Come l’elettronica sta cambiando l’automobilismo

Non ci sono dubbi su questo. Le automobili hanno cambiato il mondo negli ultimi cento anni. Comunque, la tendenza verso modelli sempre più veloci e di maggiori dimensioni, sembra essere stata in controtendenza. I cambiamenti climatici e la diminuzione delle risorse ci hanno costretto a dover ripensare. La potenza elettronica ha sostituito il cavallo-vapore nel definire le prestazioni di un'auto, con affascinanti applicazioni emergenti per i convertitori modulari.

L'auto da corsa Formula Student Electric (FSE) sviluppata all'Università di Monaco ha sei convertitori DC/DC RECOM altamente isolati su ciascuna ruota, che forniscono l'elettronica di potenza (Foto: MunicHMotorsport) - (cfr. immagine in evidenza)

Chiunque si aspetti un rapido passaggio verso le auto elettriche in Germania con un fisico laureato alle leve del potere resterà deluso. La scena politica inizialmente prevedeva un milione di e-car entro il 2020, ma lo scorso anno ha visto solo cinquantamila - e questo include metà del numero di "compromessi ibridi". Tutti gli attivisti politici e ambientalisti sembrano fare una campagna per la stessa causa, quindi perché la transizione è stata così lenta? Ci sono molte ragioni.

  • Autonomia e mancanza di stazioni di ricarica: le batterie agli ioni di litio disponibili hanno a malapena una capacità sufficiente per un inizio spensierato per il fine settimana. Ciò vale soprattutto per i mesi estivi e invernali che richiedono un interno climatizzato. A parte questo, le stazioni di ricarica rapida sono ancora molto infrequenti in Germania, soprattutto nelle aree rurali. E una volta trovata, è necessario aspettare ancora quasi un'ora che la batteria si ricarichi abbastanza per un paio di ore di guida. Ciò significa che le auto elettriche pure, hanno senso solo come seconde auto per guidare in città.
  • Le auto elettriche sono ancora troppo costose: le auto elettriche sono ancora troppo costose per il mercato di massa nonostante i sussidi statali. Anche il prezzo dell'elettricità è particolarmente elevato in Germania, con un risparmio del 30% rispetto al diesel a 30 centesimi/kWh. Questi risparmi potrebbero ripagare per i viaggi a lunga distanza, ma difficilmente per un giro in città accanto all'auto di famiglia.
  • Durata della batteria limitata: le e-car risparmiano sui costi di manutenzione come i cambi d'olio, ma i costi elevati della sostituzione di una batteria usurata incombono dopo pochi anni. Si prevede che il valore di un'auto elettrica si deprezzerà di alcune migliaia di euro con la batteria originale installata, poiché i potenziali acquirenti dovranno tener conto del costo di una nuova batteria.
  • La mobilità elettrica non è così pulita come la sua reputazione: anche senza un tubo di scarico, le auto elettriche non sono pulite come la loro reputazione. Le materie prime utilizzate nelle batterie agli ioni di litio includono litio, cobalto e nichel, che vengono estratti in paesi in cui la protezione dell'ambiente non è in cima alla lista delle priorità. A parte ciò, le emissioni prodotte in media superano i cento chili di anidride carbonica per chilowattora di capacità della batteria. Inoltre, l'energia elettrica necessaria per caricare la batteria è priva di emissioni solo se proviene da fonti rinnovabili.
  • Le materie prime non sono disponibili in quantità illimitate: nessuno sa per quanto tempo i depositi di litio e altre risorse dureranno in quantità sufficientemente elevate da soddisfare le esigenze della mobilità elettrica globale. Man mano che le risorse diminuiscono, il prezzo delle batterie potrebbe aumentare piuttosto che ridursi, soprattutto perché la batteria dovrà essere sostituita almeno una volta durante la vita della e-car. Le materie prime possono in una certa misura essere recuperate dal riciclaggio, ma questo processo richiede tempo e denaro.

Con questo in mente, l'entusiasmo per la mobilità elettrica è sorprendentemente tiepido. È quasi come se non fosse arrivato il momento di guidare a batteria, soprattutto considerando che una batteria con autonomia di 400 km pesa 600 kg. Questo peso deve essere spostato insieme all'auto, riducendone l'efficienza. È poco consolante il fatto che i motori elettrici siano più leggeri dei motori delle auto convenzionali, anche se parte della potenza può essere recuperata durante la frenata.

Come entrano in scena i trasformatori di tensione

I circuiti di ricarica sono necessari per convertire l'alimentazione AC dalla rete in alta tensione DC, monitorando e controllando il processo di ricarica prima che un'auto elettrica possa partire con una batteria completamente carica. Una presa convenzionale da 230 V è sufficiente per caricare una piccola e-car nel garage durante la notte. L'auto è dotata di un proprio circuito di ricarica. Il processo di ricarica richiederà ore alla potenza massima di 2.3 kW disponibile da una presa di corrente domestica.

Le stazioni pubbliche e di ricarica rapida sono più veloci poiché assorbono più di 100kW e impiegano circa un'ora per caricare una batteria da 85kWh. Le stazioni ad altissima potenza ancora in fase di sviluppo possono gestire fino a 400kW. Ciò accelererebbe il processo di ricarica a circa un quarto d'ora, il che si adatterebbe facilmente con le pause rapide pianificate in poche centinaia di chilometri.

Figura 1. I convertitori di tensione nelle stazioni di ricarica forniscono alti livelli di isolamento necessario

Tutte le principali stazioni di ricarica utilizzano la tensione DC per ricaricare le batterie delle auto elettriche. Le tensioni di 400 V sono attualmente standard, ma questo potrebbe salire a 800 V in futuro. Tensioni di questa scala sono letali al contatto anche se la tensione DC è considerata sicura in un ambiente domestico. Le richieste sull'affidabilità dell'intero sistema sono di conseguenza elevate.

Ciò richiede connessioni a spina meccanicamente robuste così come un sistema di sicurezza elettronico affidabile. A tal fine, il sistema di gestione della batteria nell'auto mantiene una comunicazione costante con la stazione di ricarica. L'alimentazione fluisce solo con la spina del caricabatterie inserita saldamente nella presa di ricarica e il caricabatterie che trasmette un segnale "ok" costante. La stazione di ricarica si disconnette istantaneamente in caso di interruzione del segnale.

RECOM RAC05-xxSK/480 è stato sviluppato per questa attività di monitoraggio (Figura 3). Il convertitore AC/DC funziona a tensioni di ingresso fino a 528 V AC e quindi agisce facilmente tra due fasi nel sistema trifase. Isolato per tensioni fino a 4kV, il convertitore da 5W converte l'alimentazione trifase in tensioni DC basse di 5 o 12V DC per l'elettronica di monitoraggio. L'alimentazione ausiliaria del convertitore AC/DC alimenta il sistema di sincronizzazione che consente il flusso di energia solo se tutto il resto è in buono stato.

Figura 2. RECOM RAC05-xxSK/480 converte l'alimentazione trifase a 480 V in 5 o 12 V DC. Il convertitore da 5 W funziona a temperature da - 40 ° C  a +80 ° C

Non solo le stazioni di ricarica necessitano di un attento monitoraggio; la batteria stessa richiede un'osservazione costante. Le avanzate batterie agli ioni di litio sono generalmente disposte in più moduli. La corrente, la tensione e la temperatura in ciascun modulo devono essere monitorate separatamente per garantire un processo di ricarica che preservi la batteria. Deve essere possibile spegnere i singoli moduli in caso di guasto continuando a fornire energia ai moduli sani. Un sistema elettronico complesso è vitale per massimizzare la durata della batteria e proteggere dai guasti delle singole celle.

RECOM ha già sviluppato una serie di convertitori DC/DC da 1 W utilizzati per la gestione della batteria in auto elettriche. Ciascun modulo batteria necessita del proprio convertitore DC/DC per isolare dal bus CAN le apparecchiature elettroniche di monitoraggio che funzionano a varie tensioni fluttuanti. I convertitori RECOM sono isolati per tensioni di 5.2kV DC e testati ad alta potenza.

I convertitori DC/DC altamente isolati vengono utilizzati anche per controllare i semiconduttori di potenza nelle stazioni di ricarica. Ciò implica l'utilizzo di IGBT, SiC o Si MOSFET o GaN FET controllati da gate driver, che richiedono una tensione positiva e negativa ciascuno per accelerare il processo di commutazione ed evitare guasti.

Gli interruttori di alimentazione hanno alte tensioni fluttuanti, quindi la tensione di alimentazione del driver richiede un isolamento molto efficace. RECOM ha sviluppato due convertitori DC/DC isolati "rinforzati" con tensioni di uscita di + 15 V/-9 V (IGBT), + 15 V/-3 V e + 20 V/5 V (SiC) e + 6 V/+ 9 V (GaN) a tal fine. Questi convertitori hanno capacità di accoppiamento particolarmente basse per garantire una lunga durata del sistema.

Figura 3. Convertitori DC/DC altamente isolati con doppia uscita alimentano driver IGBT, SiC o GaN con tensione fluttuante

Le corse automobilistiche generano innovazione

Le corse automobilistiche forniscono un efficace barometro generale del cambiamento tecnologico. L'energia elettrica aggiuntiva gioca un ruolo essenziale nel vincere al formula racing. La Formula E è cresciuta sempre più forte e funziona con l'elettricità. La gara può essere completata con una sola carica della batteria ora rispetto a un anno fa, quando l'auto doveva essere cambiata a metà gara. Anche le università stanno lavorando duramente per il futuro. Gli studenti dell'Università di Monaco stanno collaborando con MunicHMotorsport su un'auto da corsa a motore elettrico per correre nella gara della Formula Student Electric (FSE). I quattro motori trifase nei mozzi delle ruote sono dotati di un totale di ventiquattro convertitori DC/DC isolati della famiglia RECOM RxxP2xx per alimentare l'elettronica di controllo. Il pilota esposto allo stand RECOM della fiera elettronica 2018 corre a 174 CV e passa da 0 a 100 km/h in meno di due secondi.

Prospettive

I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando duramente per migliorare la tecnologia della mobilità elettrificata, non da ultimo in Cina. Resta da vedere se le batterie agli ioni di litio avranno l'ultima parola. I ricercatori dell'Institute for Energy and Climate Research vedono molte potenzialità nello sviluppo di un nuovo tipo di batteria allo stato solido. Tutti i componenti sono fabbricati con composti fosfatici. Non sembra esserci alcuna mancanza di risorse per questi. Non vengono utilizzati fluidi, quindi dovrebbero essere più sicuri e più durevoli delle batterie agli ioni di litio.
Anche le celle a combustibile alimentate a idrogeno sono considerate promettenti. La Friedrich Alexander University di Erlangen sta ricercando "combustibili" sicuri con idrogeno legato organicamente in olio. Questi vettori di idrogeno organico liquido (LOHC) non sono né infiammabili né tossici e possono essere usati allo stesso modo del combustibile convenzionale nei normali serbatoi di carburante. Le auto avrebbero bisogno di circa la stessa quantità di carburante LOHC come le normali auto del carburante normale per coprire una distanza di 600-800 km. La rete di stazioni di servizio esistente potrebbe anche essere utilizzata per il rifornimento di carburante LOHC.

In ogni caso, l'azionamento sarà sicuramente elettrico con controllo elettronico, monitoraggio e comunicazione. Ciò richiederà una varietà di convertitori di tensione innovativi, uno dei motivi per cui RECOM si concentra in particolare sulla mobilità elettrica.

 

 

Versione originale dell'articolo in inglese disponibile sul sito RECOM

 

 

 

 

 

 

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2 Commenti

  1. Doc77 Doc77 28 Febbraio 2020
  2. Alessandro Alessandro 28 Febbraio 2020

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