La richiesta di energia del settore automotive può guidare l’innovazione tecnologica e l’efficienza energetica

Le richieste di energia del settore automobilistico sono in grado di orientare l'innovazione tecnologica e l'efficienza energetica. I veicoli di ultima generazione consumano molta più energia. Al contempo, diventano sempre più intelligenti e dotati di prestazioni e funzionalità avanzate. Più intelligente è il veicolo, maggiore è la necessità di una gestione ottimizzata dell'energia senza compromettere l'intelligenza del veicolo stesso.

Introduzione

Il veicolo moderno è un vero e proprio data center su ruote. Una sfida continua per i veicoli a guida autonoma è l'immensa quantità di energia necessaria per l'autonomia: i sensori di bordo assorbono una quantità significativa di energia mentre l'elaborazione all'interno del veicolo esegue costantemente calcoli per supportare decisioni di guida istantanee, con un flusso di dati di molti gigabyte al secondo. Ai veicoli moderni è richiesto che siano intelligenti riguardo al consumo di energia poiché, a differenza di un server o di uno smartphone, il consumo di energia delle automobili influisce direttamente anche sul risparmio di carburante e sull'autonomia dei veicoli elettrici.

Obiettivo: Bilanciare potenza e prestazioni

Se immaginiamo un veicolo come un sistema distribuito costituito da un insieme di componenti e funzionalità, possiamo dire che ciascuna funzione automobilistica compete per la potenza. L'automobile è diventata più affamata di energia nel corso dei decenni, pensiamo ad esempio ai sistemi avanzati di assistenza alla guida ADAS, ai cruscotti che sembrano console nel controllo missione della NASA, ai GPS, alla radio satellitare e alla memoria multimediale a bordo, ma anche a tutti i componenti elettronici e alle capacità informatiche dei veicoli a guida autonoma. Ecco quindi che i requisiti di alimentazione per il veicolo aumentano rapidamente. L'architettura automobilistica è ricca di sistemi elettronici integrati necessari per supportare il motore, il telaio, le caratteristiche di sicurezza e l'intrattenimento dei passeggeri. L'elettronica del motore sotto forma di unità di controllo del motore (ECU) è distribuita attraverso l'automobile moderna per controllare funzioni come emissioni, accensione, raffreddamento, accelerazione e iniezione di carburante. Queste centraline devono comunicare con i sottosistemi elettronici del telaio che comprendono il controllo della trazione, la distribuzione elettronica della frenata, la frenata antibloccaggio e l'assistenza al parcheggio. I sistemi di sicurezza passiva richiedono anche componenti elettronici per il controllo e l'attivazione dell'airbag, la frenata di emergenza e il controllo in caso di collisione o altro incidente sulla strada. D'altra parte, le funzioni di comfort dei passeggeri come il climatizzatore automatico, la regolazione elettronica del sedile, i controlli ambientali automatici e i tergicristalli automatici, nonché qualsiasi sistema di intrattenimento e navigazione, che rientrano nell'ambito dei sistemi di infotainment, sono meno mission-critical. Tutti questi contenuti elettronici si stanno evolvendo e diffondendo man mano che i veicoli diventano più intelligenti, mentre i sistemi come ADAS diventano ancora più dipendenti dall'elettronica. Tuttavia, maggiore elettronica e migliori funzionalità non devono necessariamente significare più potenza. L'aggiunta di nuove funzionalità può infatti migliorare l'efficienza energetica.

Le opportunità per ridurre il consumo energetico dell'auto si possono trovare in molti componenti elettronici necessari per rendere il veicolo moderno più intelligente e autonomo. Gli elementi più strategici in tal senso sono i dispositivi di memoria e archiviazione, i sensori e la connettività. La memoria ad alta efficienza energetica gioca un ruolo importante nel ridurre il consumo energetico complessivo nel veicolo per bilanciare prestazioni e potenza, anche se i sistemi diventano sempre più complessi e viene eseguita una maggiore quantità di elaborazione dati nell'auto. Oltre alla memoria e allo storage, la connettività e i sensori sono onnipresenti nel veicolo moderno. I molteplici dispositivi di bordo IoT devono comunicare tra loro e con l'ambiente circostante, soprattutto se il veicolo è completamente autonomo. Anche i piccoli sensori hanno requisiti di alimentazione e, quando presenti in numero elevato, il consumo di energia può aumentare in modo importante. L'automobile moderna è equipaggiata con sensori per monitorare le condizioni del veicolo, rilevare ostacoli durante la guida e il parcheggio e persino tenere sotto controllo lo stato di salute del driver. Una sfida chiave nella progettazione automobilistica è relativa al fatto che l'energia viene inevitabilmente dispersa sotto forma di calore. Parte di questa energia persa può essere recuperata raccogliendo questo calore di scarto con generatori termoelettrici (TEG), che fungono da fonti di alimentazione, soprattutto nei sistemi embedded. Poiché sono a stato solido, non richiedono quasi nessuna manutenzione e migliorano le prestazioni complessive del sistema aiutando ad alimentare i sensori. Automotive Ethernet svolge anche un ruolo fondamentale nell'efficienza energetica, aiutando al contempo a spostare tutti i dati intorno al veicolo dove è necessario. Power over Ethernet elimina la necessità di fonti di alimentazione aggiuntive, riduce il cablaggio nel veicolo e consente il trasferimento di dati tra dispositivi veicolari alla normale velocità. Ethernet ad alta efficienza energetica riduce il consumo energetico disattivando i segmenti di rete quando il motore è spento e utilizzando Ethernet ad alta efficienza energetica quando il motore è acceso.

L'importanza dei semiconduttori di potenza

Sono molteplici i percorsi per la gestione intelligente dell'alimentazione automobilistica. Un metodo per un migliore consumo energetico in ambito automotive si ottiene tramite l'utilizzo di semiconduttori a banda larga (WBG) che si basano su materiali come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), i quali hanno entrambi una banda di energia relativamente grande. Rispetto al silicio, SiC e GaN possono offrire miglioramenti significativi delle prestazioni e una migliore efficienza operativa e affidabilità in diversi ambienti difficili, compreso quello automobilistico.

Considerazioni conclusive

L'efficienza energetica nei veicoli moderni è ancora una sfida per certi versi irrisolta. Il consumo energetico deve sempre essere un fattore chiave nella progettazione, a partire dalla scelta della memoria, del sistema di storage ed elaborazione, nonché della connettività che deve gestire il flusso di dati. Maggiore è il livello di intelligenza del veicolo, maggiore è la necessità di una efficiente gestione energetica attraverso un consumo energetico ridotto, la raccolta di energia e una migliore gestione termica.