Il settore automotive è sempre in continua evoluzione. L'innovazione nell'elettronica di potenza automobilistica sta concretamente superando i vincoli sul lato meccanico. Le innovazioni dei semiconduttori negli inverter di trazione di ultima generazione contribuiscono a potenziare ulteriormente le prestazioni dei veicoli elettrici.
Introduzione
I veicoli elettrici sono ormai diventati un'icona del mondo automobilistico. Tutti noi abbiamo almeno una volta provato a guidare una vettura completamente elettrificata. Proprio per il modo in cui i veicoli elettrici trasformano l'energia immagazzinata in propulsione, molti dei miglioramenti sul piano tecnologico avvengono a livello elettrico piuttosto che a livello dei motori di trazione. Tuttavia, gli ultimi progressi nella tecnologia degli inverter di trazione ne hanno fatto un'area di crescita particolarmente interessante.
Inverter di trazione: conosciamoli meglio
L'inverter di trazione gestisce il flusso di energia dal pacco batterie ad alta tensione al motore, facendo girare le ruote e spingendo il veicolo. La maggior parte delle informazioni sui veicoli elettrici si concentra solo sulle innovazioni nei sistemi di batterie e spesso trascura l'importanza dell'inverter di trazione. Gli inverter di trazione rappresentano il giusto compromesso tra innovazione e prestazioni. Sono infatti proprio i progressi negli inverter di trazione, abilitati dai microcontrollori con capacità di controllo in tempo reale, a spingere ulteriormente le aspettative sulle prestazioni dei veicoli elettrici. Una commutazione più efficiente porta direttamente a miglioramenti in termini di affidabilità, prestazioni, peso e densità di potenza. Secondo alcuni standard, i veicoli elettrici in circolazione sono già estremamente efficienti; gli EV, infatti, subiscono solo un quarto dello spreco di energia rispetto a un tipico motore a combustione. Tuttavia, c'è ancora un grande margine di miglioramento. Componenti migliori in una autovettura di nuova generazione implicano più anni di guida affidabile e senza problemi. Quando i microcontrollori possono assumere più compiti, la quantità di circuiti e custodie può essere ridotta, riducendo le dimensioni e il peso dei sistemi elettronici complessivi nell'auto. Il mercato automotive offre controller industriali e circuiti integrati di potenza (IC Power) per motori ad alta tensione utilizzati in ambienti difficili e in grado di resistere a condizioni avverse per decenni, proprio come le applicazioni automobilistiche, che impongono ai veicoli di funzionare in modo affidabile a temperature sia estremamente rigide sia roventi.
Carburo di silicio: la forza trainante degli EV
Uno dei cambiamenti più significativi che spingono i veicoli elettrici verso prestazioni sempre migliori è il passaggio dai transistor bipolari a gate isolato (IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor) alla tecnologia al carburo di silicio (SiC) per gli interruttori ad alta tensione utilizzati in un inverter di trazione. Rispetto agli IGBT, i transistor SiC sono più efficienti, trasformando più input della batteria immagazzinata in output del motore utilizzabile, e sono anche più piccoli e compatti degli IGBT, funzionano a temperature più basse, riducendo ulteriormente il peso, le dimensioni e lo spreco di energia nel sistema di azionamento. D'altra parte, uno switch SiC è più suscettibile ai danni da cortocircuito rispetto alla tecnologia IGBT. Il veicolo elettrico ha bisogno della giusta tecnologia di guida per accompagnare il passaggio graduale verso l'innovativa tecnologia SiC. I transistor SiC commutano molto velocemente, e questo fa parte del loro vantaggio in termini di efficienza. L'elevata velocità di commutazione crea anche il potenziale per elevati livelli di rumore elettrico che potrebbero attivare un motore per errore.
La densità di potenza
Con l'aumento dei livelli di potenza in un sistema, le perdite dovute a qualsiasi forma di inefficienza diventano sempre più pronunciate. Per sfruttare al meglio questo nuovo potenziale, è necessario disporre di microcontrollori con rilevamento e controllo a bassa latenza e ad alta precisione per supportare le frequenze di commutazione più elevate e massimizzare l'efficienza del sistema. Lo sviluppo e la ricerca a livello di inverter di trazione sono solo un aspetto di una evoluzione più ampia da parte dell'industria dei veicoli elettrici. Uno degli obiettivi principali resta quello di migliorare la densità di potenza nei sistemi elettronici High Power. Tale miglioramento consentirà di ottenere più energia dalle schede più piccole, riducendo le dimensioni e il peso dei sistemi di conversione di potenza, dei motori e di altri componenti di azionamento, incluso l'inverter di trazione. Una maggiore densità di potenza è fondamentale negli EV poiché, quando la densità di potenza viene migliorata, l'auto può essere più leggera in modo da poter accelerare ancora più rapidamente. Anche l'integrazione dei sistemi di propulsione è un modo per migliorare la densità di potenza. I progressi nelle tecnologie di elaborazione analogica e integrata consentono ai produttori di veicoli di combinare singoli sistemi come il caricabatterie di bordo, i convertitori DC/DC e l'inverter di trazione in un unico involucro meccanico compatto sotto un unico controller di dominio. Integrando il gruppo propulsore, le case automobilistiche possono dimezzare i costi di progettazione, aumentando l'efficienza e migliorando l'affidabilità e la densità di potenza. Conseguentemente, viene creata un'esperienza migliore per i conducenti, maggiore durata del veicolo e migliori prestazioni su strada.
I vantaggi degli inverter di trazione di ultima generazione
Va da sé che la ricerca in campo automotive si è orientata verso modelli di inverter di trazione sempre più innovativi. In particolare, la nuova generazione di inverter di trazione garantisce:
- Affidabilità
- Ottimi livelli di efficienza
- Sicurezza
- Elevate prestazioni
- Durata
Considerazioni conclusive
La sicurezza funzionale è un requisito basilare nell'elettrificazione dei veicoli. I nuovi microcontrollori automotive e altri componenti per inverter di trazione e controllo motore sono conformi alla sicurezza funzionale e possono aiutare i progettisti di sistemi a soddisfare tutti i livelli di integrità della sicurezza fino all'ASIL D, che rappresenta il test più rigoroso per la sicurezza in campo automobilistico. Le tecniche di isolamento possono aiutare l'auto e la sua batteria ad alta tensione a funzionare in sicurezza su strada. La maggior parte delle prestazioni dei motori ultraveloci e leggeri che verranno immessi nel mercato, unitamente alla loro affidabilità, saranno possibili proprio grazie ai progressi dell'inverter di trazione.