EO_468

POWER

ULTRACAPACITOR

- ELETTRONICA OGGI 468 - MARZO 2018

gio, ai quali è richiesto un tempo di fun-

zionamento garantito. È il caso di tutti i

tipi di utensili elettrici, dall’avvitatore a

batteria fino alla sega circolare.

Ultracondensatori: robusti e duraturi

Quanto appena descritto è imputabile

alle caratteristiche degli ultraconden-

satori, in grado di caricare e scaricare

notevoli quantità di energia nel giro di

pochi secondi. Con dieci anni e almeno

500.000 cicli di carica, la loro vita utile è notevolmente

più lunga di quella di una batteria. Inoltre, con un am-

pio range di temperatura di funzionamento compreso

tra -40 °C e 70 °C, sono molto meno sensibili alle varia-

zioni di temperatura rispetto alle batterie. Quale unico

difetto degli ultracondensatori, si potrebbe segnalare

una densità di energia relativamente bassa (ovvero non

sono in grado di immagazzinare grandi quantità di ener-

gia). I condensatori a doppio strato si distinguono per le

proprietà di scarica profonda sostanzialmente migliori:

mentre una batteria agli ioni di litio ha una profondità di

scarica (DOD – Depth of Discharge) del 25%, un ultra-

condensatore di questo tipo raggiunge un DOD del 75%.

Anche scendendo sotto questo valore, non subisce dan-

ni persistenti come la batteria, ma si riduce soltanto il

numero di cicli di carica. Un confronto tra le caratteristi-

che di un ultracondensatore e di una batteria è schema-

tizzato in figura 1. Per riunire le migliori proprietà dei due

elementi per l’accumulo di energia in un unico sistema,

occorre misurare la carica e le correnti della batteria e

dell’ultracondensatore e bilanciarle con un convertitore

buck-boost ibrido. Per espletare tali compiti è necessario

basarsi sulla definizione dei valori di soglia di entrambi

i dispositivi e sull’analisi delle loro curve caratteristiche.

Per un sistema di questo tipo esistono già diverse topolo-

gie di base: configurazione batteria / ultracondensatore

in parallelo, convertitore bidirezionale con ultraconden-

satore sul lato primario e batteria sul lato secondario;

combinazione di un convertitore unidirezionale e uno

bidirezionale. Tutte le topologie hanno in comune il fatto

di essere relativamente complesse, e quindi onerose in

termini di tempi di sviluppo e costi

Bilanciamento con convertitore boost

Per ridurre al minimo la complessità, Rutronik e WHz

hanno focalizzato la loro attenzione sulla topologia di un

convertitore DC/DC unidirezionale che permette di im-

plementare una struttura circuitale relativamente com-

patta ed efficiente. In tal modo si riducono i tempi e i costi

di sviluppo, nonché il numero di componenti necessari.

Con una soluzione di tipo digitale, il sistema risulta sotto

molti aspetti facilmente e liberamente personalizzabile.

Tra gli altri vantaggi vi è il fatto che la tensione sull’in-

verter può variare entro un range molto ampio. All’oc-

correnza, l’ultracondensatore può essere direttamente

collegato all’inverter in modo dinamico, affinché possa

assorbire le correnti di picco. L’unico limite del conver-

titore DC/DC consiste nel dover erogare la corrente di

picco attraverso un diodo controllato (MOSFET). Per una

regolazione ottimale della tensione è possibile dimensio-

nare la tensione di maggior valore nel circuito interme-

dio nel rapporto 2:1, ossia la tensione sull’ultraconden-

satore sarà doppia rispetto a quella sulla batteria. Ciò

permette uno sfruttamento ottimale dell’energia dell’ul-

tracondensatore: esso può fornire il 75% dell’energia

disponibile al 50% della tensione.

Topologia del dimostratore

I produttori di utensili elettrici a batteria di alta qualità

sono alla perenne ricerca di soluzioni in grado di au-

mentare la vita utile della batteria. Alla luce di queste

esigenze industriali, è stata definita una piattaforma per

lo sviluppo di un dimostratore che in questo caso è rap-

presentato da un trapano avvitatore a batteria.

Fig. 2 – Rappresentazione semplificata della topologia utilizzata in questo progetto

Fig. 3 – L’immagine termica del dimostratore evidenzia

un riscaldamento minimo dei componenti attivi a pieno carico