori DC-DC isolati bidirezionali da utilizzarsi nei sotto-moduli, sono convertitori DC-DC a ponte H intero 106 (figure 11a e 11d), a semi-ponte H 108 (figure 11b ed 11e) o con circuito push-pull 107 (figure 11c ed 11f), o loro varianti. Il convertitore DC-DC isolato a ponte intero 106 comprende due convertitori a ponte H (1060 e 1061) collegati sul lato AC del ponte attraverso un trasformatore 109.

Il convertitore DC-DC isolato con circuito push-pull 107 comprende un convertitore a ponte H 1070 la cui uscita AC à ̈ collegata al primario di un trasformatore 109. Il secondario di un trasformatore à ̈ collegato ad una coppia di interruttori con diodo di ricircolo 1071 che raddrizzano la tensione alternata presente sul secondario. Nell’esempio di figura 11b ed 11e l’uscita EV del sotto-modulo del secondario à ̈ presa in un punto centrale del secondario.

Il convertitore DC-DC isolato a semi-ponte H 108 comprende un convertitori a ponte H 1081 ed un convertitore a semi-ponte H 1080 collegati sul lato AC attraverso un trasformatore 109.

Controllando opportunamente l’apertura e la chiusura degli interruttori presenti nei convertitori DC-DC 106, 107 e 108 à ̈ possibile ottenere la conversione di tensione desiderata e regolare, in questo modo, la tensione DC presente sul lato EV del sottomodulo.

La Fig.12a e la Fig.12b mostrano dei sotto-moduli isolati sul lato del veicolo elettrico EV che, come per i sotto-moduli di Fig. 11 comprendono un convertitore DC-DC per adattare la tensione continua d’uscita ad un valore desiderato per la carica del veicolo elettrico.

A differenza delle soluzioni di Fig. 11, i sotto-moduli di Fig. 12 utilizzano un convertitore multi-fase isolato DC-DC 110 sul lato del veicolo elettrico EV. Il convertitore multi-fase isolato DC-DC 110 comprende un trasformatore 111 con un numero di avvolgimenti pari al numero di fasi che si vogliono generare. Per ogni fase il convertitore comprende almeno una coppia di semi-ponti H collegati ad un avvolgimento del trasformatore 111.

Questa configurazione permette di ridurre le dimensioni del trasformatore.

I sotto-moduli SMi di Fig. 11 e 12 comprendono un dispositivo di immagazzinamento energia, ma nessuna sorgente di energia.

La modularità del sistema di ricarica della presente invenzione permette, tuttavia, di integrare anche i sotto-moduli di Fig. 11 e 12 con delle sorgenti di energia, ad esempio dei moduli fotovoltaici. L’integrazione può avvenire collegando ai capi della batteria 102 o al lato EV dei moduli di Fig. 11 e 12 un modulo del tipo indicato in Fig. 14, descritto nel seguito. Qualora si colleghi uno dei moduli di Fig.14 al lato EV dei sotto-moduli di Fig. 11 e 12, il convertitore DC-DC del sotto-modulo può essere utilizzato anche per adattare la tensione della sorgente di energia a quella della batteria in fase di ricarica della stessa.

In FIG. 13 sono mostrati ulteriori forme di realizzazione di sotto-moduli SMi che comprendono sia un dispositivo di immagazzinamento energia sia una sorgente di energia.

Questi sotto-moduli sono preferibilmente utilizzati per stadi di conversione AC/DC (raddrizzatori attivi) mostrati e descritti per le Fig.5-9.

Le FIG.13a e FIG.13b comprendono rispettivamente un semi-ponte H 100 ed un ponte H 105 sul lato in corrente continua AC del sotto-modulo ed utilizzano un convertitore multi-fase DC-DC 113 per interfacciarsi con una sorgente in corrente continua DC 114 e regolare l’immagazzinamento di energia nel dispositivo di immagazzinamento 102. Il convertitore multifase DC-DC di figura 13 presenta tre fasi, su ognuna delle quali à ̈ presente un induttanza 115.

Questa configurazione permette di ridurre le dimensioni della mutua induttanza. Le FIG.13c e FIG.13d comprendono rispettivamente un semi-ponte H 100 ed un ponte H 105 sul lato in corrente continua AC ed utilizzano un convertitore DC/AC multifase 116 per interfacciarsi con le sorgenti in corrente alternata AC 117.

In FIG.14a,14b sono mostrate due topologie possibili di moduli per l’integrazione di sorgenti di generazione di energia e/o di dispositivi di immagazzinamento energia in sotto-moduli SMi del sistema di ricarica.

Nelle Fig. 14a e 14b le sorgenti di energia sono rappresentate da un modulo fotovoltaico PV, tale esempio ha solo scopo illustrativo e, chiaramente, sorgenti di altro tipo possono essere utilizzate al posto di quelle fotovoltaiche.

In FIG. 14a il modulo fotovoltaico PV 140 e il dispositivo di immagazzinamento energia 141 forniscono una tensione inferiore rispetto a quella del bus DC cui devono essere collegati. Per questo motivo il modulo di Fig.14a comprende un convertitore Boost 145 (ad es. del tipo descritto per la FIG. 10b) per il collegamento del modulo fotovoltaico 140 all’uscita 142 del modulo di Fi. 14a.

Il dispositivo di immagazzinamento energia à ̈ collegato con un convertitore “Buck Boost†143, per avere un trasferimento bidirezionale di energia, che così può essere mandata al dispositivo di immagazzinamento energia (Buck) o prelevata dal dispositivo di immagazzinamento energia (Boost).

La tensione all’uscita del convertitore “Buck Boost†ha la stessa polarità di quella in ingresso (presa dalla batteria 141), e può essere inferiore o superiore rispetto all'ingresso. Tale convertitore non-invertitore Buck-Boost può utilizzare un induttore singolo che viene utilizzato sia come induttore Buck che come induttore Boost.

Il convertitore Buck Boost può essere realizzato anche utilizzando topologie multifase).

Differentemente dall’esempio di figura 14a, nell’esempio di figura 14b il dispositivo di immagazzinamento energia 144 à ̈ collegato in parallelo all’uscita 142 del modulo.

Da quanto sopra emerge chiaramente come il sistema di ricarica per veicoli elettrici raggiunga gli scopi proposti mediante una struttura compatta e di grande efficienza che permette ricariche ad alta ed altissima velocità con impatto minimo sulla rete di distribuzione energia elettrica.

E’ altresì chiaro che un esperto di sistemi di ricarica, appreso l’insegnamento della presente invenzione, così come appare dalla descrizione e dalle rivendicazioni, potrà apportare molte varianti al sistema di ricarica sopra descritto, senza per questo fuoriuscire dall’ambito di protezione del presente brevetto quale appare dalle rivendicazioni allegate.

In particolare, Ã ̈ chiaro che blocchi circuitali descritti con riferimento alle diverse figure possono essere diversamente accorpati ed integrati.

E’ altresì chiaro che, nonostante l’invenzione sia stata descritta con riferimento ad un’applicazione preferita e vantaggiosa, quella dei sistemi di ricarica per veicoli elettrici, il sistema di ricarica sopra descritto può essere utilizzato anche per altre applicazioni, in particolare per ricaricare altri apparati e dispositivi elettronici.

Solo a titolo d’esempio, con riferimento alle Fig. 1-9, oltre alla possibilità di collegare in serie e parallelo il lato EV dei sottomoduli sulla stessa fase, à ̈ possibile collegare in serie o in parallelo sottomoduli di fasi differenti come riportato nelle fig.15a (che mostra un collegamento parallelo dei sottomoduli SMi di fasi diverse) e 15b (che mostra un collegamento serie dei sottomoduli SMi di fasi diverse). In altre parole, le uscite dei generici sottomoduli, SMi, sul lato EV-side possono essere anche disposte in serie ed in parallelo su fasi diverse. Ciò permette di avere automaticamente una condizione di simmetria tra le fasi anche nel caso di più veicoli presenti in fase di ricarica.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di ricarica (1) per veicoli elettrici (EV) comprendente - uno stadio d’ingresso (3) per il collegamento ad una rete di distribuzione elettrica a corrente alternata (4), - uno stadio d’uscita (5) per il collegamento ad un veicolo elettrico (EV), - uno stadio di conversione (2) per convertire una tensione alternata in una continua, detto stadio di conversione (2) essendo interposto tra lo stadio d’ingresso (3) e lo stadio d’uscita (5), - un’unità di controllo atta a controllare il funzionamento dello stadio di conversione (2), caratterizzato dal fatto che lo stadio di conversione (2) comprende un primo convertitore AC-DC multilivello, detto primo convertitore multilivello comprendendo una pluralità di sotto-moduli (SMi) tra loro connessi per definire livelli di conversione del convertitore, almeno uno di detti sotto-moduli comprendendo un dispositivo di immagazzinamento energia (102) e/o una sorgente di energia (PV) connesso/a/i ad un inverter, e dal fatto che l’unità di controllo à ̈ atta a collegare il dispositivo di immagazzinamento energia (102) e/o la sorgente di energia (PV) a detto stadio d’uscita (5) rispettivamente per rilasciare energia accumulata da detto dispositivo di immagazzinamento energia (102) e/o energia fornita da detta sorgente di energia (PV).
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui la sorgente di energia à ̈ in corrente continua, in particolare comprende un modulo fotovoltaico (PV).
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui la sorgente di energia à ̈ in corrente alternata.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui i sotto-moduli (SMi) sono collegati in cascata con le uscite DC collegate in serie.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui i sotto-moduli (SMi) sono collegati in cascata con le uscite DC collegate in parallelo.
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui i sotto-moduli (SMi) sono collegati in cascata con le uscite DC collegate ad un circuito d’interfaccia (8) configurato per collegare dinamicamente in serie o in parallelo le uscite dei sottomoduli (SMi).
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui la rete di distribuzione di energia elettrica à ̈ una rete multifase, ed in cui detto primo convertitore multilivello à ̈ collegato ad una prima fase ed in cui lo stadio di conversione comprende, per ogni ulteriore fase della rete di distribuzione elettrica, almeno un ulteriore convertitore multilivello uguale a detto primo convertitore
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui la rete di distribuzione di energia elettrica à ̈ una rete trifase, ed in cui i convertitori multilivello sono collegati a stella alla rete di distribuzione elettrica a corrente alternata.
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui la rete di distribuzione di energia elettrica à ̈ una rete trifase, ed in cui i convertitori multilivello sono collegati a triangolo alla rete di distribuzione elettrica a corrente alternata.
10. 10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo stadio di conversione comprende un convertitore AC-DC multilivello d’uscita collegato in parallelo al primo convertitore multilivello, in cui il primo convertitore multilivello (50) à ̈ collegato a detto stadio d’ingresso (3) ed in cui detto convertitore multilivello d’uscita (5000) à ̈ collegato a detto stadio d’uscita (5).
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui detto stadio d’uscita comprende un’uscita in corrente alternata per permettere la ricarica di veicoli elettrici in corrente alternata, ed in cui detto convertitore multilivello d’uscita (5000) comprende una pluralità di rami (500k) collegati in parallelo a detto primo convertitore multilivello (50), ognuno di detti rami (500k) comprendendo un convertitore multilivello con una rispettiva uscita in corrente alternata(501k), ed in cui l’unità di controllo à ̈ atta a controllare i convertitori multilivello di detta pluralità di rami (500k), in modo tale che almeno due uscite in corrente alternata di detta pluralità di rami risultino tra loro sfasate.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui una pluralità di uscite del convertitore multilivello d’uscita (5000) sono accolte in una singola presa di corrente ove può essere inserita una spina elettrica di un veicolo elettrico da ricaricare, ed in cui l’elettronica di controllo del sistema di ricarica viene configurata in modo tale da controllare i convertitori, es. ponte H o semi-ponte H, presenti nei sotto-moduli (SMi) dei singoli rami (500k) in modo tale che alle uscite (501k) presenti nella presa siano presenti segnali sinusoidali tra loro sfasati di uno stesso angolo.
13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 10 o 11 o 12, ulteriormente comprendente un condensatore posto in parallelo a detto primo convertitore multilivello e a detto convertitore multilivello d’uscita.
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 10 o 11 o 12 o 13, in cui lo stadio d’uscita comprende un’uscita in corrente continua per permettere la ricarica di veicoli elettrici in corrente continua, detta uscita in corrente continua essendo collegata al lato DC di detto convertitore multilivello d’uscita.
15. 15. Sistema secondo a qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 14, in cui detto convertitore multilivello d’uscita comprende una pluralità di sotto-moduli (SMi) tra loro connessi per definire livelli di conversione del convertitore d’uscita, almeno uno di detti sotto-moduli comprendendo un relativo dispositivo di immagazzinamento energia e/o una sorgente di energia in corrente continua, in particolare un pannello fotovoltaico (PV), connessa ad un inverter.
16. 16. Stazione di ricarica per veicoli elettrici, comprendente un corpo scatolare atto ad alloggiare un sistema di ricarica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, un presa di corrente collegata allo stadio d’uscita del sistema di ricarica per ricevere una spina di un veicolo elettrico, e mezzi, in particolare morsetti, per il collegamento dello stadio d’ingresso del sistema di ricarica ad una rete di distribuzione elettrica in corrente alternata.