Nei moderni sistemi automotive, in particolare con l’avvento della mobilità elettrica e ibrida, l'elettronica di potenza è sempre più presente. L’evoluzione tecnologica ha permesso infatti di sviluppare soluzioni sempre più efficienti per la gestione dell’energia all’interno dei veicoli, che contribuiscono all’ottimizzazione delle prestazioni, alla riduzione dei consumi e all’aumento dell’autonomia. La crescente domanda di veicoli elettrici ha portato all’adozione di nuove tecnologie per la conversione e il controllo della potenza, fondamentali per garantire la sicurezza e la stabilità operativa dei sistemi di propulsione e dei componenti elettronici.
L'evoluzione dell'elettronica di potenza nei sistemi automotive
All'interno di un veicolo elettrico o ibrido, l’elettronica di potenza si occupa della gestione del flusso di energia tra la batteria, il motore e gli altri sistemi elettrici. Tra le principali funzioni vi è la conversione della corrente continua fornita dalle batterie in corrente alternata per il motore, compito svolto dagli inverter che permettono di controllare la velocità e la coppia del motore con un’elevata precisione, ottimizzando l’efficienza complessiva del veicolo. Altri componenti di fondamentale importanza sono i convertitori DC/DC, utilizzati per adattare la tensione della batteria alle necessità dei vari sottosistemi elettronici, e garantire così un’alimentazione stabile ed efficiente. Negli ultimi anni, i progressi nei materiali semiconduttori hanno avuto un impatto notevole sulle prestazioni dell’elettronica di potenza. L’utilizzo di dispositivi basati su carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) ha permesso di migliorare l’efficienza dei sistemi di conversione, con riduzione delle perdite energetiche e aumento della densità di potenza. Il carburo di silicio, ad esempio, consente di operare a tensioni e temperature di gran lunga più elevate rispetto al tradizionale silicio, e di migliorare la dissipazione del calore riducendo la necessità di complessi sistemi di raffreddamento. Il nitruro di gallio, d’altra parte, trova applicazione nei caricabatterie e nei convertitori grazie alla sua capacità di operare a frequenze elevate con minori perdite di commutazione.
La ricerca e lo sviluppo nel settore dell’elettronica di potenza sono guidati dalla necessità di migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei veicoli elettrici. Le case automobilistiche e le aziende specializzate nel power stanno investendo in nuove soluzioni per rendere i sistemi sempre più compatti, leggeri ed efficienti. Aziende come Infineon, Renesas, Omron e STMicroelectronics stanno sviluppando semiconduttori avanzati e soluzioni integrate che permettono di migliorare le prestazioni dei veicoli elettrici. Infineon, ad esempio, ha introdotto nuovi moduli di potenza basati su carburo di silicio che migliorano l’efficienza degli inverter di trazione, riducendo al contempo le dimensioni dei componenti. Renesas, d’altro canto, ha sviluppato microcontrollori ad alte prestazioni che ottimizzano la gestione energetica dei sistemi automotive e consentono una maggiore efficienza operativa. Omron fornisce relè e dispositivi di controllo di potenza che garantiscono una gestione sicura ed efficiente delle alte tensioni nei veicoli elettrici, mentre STMicroelectronics è tra i pionieri nell’adozione di MOSFET in SiC per applicazioni di potenza nel settore automotive. Analizziamo ora alcune delle soluzioni più interessanti.
Inverter e Convertitori DC/DC
All'interno di un veicolo elettrico, l'inverter è responsabile della conversione della corrente continua (DC) fornita dalla batteria in corrente alternata (AC) necessaria per alimentare il motore elettrico. Un esempio di soluzione avanzata in questo ambito è rappresentato dai moduli di potenza HybridPACK™ di Infineon Technologies, progettati per applicazioni automotive, che offrono elevate prestazioni in termini di efficienza e densità di potenza. Le specifiche tecniche dettagliate possono essere consultate nel relativo datasheet. I convertitori DC/DC, invece, sono utilizzati per adattare i livelli di tensione tra la batteria e i vari sottosistemi elettronici del veicolo. Infineon offre la famiglia di prodotti OPTIREG™, che comprende circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione specificamente progettati per applicazioni automotive, in grado di garantire un'alimentazione stabile e affidabile ai componenti elettronici del veicolo.
Dispositivi a Carburo di Silicio (SiC) e Nitruro di Gallio (GaN)
L'introduzione di materiali semiconduttori avanzati come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) ha rivoluzionato l'elettronica di potenza nel settore automotive. I materiali WBG offrono vantaggi importanti rispetto al silicio tradizionale, tra cui una maggiore efficienza energetica e la capacità di operare a tensioni e temperature più elevate. Infineon ha sviluppato la tecnologia OptiMOS™ 7, una generazione avanzata di MOSFET di potenza progettati per applicazioni automotive, che offrono una riduzione delle perdite di commutazione e una maggiore affidabilità, risultando ideali per applicazioni ad alta corrente in contenitori compatti.
Microcontrollori e Dispositivi Intelligenti di Potenza
La gestione efficiente dell'energia nei veicoli moderni richiede l'integrazione di microcontrollori avanzati e dispositivi intelligenti di potenza. Renesas Electronics Corporation offre una vasta gamma di dispositivi di potenza automotive, tra cui MOSFET, IGBT e dispositivi di potenza intelligenti (IPD), componenti che sono progettati per migliorare l'efficienza e la sicurezza dei sistemi elettronici del veicolo. In particolare, la serie AE di IGBT di Renesas è ottimizzata per applicazioni automotive, utilizzando una tecnologia di processo con una configurazione unica del gate a trincea. Tali dispositivi raggiungono una bassa tensione di saturazione senza sacrificare la robustezza e presentano basse perdite di commutazione.
Soluzioni di Automazione nella Produzione di Veicoli Elettrici
Oltre ai componenti elettronici, l'automazione dei processi produttivi svolge una funzione strategica nella diffusione dei veicoli elettrici. Omron offre soluzioni innovative per la produzione di EV, tra cui sistemi per la produzione di batterie, celle a combustibile e componenti elettronici, soluzioni che mirano ad accelerare la produzione attraverso l'automazione, garantendo al contempo elevati standard di qualità. L'elettronica di potenza è fondamentale nei moderni sistemi automotive, specialmente con l'avvento dei veicoli elettrici e ibridi. Tale disciplina si occupa della gestione efficiente dell'energia elettrica all'interno del veicolo, garantendo prestazioni ottimali, sicurezza e affidabilità.
Ambiti di applicazione dell'elettronica di potenza nei sistemi automotive
Parallelamente all’innovazione nei semiconduttori, lo sviluppo di architetture di gestione dell’energia più avanzate sta trasformando il panorama della mobilità elettrica. L’adozione di sistemi a 800 V, ad esempio, sta diventando sempre più comune nei veicoli di fascia alta, dal momento che questi sistemi consentono tempi di ricarica più rapidi ed una maggiore efficienza rispetto ai tradizionali sistemi a 400 V. Il cambiamento sta spingendo i produttori di componenti elettronici a progettare soluzioni compatibili con queste nuove esigenze, per garantire allo stesso tempo la sicurezza e la conformità agli standard internazionali. L’elettronica di potenza non è però limitata esclusivamente alla gestione della propulsione elettrica, ma è determinante anche nei sistemi di recupero dell’energia. I veicoli elettrici e ibridi sono dotati di sistemi di frenata rigenerativa che converte l’energia cinetica in energia elettrica, immagazzinandola nella batteria per un uso futuro, un processo in grado di migliorare l’efficienza complessiva del veicolo, contribuire ad aumentare l’autonomia, e ridurre la dipendenza dalla rete elettrica per la ricarica. Un altro ambito di applicazione dell’elettronica di potenza nei veicoli moderni riguarda i sistemi di assistenza alla guida e la gestione dei carichi elettrici. I veicoli di ultima generazione integrano un numero crescente di dispositivi elettronici, come sensori, telecamere e unità di elaborazione per il controllo autonomo e l’interconnessione con le infrastrutture stradali. La capacità di gestire in modo efficiente il consumo energetico di questi sistemi è fondamentale per garantire un’esperienza di guida sicura e confortevole, senza compromettere le prestazioni del veicolo.
L’evoluzione dell’elettronica di potenza nel settore automotive non si ferma ai veicoli passeggeri, ma coinvolge anche il trasporto pesante e le applicazioni industriali: camion, autobus e veicoli commerciali elettrici richiedono soluzioni di gestione dell’energia ancora più avanzate, con inverter e convertitori in grado di operare a potenze elevate e garantire un’affidabilità senza compromessi. Inoltre, la crescente diffusione delle reti di ricarica ad alta potenza richiede dispositivi in grado di supportare tensioni e correnti elevate, riducendo i tempi di ricarica e migliorando l’infrastruttura di supporto alla mobilità elettrica. Le prospettive future dell’elettronica di potenza nei sistemi automotive sono strettamente legate all’innovazione nei materiali, alle architetture di gestione dell’energia e all’integrazione con le tecnologie digitali. La tendenza verso una maggiore elettrificazione del settore automobilistico continuerà a guidare lo sviluppo di nuovi dispositivi e soluzioni, con l’obiettivo di rendere i veicoli elettrici sempre più efficienti, sostenibili e accessibili ad un pubblico più ampio. La collaborazione tra aziende del settore, istituti di ricerca e governi sarà determinante per affrontare le sfide tecniche e infrastrutturali, aprendo la strada ad una nuova era della mobilità basata su sistemi elettronici di potenza all’avanguardia.
Conclusioni
L’elettronica di potenza riveste un ruolo sempre più centrale nell’evoluzione tecnologica del settore automotive, diventando il fulcro dell’innovazione per la mobilità del futuro. Le principali aziende del settore, tra cui Infineon, Renesas e Omron, sono costantemente impegnate nello sviluppo di soluzioni avanzate volte a migliorare non solo l’efficienza energetica, ma anche la sicurezza e l’affidabilità dei veicoli elettrici e ibridi. Grazie all’adozione di materiali semiconduttori di ultima generazione, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), si stanno realizzando dispositivi di potenza sempre più performanti, capaci di ridurre le perdite energetiche e aumentare la capacità di gestione della potenza nei sistemi di trazione elettrica. Parallelamente, l’integrazione di componenti intelligenti dotati di avanzate funzionalità di controllo e monitoraggio, consente di ottimizzare la gestione dell’energia, prolungando la durata delle batterie e migliorando l’autonomia dei veicoli. Un altro aspetto fondamentale è rappresentato dall’automazione nei processi produttivi, che, grazie a soluzioni innovative, consente di incrementare la qualità e l’affidabilità dei componenti elettronici, garantendo maggiore precisione nella realizzazione di sistemi sempre più sofisticati. La combinazione di queste tecnologie all’avanguardia contribuisce all’accelerazione della transizione verso una mobilità sostenibile, rendendo i veicoli elettrici sempre più competitivi e accessibili su scala globale.
Riferimenti
Per maggiori dettagli sulle specifiche tecniche dei dispositivi citati, è possibile consultare i datasheet ed i siti ufficiali dei produttori:
HybridPACK™ Drive - Infineon Technologies
Produzione di veicoli elettrici OMRON, Italia
SiC MOSFETs - STMicroelectronics
Sono abbonato da poco tempo, però, purtroppo, ho già avuto modo di rilevare che molti articoli invece di entrare nel dettaglio (anche spinto, perchè no?) del tema di volta in volta trattato, sembrano essere derivati da presentazioni commerciali di limitato interesse tecnico; il presente articolo, a mio giudizio, conferma questa mia sensazione. Ci sono ripetizioni continue degli stessi concetti, affrontati con un livello tecnico appena accennato.
Per fortuna ho avuto modo di leggere anche altri articoli di livello tecnico sicuramente più consono alla vostra rivista.
Cordiali saluti.
Ciao Marco,
ti ringraziamo per il tuo feedback. Ci teniamo a precisare che questo articolo non fa parte dei contenuti Premium della rivista Firmware 2.0 riservati ai soli abbonati, ma rientra tra gli articoli gratuiti e accessibili a tutti.
Comprendiamo l’importanza di approfondimenti tecnici e, allo stesso tempo, segnaliamo che i contenuti a carattere commerciale fanno parte della nostra programmazione editoriale, sia per la rivista che per il sito web. Continueremo comunque a mantenere un equilibrio tra articoli divulgativi e approfondimenti più tecnici, come quelli che hai già avuto modo di apprezzare.