L’elettronica di potenza nei veicoli elettrici e ibridi

Le spinte progettuali nei veicoli elettrici e ibridi per migliorare l’efficienza della conversione di energia sono orientate verso dispositivi dotati di packaging compatto e assemblaggio dei moduli elettronici di potenza ad alta affidabilità termica per la distribuzione e gestione dell'energia nel veicolo, con riduzione delle perdite dovute alla resistenza dei commutatori. L’elettronica di potenza in EV ed HEV è ottimizzata attraverso uno studio basato su efficacia di raffreddamento, dimensioni dei componenti e affidabilità. L’utilizzo di contenitori più piccoli e facili da raffreddare e di dispositivi di potenza come Mosfet e IGBT con un basso valore di Rds(on), drain-source sulla resistenza, garantisce la massima efficienza del sistema. In questo articolo analizziamo gli aspetti progettuali dell’elettronica di potenza in EV ed HEV, con una parte dedicata ai motori BLDC (Brushless Direct Current). 

INTRODUZIONE

La progettazione di dispositivi implementabili a bordo dei veicoli elettrici e ibridi è una fase che per certi aspetti può rivelarsi più impegnativa della sola scelta del veicolo più adatto per le proprie esigenze. Sono molti, infatti, gli aspetti sui quali si concentra la progettazione di un sistema elettrico o ibrido, propedeutica a quella propriamente esecutiva e in seguito di controllo e collaudo. Il "power electronics" è parte integrante del sistema di un’autovettura elettrica o ibrida, unitamente al motore, al pacco batteria e all’inverter, inclusi i componenti ausiliari. Nei veicoli ibridi ed elettrici i principali sistemi elettronici di potenza sono i convertitori boost DC/DC e gli inverter DC/AC. I sistemi elettronici messi a punto per l’e-mobility vanno dai sensori di temperatura, corrente, tensione, fino ai semiconduttori basati su carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). I sensori di temperatura al platino, ad esempio, garantiscono intervallo di temperatura esteso, massimo grado di precisione e stabilità affidabile a lungo termine. La tendenza è orientata verso l’adozione di soluzioni per l’alimentazione con package sempre più compatto e con alti livelli di potenza. I parametri progettuali sono diversi e prendono in considerazione il livello di potenza, l’efficienza di conversione, la temperatura di funzionamento Tf del motore nel sistema powertrain del veicolo, la capacità di dissipazione dell’energia termica, il package del sistema. I veicoli EV/HEV presentano dei componenti che per certi aspetti potrebbero essere considerati critici in una fase progettuale, come batteria, motore elettrico e controller. Una notevole riduzione dei costi può essere ottenuta selezionando i sensori adatti, consentendo risparmi nell'uso dei materiali e miglioramenti nei processi di imballaggio e integrazione dei componenti. L’elettronica di potenza che comprende tutte le power applications è la tecnologia più innovativa per l’alimentazione dei motori elettrici e la ricarica delle batterie. La gestione dell'energia è la funzione principale dei sistemi elettronici in EV ed HEV che fanno largo uso di dispositivi di switching come Mosfet di potenza e IGBT ai quali vengono affiancati IC per controllo e monitoraggio e altri componenti come transistor e sistemi di ricarica.

Figura 1. Telaio di auto elettrica con powertrain e connessioni di alimentazione

Mediante il testing dell’elettronica di potenza e prove di simulazione, è possibile testare l’affidabilità dei moduli IGBT che sono sottoposti a degrado e diagnosticare potenziali rischi di malfunzionamento e failure in seguito ai ripetuti cicli di alimentazione durante la vita utile.

L’ELETTRONICA DI POTENZA PER EV/HEV

I veicoli elettrici e ibridi sono il campo applicativo più esteso per i produttori di dispositivi e sistemi di power electronics. Per quanto riguarda i dispositivi di commutazione, uno dei fattori da valutare è il futuro ruolo dei componenti basati su materiali innovativi come SiC e GaN, che promettono maggiore efficienza e vantaggi a livello di packaging e raffreddamento.

Figura 2. Concept di un veicolo ibrido elettrico-benzina

L’elettronica di potenza per EV si arrichisce di dispositivi di alimentazione SiC che soddisfano la necessità di migliorare l'efficienza energetica del sistema, la robustezza e la densità di potenza nei veicoli elettrici e in tutte quelle applicazioni high power dove è richiesta alta tensione e alta potenza, offrendo così un contributo importante per le prestazioni del sistema e l’affidabilità a lungo termine. I SiC MOSFET e SiC Schottky Barrier Diode (SBD) garantiscono la massima efficienza delle commutazioni switching ad alte frequenze.

Figura 3. MOSFET SiC - Vds/Tensione di rottura drain-source
700 V - Rds On/Drain-source sulla resistenza 19 mOhms - Package D3PAK-3

Figura 4. MOSFET SiC -  Vds/Tensione di rottura drain-source
700 V - Rds On/Drain-source sulla resistenza
111 mOhms - Package TO-247-3

Il campo di impiego di questi dispositivi è nei caricabatterie integrati, nei convertitori DC-DC, nelle stazioni di ricarica e in tutto ciò che concerne il controllo trazione e propulsione. I SiC MOSFET hanno elevata resistenza al degrado e ai guasti che possono verificarsi quando un picco di tensione supera la tensione di rottura del dispositivo. I semiconduttori al carburo di silicio sono altamente innovativi e presentano caratteristiche adatte a migliorare l'efficienza del sistema, sostenere temperature operative più elevate e ridurre i costi nei progetti di elettronica di potenza. In particolare i dispositivi di alimentazione SiC offrono anche minori perdite di commutazione, più alte temperature di funzionamento, maggiore frequenza di commutazione, minori esigenze di raffreddamento e, non ultima, un’induttanza parassita estremamente bassa. La densità di potenza dei dispositivi SiC è più elevata e consente un fattore di forma compatto. Inoltre i prodotti SiC possono essere combinati con altri dispositivi, quali micontrollori a 8, 16 e 32 bit, dispositivi di gestione dell’alimentazione, sensori analogici, controller touch e gestuali oltre a soluzioni di connettività wireless. I semiconduttori in SiC e GaN vengono utilizzati nel controllo del motore perché garantiscono una commutazione più rapida che può essere necessaria per i motori che funzionano a frequenze fondamentali elevate e richiedono un'ondulazione ben filtrata. Tuttavia le alte velocità di commutazione ottenute dai dispositivi SiC, se da un lato offrono maggiori efficienze di conversione, dall’altro generano variazioni molto veloci di tensioni che si traducono in alte velocità di variazione della tensione (dv/dt) che possono sollecitare l'isolamento degli avvolgimenti del motore. Le applicazioni dell’elettronica di potenza hanno quindi due obiettivi principali: la gestione dei problemi termici e la riduzione delle dimensioni del sistema.

ASPETTI PROGETTUALI NEI VEICOLI ELETTRICI E IBRIDI

La progettazione per EV/HEV può riguardare il monitoraggio dell'azionamento elettrico o della cella della batteria, test delle procedure per i motori elettrici, gestione della temperatura nel ciclo di carica per ottimizzare i tempi di ricarica della batteria, gestione della temperatura nei moduli dell'elettronica di potenza. Le caratteristiche dei sensori devono soddisfare i requisiti di stabilità, risposta e precisione. Il peso e il prezzo di un veicolo elettrico sono strettamente collegati alle scelte dei sensori di corrente e voltaggio, in termini di stabilità a lungo termine e precisione. L'energia elettrica è immagazzinata in accumulatori sotto forma di una o più batterie di trazione o di alimentazione. I veicoli elettrici utilizzano l'elettricità immagazzinata in un pacco batteria per alimentare un motore elettrico che fornisce l’azionamento alle ruote. La batteria, la cui capacità [...]

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20 Commenti

  1. Alessandro Alessandro 14 febbraio 2020
  2. Alessandro Alessandro 14 febbraio 2020
  3. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 15 febbraio 2020
    • Alessandro Alessandro 16 febbraio 2020
  4. ZOPDAR ZOPDAR 17 febbraio 2020
    • Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 18 febbraio 2020
  5. ZOPDAR ZOPDAR 17 febbraio 2020
  6. giulioelettronica giulioelettronica 18 febbraio 2020
    • Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 19 febbraio 2020
  7. giulioelettronica giulioelettronica 19 febbraio 2020
  8. giulioelettronica giulioelettronica 19 febbraio 2020
  9. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 19 febbraio 2020
  10. giulioelettronica giulioelettronica 19 febbraio 2020
    • Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 19 febbraio 2020
  11. giulioelettronica giulioelettronica 19 febbraio 2020
  12. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 19 febbraio 2020
  13. giulioelettronica giulioelettronica 20 febbraio 2020

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