La crescita esponenziale di veicoli a propulsione elettrica e ibrida è fortemente legata ai progressi tecnologici nel power management e all’implementazione di materiali innovativi adattabili a una vasta gamma di applicazioni di potenza. I dispositivi Wide Band Gap Semiconductors garantiscono maggiore efficienza energetica e dimensioni più piccole dei componenti elettronici. La ricerca nel settore automotive per la trazione elettrica è orientata anche all’ottimizzazione della batteria e dei sistemi di ricarica. 

INTRODUZIONE

I sistemi di mobilità a trazione elettrica e ibrida trovano largo spazio all’interno del settore automotive. In media un Electrical Vehicle (EV) ha un'efficienza in un range compreso tra il 59% e il 62% relativamente alla trasformazione dell'energia immagazzinata in una batteria, per convertirla in potenza meccanica da fornire alle ruote. Le sofisticate tecnologie emergenti che si stanno affermando nell’elettronica di potenza, oltre a quelle delle batterie e del controllo motore, permettono di accelerare l'uso diffuso di veicoli elettrici e ibridi e di aumentarne l’efficienza, le prestazioni e il campo di funzionamento. In particolare stiamo parlando dei semiconduttori WBG (Wide Band Gap) che offrono prestazioni di gran lunga superiori rispetto alla tecnologia convenzionale basata sul silicio. I dispositivi che sfruttano efficacemente le proprietà di questi materiali innovativi per raggiungere valori di tensione e corrente richiesti nelle applicazioni, sono caratterizzati da maggiore efficienza energetica e design molto compatto. Carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) sono due semiconduttori della famiglia WBG impiegati nelle applicazioni di potenza. Gli interruttori a semiconduttore e i componenti per la conversione di potenza migliorano l'efficienza dei veicoli elettrici, ma anche l’elettrificazione del condizionamento dell'aria e dell'illuminazione ha un ruolo determinante. Inoltre l'elettronica di controllo del motore nella trasmissione rappresenta una criticità relativamente alla sicurezza, per cui è necessario implementare tecnologie collaudate per i controller dei motori di trazione.

UNO SGUARDO ALLE TECNOLOGIE EMERGENTI

Esaminiamo quali sono le tecnologie emergenti allo stato attuale, in grado di accelerare l’adozione dei sistemi a propulsione elettrica e ibrida su larga scala.

L’elettronica di potenza

I mosfet di potenza al silicio non hanno raggiunto i livelli prestazionali richiesti nei sistemi elettronici di potenza. I progettisti, infatti, stanno mettendo a punto nuove tecnologie in grado di offrire una maggiore efficienza energetica durante la conversione nonchè riduzione delle perdite. Una tecnologia emergente è sicuramente quella dei dispositivi e moduli a semiconduttore di potenza in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). Il nitruro di gallio è un semiconduttore ad alta mobilità elettronica, con notevoli vantaggi nella commutazione di potenza e che offre prestazioni superiori sia rispetto al silicio che al carburo di silicio. SiC, d'altra parte, riduce notevolmente le perdita di potenza nei sistemi di conversione. Inoltre i dispositivi SiC sono diventati molto affidabili e più convenienti e ciò sta contribuendo all’aumento della quantità di veicoli elettrici in circolazione. I SiC mosfet e i diodi Schottky sono progettati per applicazioni di ricarica per EV e offrono una bassa perdita di commutazione di potenza. I dispositivi Wide Band Gap Semiconductors (WBG) trovano applicazione nell’ambito della gestione dell'alimentazione o power management; si tratta di materiali semiconduttori a banda larga che rendono i componenti elettronici di potenza molto più piccoli, più veloci e più affidabili, garantendo al contempo anche una maggiore efficienza rispetto ai dispositivi a base di silicio. Queste caratteristiche funzionali permettono di ridurre il peso e il volume in un ampio range di applicazioni di potenza. I semiconduttori WBG consentono inoltre ai dispositivi di funzionare in un campo di temperature, tensioni e frequenze molto più elevato. I moduli elettronici di potenza che impiegano questi materiali sono quindi più potenti ed efficienti rispetto a quelli realizzati con materiali semiconduttori convenzionali. I dispositivi WBG garantiscono l’eliminazione fino al 90% delle perdite che si verificano durante la conversione di potenza AC-DC e DC-AC, funzionamento a frequenze più elevate e fino a Tmax maggiori rispetto ai dispositivi basati sul silicio, miglioramento delle prestazioni ad alta potenza e conseguentemente migliore affidabilità del sistema complessivo, sistemi più piccoli e leggeri, con inevitabili vantaggi sulla riduzione dei costi.

Figura 1. Tensioni di rottura di silicio e di semiconduttori Wide Band Gap - SiC (carburo di silicio) e GaN (nitruro di gallio)

Le batterie

Le batterie devono soddisfare precisi requisiti: alti livelli di capacità di carica, densità di potenza e leggerezza, garantendo al contempo riduzione dei costi. Allo stato attuale nei veicoli a trazione elettrica vengono implementate batterie a ioni di litio (Li-Ion) che fungono da portatori di carica, caratterizzate da alta densità di energia, leggerezza e possibilità di essere sottoposte a più cicli di ricarica. I parametri progettuali che determinano l’efficienza di un sistema di accumulo sono la velocità di ricarica e la durata della stessa, in termini di Km percorribili e quindi autonomia di percorrenza del veicolo. Una batteria è considerata tanto più efficiente quanto maggiore è l’autonomia di percorrenza che garantisce con una sola ricarica, minore il decadimento delle prestazioni con i cicli di ricarica, maggiore la sua densità di energia e ampio l’intervallo di temperatura tollerato, mantenendo bassi livelli di costi. Le batterie con elettrolita solido, pur garantendo elevata densità di energia e ottimi livelli di sicurezza, risultano tuttavia ancora molto costose.

Figura 2. Batteria agli ioni di litio per veicolo a trazione elettrica

La ricarica per i veicoli elettrici

Anche se [...]

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