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Le innovazioni nel campo dei semiconduttori per gli inverter di trazione di nuova generazione contribuiranno a incrementare ulteriormente le prestazioni dei veicoli elettrici, rendendoli ancora più piacevoli da guidare
Basta premere il pedale di un moderno veicolo elettrico (EV) per ricevere in risposta un’accelerazione rapida e fluida. È sufficiente per sentirsi soddisfatti? Assolutamente no.
E con ragione, in quanto sono in arrivo veicoli elettrici con prestazioni più elevate e maggiore autonomia. Dato il modo in cui i veicoli elettrici trasformano l’energia immagazzinata in forza propulsiva, molti di questi miglioramenti hanno luogo a livello elettrico anziché a livello dei motori di trazione. I recenti sviluppi nella tecnologia degli inverter di trazione ne hanno fatto un settore in crescita particolarmente fruttuosa. L’inverter di trazione gestisce il flusso di energia dal pacco batterie ad alta tensione verso il motore, facendo girare le ruote e facendo muovere il veicolo. La maggior parte delle notizie sui veicoli elettrici si concentra sulle innovazioni nei sistemi di batterie, trascurando spesso gli inverter di trazione multi-kilowatt.
Tuttavia, gli sviluppi negli inverter di trazione, resi possibili dai microcontroller della nostra azienda con funzionalità di controllo in tempo reale e driver del gate isolati, spingono ancora oltre le aspettative sulle prestazioni dei veicoli elettrici. Una migliore commutazione comporta miglioramenti diretti in termini di affidabilità, prestazioni, peso e densità di potenza, per non parlare della possibilità di aprire la strada verso motori più leggeri e veloci.
Il risultato: i veicoli elettrici di nuova generazione saranno ancora più piacevoli da guidare.
«L’innovazione nell’elettronica di potenza sta effettivamente superando i vincoli di tipo meccanico», ha affermato Xun Gong, responsabile dei sistemi per gli inverter di trazione HEV/EV presso la nostra azienda. «Stiamo per raggiungere i limiti posti dalla meccanica».
Un nuovo standard per l’efficienza
Da certi punti di vista, i veicoli elettrici sono già estremamente efficienti. I veicoli elettrici presentano solo un quarto dello spreco di energia di un tipico motore a combustione.1 Ma c’è ancora molto spazio per migliorare. L’uso di componenti migliori sotto il cofano si traduce in più anni di affidabilità e assenza di problemi. Quando i microcontroller possono svolgere più compiti, è possibile ridurre la quantità di circuiti e custodie, riducendo quindi le dimensioni e il peso complessivi dei sistemi elettronici di un’auto.
La nostra azienda ha progettato controller industriali e circuiti integrati di potenza (CI) per motori ad alta tensione utilizzati in ambienti industriali gravosi, in grado di resistere a condizioni avverse per decenni: questa quell’esperienza è alla base dell’approccio da noi adottato per aiutare i clienti a superare le sfide poste dalla progettazione di veicoli elettrici. Gli utenti si aspettano che i veicoli funzionino in modo affidabile a temperature estremamente rigide, sotto temporali torrenziali e in giornate roventi.
«Abbiamo imparato molto dalla collaborazione con i nostri clienti industriali e dai loro azionamenti motore, e i nostri prodotti sono stati progettati sin dall’inizio per i sistemi ad alta tensione», ha affermato Audrey Dearien, responsabile delle applicazioni per driver del gate isolati presso la nostra azienda. «Stiamo migliorando gli inverter di trazione partendo dalle nostre precedenti innovazioni».
L’importanza del carburo di silicio
Uno dei cambiamenti più significativi che portano a migliori prestazioni nei veicoli elettrici nel mondo reale è la transizione dai transistor bipolari a gate isolato (IGBT) alla tecnologia al carburo di silicio (SiC) per gli interruttori ad alta tensione utilizzati in un inverter di trazione. I transistor SiC sono più efficienti e costituiscono quindi un upgrade ovvio, trasformando un maggiore input di energia immagazzinata nella batteria in output utilizzabile per il motore rispetto agli IGBT. Hanno anche dimensioni inferiori rispetto agli IGBT e funzionano a temperature più basse, riducendo ulteriormente il peso, le dimensioni e lo spreco di energia nel sistema di azionamento.
Tuttavia, il passaggio alla commutazione con SiC genera altre sfide. Un interruttore SiC è più soggetto ai danni da cortocircuito rispetto alla tecnologia IGBT. I veicoli elettrici necessitano della giusta tecnologia di guida per accompagnare il passaggio al SiC.
«Il nostro driver del gate rileva rapidamente un cortocircuito e si spegne in meno di un milionesimo di secondo per proteggerlo dai danni», ha affermato Audrey.
I transistor SiC hanno una commutazione molto rapida, che rientra nei vantaggi che offrono in termini di efficienza. Questa elevata velocità di commutazione crea anche il potenziale per elevati livelli di rumore elettrico che potrebbero attivare un motore per errore. I nostri driver del gate gestiscono questo rischio con caratteristiche di sicurezza che riducono l’impatto del rumore nel sistema di azionamento.
«In passato, con transistor di commutazione più lenti, era possibile ridurre al minimo le perdite di commutazione», ha affermato Audrey. «Con il carburo di silicio, invece, si ottiene un interruttore molto veloce che deve essere controllato in modo efficiente. Se non si dispone di una commutazione efficiente, non è possibile sfruttare tutti i vantaggi del SiC».
Supporto per una maggiore densità di potenza sui veicoli elettrici
Gli aggiornamenti degli inverter di trazione sono solo una parte di una più ampia ricerca nel settore dei veicoli elettrici. Uno degli obiettivi principali consiste nel migliorare la densità di potenza nei sistemi elettronici ad alta potenza. Tale miglioramento consentirà di ottenere maggiore energia da schede più piccole, riducendo quindi le dimensioni e il peso dei sistemi di conversione di potenza, dei motori e di altri componenti di azionamento, compreso l’inverter di trazione.
«Migliorando la densità di potenza, l’auto si alleggerisce e può accelerare ancora più rapidamente», ha affermato Xun. «Inoltre, si guadagna più spazio all’interno dell’auto, ad esempio per i sedili».
L’integrazione dei sistemi powertrain è uno dei modi per migliorare la densità di potenza. I progressi nelle tecnologie di elaborazione analogica e integrata consentono alle case automobilistiche di combinare singoli sistemi, come il caricabatterie di bordo, i convertitori CC/CC e l’inverter di trazione, in un’unica custodia meccanica compatta con un unico controller di dominio. Grazie all’integrazione del gruppo powertrain, le case automobilistiche possono dimezzare i costi di progettazione, aumentare l’efficienza e migliorare l’affidabilità e la densità di potenza. Queste possibilità, a loro volta, vanno a creare un’esperienza migliore per i conducenti, compresi i minori costi di acquisto o proprietà, la maggiore durata del veicolo e migliori prestazioni su strada.
La nuova generazione di inverter di trazione migliora l’efficienza e le prestazioni dei veicoli elettrici offrendo i seguenti vantaggi:
Livelli di efficienza compatibili con 800 volt. Oggi la maggior parte dei veicoli elettrici funziona con un pacco batterie da 400 volt, ma il settore sta passando agli 800 volt. Un motore da 800 volt può funzionare al doppio dei giri al minuto, ma può presentare un rischio maggiore di perdite e spreco di energia. I nostri microcontroller (MCU) ad alte prestazioni e i driver del gate veloci sono pronti ad affrontare la sfida, grazie a un controllo rapido del circuito di corrente che può regolare l’algoritmo di commutazione del motore ogni milionesimo di secondo.
«A mano a mano che aumentano i livelli di potenza di un sistema, le perdite dovute a qualsiasi inefficienza diventano più evidenti», ha dichiarato Mike Pienovi, responsabile della linea di prodotti per le MCU Sitara™ presso la nostra azienda. «Per sfruttare questo nuovo potenziale, è necessario disporre di microcontroller con rilevamento e controllo a bassa latenza e alta precisione per supportare frequenze di commutazione più elevate e massimizzare l’efficienza».
Sicurezza pronta su strada. Le nostre tecniche di isolamento proprietarie possono aiutare l’auto e la relativa batteria ad alta tensione a funzionare in sicurezza su strada. Inoltre, i nostri microcontroller automotive e altri componenti per inverter di trazione e controllo motore sono conformi alle norme di sicurezza funzionale e sono in grado di aiutare i progettisti di sistemi a soddisfare tutti i livelli di integrità della sicurezza fino ad ASIL D, che rappresenta i test più rigorosi in campo di sicurezza automobilistica.
Affidabilità migliorata. I nostri prodotti e progetti di sistema possono contribuire a prolungare la durata degli inverter di trazione e di altri componenti chiave dei veicoli elettrici grazie a un isolamento capacitivo rinforzato, al rilevamento dei guasti e al monitoraggio dello stato di salute, compreso il monitoraggio di calore e tensione. Questi controlli diagnostici e di integrità dei componenti consentono funzionalità di avvertimento tempestivo e soluzioni alternative, grazie alle quali le case automobilistiche possono ridurre i tassi di guasto per unità di tempo per i componenti chiave.
Quando saranno disponibili, i motori leggeri e ultraveloci di nuova generazione potrebbero dominare i titoli dei giornali. Gli automobilisti più informati, tuttavia, sapranno che gran parte delle prestazioni e dell’affidabilità dei loro veicoli elettrici sono rese possibili dai progressi nel campo degli inverter di trazione.
