Liberare l’intero potenziale dei progetti di elettrificazione grazie alle MCU

Autore: Sean Murphy – Marketing Lead per HEV/EV, Texas Instruments

 

Fino a non molto tempo fa, l’adozione diffusa dei veicoli elettrici (EV) sembrava fantascienza. Un tempo ritenuti troppo costosi o poco pratici, sono ora alla base di una rivoluzione spinta dal desiderio degli OEM di raggiungere un livello zero di emissioni ed esplorare fonti di energia alternative. Molte case automobilistiche hanno quindi puntato tutto su linee composte completamente da veicoli elettrici nei prossimi 10-15 anni.

Nonostante questo slancio, ci troviamo ora a un punto di flessione: i veicoli elettrici hanno compiuto passi notevoli verso l’accettazione da parte del grande pubblico, dato che gli automobilisti sono alla ricerca di modi per ridurre i costi dell’energia al chilometro e per godere il piacere dell’esperienza di guida che i veicoli elettrici possono offrire. Tuttavia, i veicoli elettrici rimangono al momento più costosi rispetto ai veicoli con motore a combustione interna. Inoltre, gli automobilisti nutrono alcuni dubbi legati all’ansia da autonomia, data l’attuale carenza di stazioni di ricarica, la bassa autonomia di guida per ricarica e i lunghi tempi necessari per caricare completamente la batteria.

Il cuore di ogni veicolo elettrico è costituito dai sistemi di elettronica di potenza: un inverter di trazione, un caricabatterie di bordo e un convertitore CC/CC ad alta tensione, come mostrato nella Figura 1. Le prestazioni di questi sistemi contribuiranno a definire la velocità e il successo dell’adozione dei veicoli elettrici negli anni a venire, in quanto incidono direttamente sulle prestazioni di guida di un veicolo elettrico, nonché sui relativi costi, sull’autonomia e sui tempi di ricarica. La domanda di sistemi di questo tipo che offrano sempre maggiori prestazioni si traduce direttamente nella domanda di prestazioni sempre più elevate da parte dei microcontroller (MCU), in termini sia di controllo in tempo reale che di elaborazione avanzata.

Figura 1: Il gruppo propulsore di un veicolo elettrico che comprende inverter di trazione, CC/CC ad alta tensione e caricabatterie di bordo

Le nostre nuove MCU Sitara AM263 ad alte prestazioni sono la più recente aggiunta alla gamma di MCU Sitara e possono aiutare i clienti a compiere progressi nel campo della tecnologia di elaborazione alla base dei veicoli elettrici. Le MCU Sitara AM263 sono i primi dispositivi della gamma di MCU Sitara in grado di combinare il sottosistema di controllo in tempo reale nato con le MCU C2000 e l’architettura multicore Sitara Arm® per soddisfare le richieste di prestazioni dinamiche, necessarie per le applicazioni digitali per controllo della potenza e controllo motore.

Combinando il controllo in tempo reale e le prestazioni di elaborazione da oltre 3.000 DMIPS (Dhrystone million-instructions-per-second), la gamma di MCU AM263 contribuisce a ridurre le dimensioni e il peso del motore e degli involucri meccanici, nonché i costi del sistema, aumentando l’autonomia di guida e la convenienza economica dei veicoli elettrici. Naturalmente, la gamma di MCU AM263 sfrutta ed estende i vantaggi delle MCU in tempo reale C2000 per offrire ancora più opzioni nel campo delle applicazioni powertrain per veicoli elettrici.

Ad esempio:

Negli inverter di trazione, le MCU AM263 consentono di raggiungere velocità del motore più elevate (>30.000 giri/min), che permettono di ridurre le dimensioni del motore fino al 36% e di aumentare l’autonomia del 15%.

La capacità delle MCU di operare a frequenze di commutazione più elevate (>1 MHz) libera il potenziale per utilizzare tecnologie ad ampio bandgap come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), aumentando quindi la densità di potenza e l’efficienza, nonché l’autonomia di guida.

Un maggior numero di core e periferiche consente di integrare più funzioni e ridurre sia il numero di transistor a effetto di campo di un sistema sia gli involucri meccanici quindi sensibilmente i costi e il peso degli involucri e delle parti magnetiche.

La gamma AM263 integra caratteristiche di sicurezza funzionale che permettono di raggiungere il livello ASIL D (Automotive Safety Integrity Level), sfruttare la versione completa del modulo di sicurezza hardware EVITA (E-Safety Vehicle Intrusion Protected Applications), ottenere il supporto AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) e utilizzare periferiche di comunicazione per ridurre la distinta base di sistema con un singolo chip.

I veicoli elettrici e le energie rinnovabili comportano inoltre la necessità di un’ampia infrastruttura di ricarica e sistemi per l’accumulo di energia, come mostrato in Figura 2. Per diventare diffusi e rapidi come un qualunque distributore, questi sistemi devono diventare anche più efficienti e potenti. Il concetto alla base di questi sistemi è la conversione di potenza, che consente il trasferimento di energia dalla rete elettrica al veicolo e dal veicolo alla rete elettrica nelle stazioni di ricarica. Inoltre, nei sistemi di accumulo di energia la conversione di potenza consente di immagazzinare energia nelle batterie quando la domanda è bassa e di immetterla nella rete elettrica quando la domanda aumenta o quando la fonte di energia rinnovabile non produce energia. Il sottosistema di controllo in tempo reale integrato nella gamma AM263 offre la precisione necessaria per accompagnare il settore della conversione di potenza nel futuro. Ad esempio, con la gamma di MCU AM263 è oggi possibile ottenere i seguenti risultati:

Riduzione dei tempi di ricarica. La possibilità di raggiungere livelli più elevati per la frequenza di commutazione, una maggiore efficienza dell’inverter (99%) e una minore perdita di potenza offerta dagli AM263x rendono possibile una conversione di potenza più rapida e più elevata.

Miglioramento della qualità della potenza in uscita per compatibilità con la rete elettrica. Le periferiche di controllo analogico avanzate consentono una maggiore precisione e una minore latenza, una minore distorsione armonica totale (THD, total harmonic distortion) e una maggiore qualità per la potenza in uscita negli inverter fotovoltaici.

Riduzione di costi e dimensioni del sistema. I core Arm® multipli rendono possibili topologie di controllo complesse e riducono le dimensioni del sistema e il costo della distinta base mediante l’integrazione delle funzioni.

Figura 2: L’elettrificazione non si ferma ai veicoli elettrici, ma riguarda le stazioni di ricarica e l’accumulo di energia rinnovabile

Il mondo intorno a noi sta cambiando. Le pressioni ambientali e normative per veicoli a emissioni zero e le fonti di energia rinnovabile stanno accelerando la produzione di veicoli elettrici, ma la loro adozione diffusa richiederà maggiore accessibilità, efficienza e maggiori prestazioni. Le MCU Sitara AM263, tra cui i dispositivi AM2634-Q1 e AM2634, contribuiscono a soddisfare le esigenze di queste architetture di prossima generazione. Iniziate oggi stesso a scoprire la famiglia AM263 e leggete la nota applicativa «AM263 per inverter di trazione»; sfruttate il nostro Kit di sviluppo software MCU+ (SDK) facile da usare oppure create e implementate degli esempi in pochi minuti con il Modulo di valutazione TMDSCNC263 (EVM) e la MCU+ Academy.

 

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