I veicoli elettrici (e-mobility) è forse una delle sfide più significative che le aziende tecnologiche e i consumatori hanno dovuto affrontare negli ultimi anni. Mentre c’è un crescente bisogno di trovare sistemi ecologici che possano rivoluzionare il modo in cui ci muoviamo, c’è anche la necessità di garantire che le nuove tecnologie verdi siano il più efficienti ed efficaci possibile in termini di prezzo e prestazioni.
Gli OEM di veicoli hanno bisogno di soddisfare standard di emissioni di CO2 sempre più severi, mentre aumentano le prestazioni dei veicoli per rimanere competitivi. Questa sfida significativa è affrontata dall’elettrificazione dei veicoli elettrici puri (EV), dei veicoli ibridi-elettrici (HEV) e dei veicoli con motore a combustione interna (ICE). L’aggiunta di batterie a più alto voltaggio come 48V, 400V e 800V per soddisfare i maggiori requisiti di potenza ha, a sua volta, aumentato la complessità delle architetture di erogazione della potenza e ha posto nuove richieste in termini di dimensioni ed efficienza
I sistemi di veicoli elettrici mild-hybrid-electric (MHEV) sono la porta d’accesso all’elettrificazione. Identificati anche come propulsione ibrida leggera, contribuiranno alla crescita esponenziale dei modelli ibridi. Il sistema MHEV è in grado di recuperare l’energia del veicolo durante la frenata e fornisce energia durante il riavvio del veicolo, riducendo così il consumo di gas e le emissioni di CO2.
Un secondo approccio di elettrificazione per i modelli HEV comporta un motore elettrico che lavora insieme all’ICE, permettendo al veicolo di viaggiare al 100% in modalità elettrica per alcuni chilometri. Un’altra alternativa popolare è il veicolo ibrido-elettrico plug-in (PHEV), dove la batteria può essere ricaricata dalla rete, e l’autonomia a zero emissioni aumenta a circa 50 chilometri. In questo caso, l’elettrificazione è decisamente superiore alle tecnologie MHEV e ibride, così come i costi di acquisto, con decine di modelli PHEV che stanno arrivando sul mercato.
I veicoli elettrici a batteria (BEV) non hanno un ICE e sono invece alimentati dalla combinazione di inverter e motore elettrico. I BEV sono ricaricabili attraverso la rete e durante la rigenerazione in frenata. Tra le auto elettriche, troviamo anche i veicoli elettrici ad autonomia estesa (EREV) con un piccolo motore a combustione interna usato esclusivamente come generatore di corrente per ricaricare le batterie quando il livello è basso. L’ultima categoria è rappresentata dai veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV), che sono alimentati da celle a combustibile a idrogeno.
La soluzione potrebbe essere non solo nelle nuove tecnologie di stoccaggio dell’energia, come le batterie allo stato solido o le celle a combustibile a idrogeno, ma anche nel miglioramento dell’efficienza delle auto attraverso la riduzione del peso e nuove architetture elettriche.
Le sfide dell’elettrificazione di oggi
“Le sfide di oggi con l’elettrificazione sono le seguenti: mantenere i costi bassi, soddisfare gli obiettivi aggressivi di emissione di CO2, gestire il cambiamento dei requisiti di alimentazione, alimentare i carichi legacy 12V, fornire veicoli più leggeri e performanti, aumentare i livelli di potenza, tempi di ricarica più rapidi e gestire tensioni più elevate dai sistemi di batterie 800V e 400V,” ha detto Patrick Wadden Global VP Automotive Business Development alla Vicor Corporation.
I produttori di automobili, camion, autobus e motocicli stanno rapidamente elettrificando i loro veicoli per aumentare l’efficienza del carburante dei motori a combustione interna e ridurre le emissioni di CO2. Ci sono molte scelte di elettrificazione, ma la maggior parte dei produttori stanno optando per un sistema mild-hybrid a 48 volt piuttosto che un powertrain full-hybrid. Nel sistema mild-hybrid, una batteria da 48V viene aggiunta accanto alla tradizionale batteria da 12V.
“C’è una batteria da 800 o 400 volt nel veicolo. Vicor prende gli 800 o 400 volt dalla batteria e converte la potenza a 48 volt per alimentare carichi come il turbo elettrico, il parabrezza e le pompe di raffreddamento. I sistemi che sono alimentati dalla batteria da 800 o 400 volt hanno la possibilità di eliminare completamente la batteria da 48V e creare una batteria virtuale da 48V. Questa eliminazione della batteria a 48V offre all’OEM una maggiore densità di potenza, una riduzione del peso e delle dimensioni, il tutto consentendo una maggiore autonomia del veicolo. Queste soluzioni sono scalabili e si rivolgono quindi ai veicoli di base e di lusso”, ha detto Wadden.
La tecnologia 48V distribuisce efficientemente la potenza
La tecnologia 48V aumenta la capacità di potenza di 4 volte (P = V – I), che può essere utilizzata per i carichi più pesanti, come il condizionatore d’aria e il convertitore catalitico all’avvio. Per aumentare le prestazioni del veicolo, il sistema a 48V può alimentare un motore ibrido che viene utilizzato per un’accelerazione più veloce e fluida, risparmiando carburante.
“Superare l’esitazione a modificare la rete di alimentazione a 12 volt (PDN) a lungo ottimizzata per i costi può essere la sfida più grande”, ha detto Wadden. Ha continuato, “per l’industria automobilistica un sistema mild-hybrid a 48V fornisce un modo per introdurre rapidamente nuovi veicoli con emissioni più basse, una gamma più lunga e un maggiore chilometraggio del gas e un approccio pratico. Offre anche nuove ed eccitanti opzioni di progettazione per prestazioni e caratteristiche più elevate, pur riducendo le emissioni di CO2.”
La stragrande maggioranza dei convertitori DC-DC centralizzati utilizzati sono ingombranti e pesanti, poiché utilizzano vecchie topologie di commutazione PWM a bassa frequenza. Un’architettura più aggiornata da prendere in considerazione è l’erogazione di potenza decentralizzata (Figura 4) utilizzando moduli di potenza.
“I vantaggi di utilizzare un modello decentralizzato possono essere realizzati ancora di più a livello di sistema con un cablaggio più leggero intorno al veicolo: ci sono alcuni bei vantaggi nel posizionare il convertitore più vicino al carico in termini di minimizzazione dell’impedenza e della resistenza, alcuni dei metodi di raffreddamento possono essere semplificati e in alcuni casi si può eliminare una piastra fredda o un raffreddamento a liquido. La possibilità di implementare la sicurezza funzionale con più opzioni, e la flessibilità entra in gioco”, ha detto Wadden.
Questa architettura di consegna dell’alimentazione utilizza convertitori 48V-to-12V più piccoli e a bassa potenza. L’architettura di alimentazione decentralizzata offre significativi vantaggi di gestione termica in un sistema di alimentazione.
“Guardiamo un diagramma di alto livello di un sistema centralizzato contro un sistema decentralizzato. Sulla sinistra abbiamo una tradizionale scatola d’argento da 3kW, tradizionalmente con un ingresso di 400V per un’uscita di 12V che alimenta carichi a 12V nell’auto. Sulla destra c’è un esempio di come la 48V è usata intorno all’auto: il convertitore è posizionato proprio nel punto di carico, il modello decentralizzato fa a meno della grande scatola d’argento e diffonde la distribuzione della potenza come necessario intorno al veicolo. Questo permette anche l’implementazione di ASIL FUSA con alimentazioni ridondanti. Man mano che i requisiti di potenza salgono, diventa sempre più difficile da gestire e continuare ad aggiungere queste vecchie scatole d’argento tradizionali non è un’opzione”, ha detto Wadden.
Le nuove PDN a 48V devono supportare i carichi legacy a 12V con requisiti di potenza maggiori e i nuovi sistemi di azionamento, sterzo e frenata ad alta potenza che utilizzano cavi. Fornire più potenza a 48V con un numero crescente di carichi richiede moduli ad alta densità rispetto a soluzioni discrete più grandi e ingombranti. Vicor offre diversi moduli per la fornitura di potenza da 48V. Questi dispositivi includono soluzioni di conversione a rapporto fisso e regolate che supportano sia carichi a 48V che a 12V in modalità buck o boost. Questi convertitori possono essere contenuti in un singolo alloggiamento o distribuiti in tutto il veicolo utilizzando una PDN da 48V più piccola e leggera.
Il Vicor NBM viene utilizzato in un’architettura decentralizzata ogni volta che gli OEM hanno bisogno di posizionare gli stadi di conversione di tensione intorno al veicolo più vicino al carico e sia di scalare 48V a 12V o di aumentare 12V a 48V.
Con l’uso di stazioni di ricarica a 400V e 800V, la compatibilità del veicolo con qualsiasi stazione richiede una soluzione di conversione che sia la più semplice possibile ma soprattutto efficiente. L’NBM6123 fornisce una conversione a 400V e 800V a rapporto fisso da 6,4kW in un pacchetto CM-ChiP da 61 x 23 mm, consentendo una soluzione scalabile, ad alta efficienza e ad alta densità per la compatibilità tra le stazioni di ricarica su strada e i diversi veicoli. La capacità bidirezionale delle soluzioni Vicor permette di utilizzare lo stesso modulo per la conversione step-up o step-down. L’NBM6123 può anche essere utilizzato per la fornitura di energia al veicolo per l’aria condizionata durante la ricarica, riducendo al minimo il circuito di bilanciamento della batteria.
Conclusione
Il passaggio all’elettrificazione dei veicoli sta assumendo molte forme oggi e alimentarli è complicato. Un veicolo ha molti sistemi diversi e ognuno può avere diversi requisiti di alimentazione. Un approccio di alimentazione modulare è intrinsecamente più flessibile e scalabile, in grado di affrontare una miriade di queste sfide. Le soluzioni ad alte prestazioni di Vicor sono piccole e leggere, progettate per affrontare la conversione, la ricarica e l’erogazione di energia per qualsiasi sistema.
Maurizio ha lavorato nel campo della ricerca sulle onde gravitazionali e in progetti di ricerca spaziale come ingegnere progettista. A volte si chiede se qualcuno lassù non ci stia mandando dei messaggi che non abbiamo ricevuto o che non siamo riusciti a decifrare. Maurizio è un ingegnere elettronico e ha un dottorato di ricerca in fisica. Maurizio ama scrivere e raccontare storie di tecnologia ed elettronica. I suoi interessi principali sono Power, Automotive, IoT, Digital. Maurizio è attualmente caporedattore di Power Electronics News e corrispondente europeo di EE Times. Supervisiona anche le discussioni su EEWeb.com. Ha scritto vari articoli tecnici e scientifici, e un paio di libri per Springer su Energy Harvesting e Data Acquisition and Control System.