La ricarica bidirezionale, da veicolo a rete (V2G, Vehicle to Grid), consente alla batteria del veicolo di fornire energia alla rete durante i picchi di domanda o garantire energia agli impianti domestici quando le altre batterie sono esaurite o l’elettricità fornita dalla rete ha costi troppo elevati.
Con la diffusione degli impianti per la produzione di energia da fonti rinnovabili e con l’incremento del numero delle colonnine di ricarica, le reti di distribuzione dell’energia elettrica debbono fare fronte ad un aumento delle prestazioni senza precedenti.
Ma cosa succederebbe se i veicoli elettrici potessero rendere meno pesanti questi nuovi impegni?
Il concetto, noto come vehicle-to-grid, o V2G, prevede flotte di veicoli elettrici che forniscono energia alla rete, in particolare durante i picchi di domanda, sfruttando le batterie ad alta capacità dei veicoli. La visione sta guadagnando terreno man mano che emergono nuove soluzioni di ricarica e stoccaggio della batteria e nuove tecnologie vengono adottate.
Approfondite informazioni sulle tecnologie di ricarica bidirezionale V2G sono disponibili in questa sezione del sito di Texas Instruments.
Questa tecnologia aiuterà la lotta ai cambiamenti climatici ed alla riduzione della CO2, consentendo di incrementare il numero di impianti per la produzione di energia da fonti rinnovabili.
Anche gestire le richieste di energia di milioni di proprietari di veicoli elettrici rappresenterà una sfida. L’energia necessaria per percorrere 100 miglia con una vettura elettrica equivale ai consumi giornalieri di una famiglia tipo. Se tutti dovessero ricaricare la propria vettura contemporaneamente, la rete potrebbe non riuscire a soddisfare la richiesta.
“Il problema non è la capacità complessiva della rete”, ha affermato Henrik Mannesson, general manager for grid infrastructure di Texas Instruments. “La sfida è la capacità di picco della rete. Sappiamo tutti che questi picchi stanno aumentando e si verificano più spesso man mano che diventiamo più dipendenti dall’energia elettrica. Gli eventi meteorologici estremi aggiungono ulteriore stress alla rete. Con l’aiuto di avanzate tecnologie dei semiconduttori, la ricarica bidirezionale V2G potrebbe appianare questi picchi, il che offrirebbe grandi vantaggi a tutti gli utenti“.
Le tecnologie dei semiconduttori che consentono la ricarica bidirezionale possono trasformare i veicoli elettrici e le relative batterie in sistemi di accumulo di energia in grado di restituire energia alla rete quando necessario. Le tecnologie di gestione energetica, rilevamento e connettività a banda larga possono garantire una rete più affidabile, più intelligente e più sicura, ottimizzando la gestione del carico di energia, consentendo una maggiore impiego di fonti energetiche rinnovabili.
Il ruolo della tecnologia GaN per una ricarica più rapida ed efficiente dal punto di vista energetico
Uno degli elementi per la creazione di soluzioni V2G più efficienti è la tecnologia al nitruro di gallio (GaN). Rispetto ai prodotti che utilizzano il silicio, la tecnologia GaN consente di triplicare la densità di potenza (la quantità di energia gestita in un dato fattore di forma) dell’alimentatore o del sistema di gestione dell’alimentazione in applicazioni come i caricabatterie di bordo nei veicoli elettrici, le colonnine di ricarica per veicoli elettrici e i sistemi di accumulo dell’energia. Ciò si traduce in design con ricarica più rapida, dimensioni del sistema ridotte e costi di proprietà inferiori.
“Il GaN aiuta gli ingegneri a raggiungere il triplo della densità di potenza dei semiconduttori tradizionali e riduce significativamente le dimensioni e il costo di applicazioni come i wallbox DC”, ha dichiarato David Snook, responsabile dei prodotti GaN di Texas Instruments.
Le stazioni di ricarica più piccole e più leggere garantiscono una maggiore flessibilità, rendendo più semplice l’utilizzo e l’installazione. I sistemi portatili e le Wallbox DC offrono ai proprietari di veicoli elettrici la possibilità di ricaricare più facilmente i veicoli a casa propria.
Il ruolo della tecnologia di rilevamento della corrente
La tecnologia di rilevamento della corrente è fondamentale per migliorare l’efficienza energetica quando si trasferisce l’energia tra i veicoli elettrici e la rete. Per implementare i loop di controllo di tensione e corrente nei sistemi di conversione di potenza, i microcontrollori necessitano di letture di tensione e corrente isolate, rapide e accurate. I portafogli di amplificatori isolati e convertitori analogico-digitali (ADC) di Texas Instruments funzionano con piccoli resistori di shunt di corrente per ridurre la dissipazione di potenza e consentire misurazioni ad alta risoluzione, consentendo un controllo accurato quando l’energia viene restituita alla rete.
“Il rilevamento accurato della corrente ci consente di trasformare l’energia accumulata nelle batterie in corrente alternata che può essere inviata in rete“, ha affermato Navin Kommaraju, che gestisce il portafoglio di ADC e amplificatori isolati di TI.
Il monitoraggio dello “stato di carica” aiuta i proprietari di veicoli elettrici a gestire l’energia in modo più efficace. Un monitor accurato può aiutare a ottenere fino al 20% in più di capacità da una batteria senza rischiare danni permanenti alle celle. Ad esempio, alcuni proprietari di veicoli elettrici potrebbero non aver bisogno di mantenere le batterie delle loro auto sempre completamente cariche se percorrono giornalmente brevi tragitti. La maggiore precisione delle tecnologie di rilevamento insieme ad uno studio intelligente delle abitudini di utilizzo del veicolo, potrebbe consentire al veicolo stesso elettrico di avvisare i proprietari del momento migliore per restituire energia alla rete o all’impianto elettrico di casa.
Se l’efficienza è importante, la sicurezza è fondamentale nella produzione di soluzioni V2G. I proprietari di veicoli elettrici devono essere certi che il trasferimento di potenza da e verso i loro veicoli elettrici sarà affidabile e coerente. Insieme alla tecnologia di rilevamento, i sistemi di gestione della batteria possono aiutare a monitorare lo “stato di salute” delle batterie gestendo la tensione, la corrente, la temperatura e altri parametri prestazionali.
“Il sistema di gestione della batteria è la prima linea di difesa“, ha affermato Spencer Hu, che gestisce i prodotti di monitoraggio per batterie auto di TI. “Se la batteria non è in buono stato, i proprietari potrebbero non volerla collegare alla rete per non accelerare l’invecchiamento della batteria stessa, con peggioramento dell’autonomia“.
Soluzioni di connettività avanzate per la gestione di carichi di potenza
Mettere in pratica la tecnologia V2G significa anche gestire un sistema di trasmissione dati che comporterà comunicazioni intelligenti tra i veicoli elettrici, l’infrastruttura di ricarica e la rete. Le soluzioni di connettività avanzate e la misurazione intelligente dell’energia saranno fondamentali per gli operatori di rete che hanno il compito di gestire la potenza in rete in funzione delle richieste dei veicoli elettrici in tempi, luoghi e scenari diversi. La gestione finanziaria per l’addebito dei consumi o l’accredito nel caso di restituzione di energia alla rete richiederanno comunicazioni in tempo reale, affidabili e sicure.
I proprietari di veicoli elettrici, nel frattempo, avranno bisogno di interfacce uomo-macchina (HMI) intelligenti come display e touchpad in grado di connettersi tramite vari protocolli, Wi-Fi e Bluetooth o Sub-1 GHz. La gestione di un’ampia varietà di interfacce di comunicazione, garantendo al contempo un’esperienza utente di alta qualità durante la ricarica, richiederà processori applicativi in grado di gestire più funzioni su un singolo chip. I processori Sitara AM62 di Texas Instruments agiscono come decisori centrali nella gestione della comunicazione attraverso lo spettro delle interfacce uomo-macchina e EV-to-charger e la comunicazione tra le stazioni di ricarica e il cloud. Consentono anche agli ingegneri di soddisfare standard e protocolli globali per le comunicazioni V2G come ISO15118 Plug & Charge e Open Charge Point Protocol (OCPP).
Processori come l’AM62 consentiranno agli operatori di rete di ottimizzare la gestione del carico energetico, informando contemporaneamente i conducenti di veicoli elettrici tramite HMI sul momento migliore per ricaricare o restituire energia alla rete. I processori con funzionalità di edge AI aprono anche la strada a una maggiore intelligenza da incorporare nella rete man mano che i dati V2G vengono raccolti.
“Possiamo utilizzare l’intelligenza artificiale per cercare modelli in un anno di dati“, ha affermato Artem Aginskiy, responsabile della linea di prodotti per i processori Sitara. “Potrebbe prevedere il posto migliore per ricaricare l’indomani in base a come si comportano oggi la rete e i caricabatterie“.
La tecnologia dei semiconduttori è in grado di trasformare il V2G in realtà
Alcuni eventi, come le interruzioni di corrente, sono più difficili da prevedere, ma gli utenti di veicoli elettrici continueranno a beneficiare della tecnologia dei semiconduttori anche quando le luci di casa si spegneranno. Le stesse innovazioni nella connettività che sono alla base del V2G consentiranno alle batterie delle loro auto di alimentare le loro case durante le interruzioni di corrente. Tali soluzioni da veicolo a casa (V2H) integreranno la ricarica bidirezionale tra le case e la rete tramite celle solari e sistemi di accumulo della batteria, stimolando ulteriormente l’adozione di fonti di energia rinnovabile.
La costruzione di infrastrutture per guidare l’elettrificazione dei veicoli richiederà tempo. Dal punto di vista tecnologico, tuttavia, non manca nulla. Anche i vantaggi ambientali del V2G, attraverso una gestione più efficiente del carico di alimentazione, sono convincenti.
“La tecnologia dei semiconduttori può aiutare la rete a far fronte al fabbisogno energetico derivante dall’elettrificazione dei veicoli“, ha affermato Henrik. “Le soluzioni intelligenti, nel frattempo, possono rendere più facile per gli utenti di veicoli elettrici restituire l’energia alla rete“.
Una passione per creare un mondo migliore
Aiutare gli ingegneri a trasformare in realtà le soluzioni di accumulo di energia V2G è solo uno dei modi per creare un mondo migliore rendendo l’elettronica più accessibile attraverso i semiconduttori. Ogni innovazione si costruisce su quella precedente, per rendere i prodotti più piccoli, più efficienti, più affidabili e più convenienti. È il progresso ingegneristico che avanza. Ed è quello che fanno i ricercatori di Texas Instruments ogni giorno.
