
John Martin, Fondatore e Direttore, EMPEL Systems
Per la progettazione di sistemi di propulsione elettronica da implementare in veicoli con requisiti e obiettivi di progettazione molto diversi, un approccio consiste nel creare un sistema motore modulare scalabile. Questi sistemi motore devono avere un’elevata densità di potenza, essere estremamente compatti e fornire prestazioni elevate. L’obiettivo di EMPEL Systems è quello di integrare il più possibile l’inverter di trazione con il motore e ridurre al minimo le dimensioni di tutti i componenti. La progettazione di sistemi motore modulari, come quelli illustrati nella Figura 1, offre ai costruttori di veicoli maggiore flessibilità in termini di diametro dei motori, correnti di fase e numero di fasi per l’inverter e consente di risparmiare sui costi riducendo il time-to-market.

Figura 1. Un sistema di propulsione modulare xEV per automotive
La tecnologia a semiconduttore è in continua evoluzione
La prossima generazione di inverter di trazione richiederà maggiore controllo, migliori prestazioni e capacità di rilevamento più sofisticate, in parte per consentire prestazioni più elevate con maggiore controllo sulla coppia del motore e sulle caratteristiche elettriche e, in parte, per supportare livelli più avanzati di monitoraggio e diagnosi del sistema. Oltre a fornire ottime prestazioni, gli inverter come quello mostrato nella Figura 2 dovrebbero essere in grado di erogare la coppia necessaria anche quando un sottosistema rilevante presenta dei problemi.

Figura 2. eModule EM250x75 da 500 kW con inverter EMPEL Lightning integrato
Per raggiungere questi obiettivi è necessario un sistema elettronico di alimentazione, composto da gate driver, alimentatore e microcontrollore (MCU), che sia scalabile a seconda delle fasi e dei kilowatt richiesti dal veicolo e dotato di funzioni intelligenti e resilienza per garantire la sicurezza funzionale. La tecnologia a semiconduttore si è evoluta a tal punto che oggi è possibile modificare gli alimentatori all’interno di un inverter in base ai requisiti di una singola fase del motore. Queste tecnologie consentono di cambiare il numero di fasi e le specifiche nominali del sistema sia che si utilizzino transistor bipolari a gate isolato, carburo di silicio (SiC) o più di una tecnologia a semiconduttori.
I semiconduttori offrono più controllo e precisione
La prossima generazione di motori dovrà funzionare anche più velocemente. Per ottenere una potenza maggiore è possibile utilizzare macchine più grandi con coppie più elevate, tuttavia la loro implementazione richiede l’uso di rame, acciaio elettrico, alluminio e dispositivi di alimentazione elettronici, che hanno un notevole impatto ambientale. Inoltre, un motore più grande rende i veicoli più pesanti e richiede più spazio. Le macchine elettriche ad alta velocità e alte prestazioni offrono potenza e dimensioni compatte operando a regimi più elevati (e quindi con una frequenza elettrica generalmente più elevata) e “pompando” energia dentro e fuori dalle bobine dello statore del motore più rapidamente rispetto ai motori tradizionali. Ma, come già accennato, i semiconduttori che pilotano questi motori devono soddisfare requisiti impegnativi per la MCU, l’alimentazione elettrica e i gate driver. Le MCU nei sistemi di nuova generazione richiedono una commutazione di controllo a 40 kHz con supporto per velocità superiori a 25.000 giri/minuto e diverse macchine trifase. Inoltre impiegano gran parte della loro capacità di elaborazione per eseguire diagnosi e monitorare l’integrità del sistema, gli algoritmi di miglioramento delle prestazioni e l’ottimizzazione dei sensori. La MCU AM263P4 Arm® Cortex®-R di TI è in grado di completare un loop di controllo dell’inverter a 20 kHz in meno di 4 µs. Il convertitore da resolver a digitale integrato consente un’elevata precisione angolare entro 0,05 gradi, che riduce la forza controelettromotrice dell’inverter di trazione migliorando l’efficienza del sistema, mentre l’acceleratore matematico trigonometrico aumenta le prestazioni di calcolo fino a 5 volte.
L’alimentazione a polarizzazione permette di raggiungere un’elevata efficienza riducendo al minimo le perdite di potenza di conduzione dei moduli di alimentazione SiC all’interno del motore. Il modulo di alimentazione CC/CC isolato UCC14141-Q1 di TI, che integra il controller, lo stadio di potenza, il trasformatore, il raddrizzatore e la logica di monitoraggio del feedback, consente di realizzare l’approccio modulare di piccole dimensioni dimostrato dalle soluzioni EMPEL. Il modulo UCC14141-Q1 è in grado di regolare le tensioni positive e negative di pilotaggio del gate per i transistor a effetto di campo (FET) al carburo di silicio (SiC), mentre la sua precisione di tensione pari all’1% aiuta a mantenere basse le perdite di potenza di conduzione del FET SiC, aumentando la durata della batteria e quindi l’autonomia dei veicoli. Le dimensioni ridotte, il peso contenuto e il basso baricentro di UCC14141-Q1 permettono di ridurre le sollecitazioni meccaniche nell’arco di vita utile del veicolo, migliorando la tolleranza alle vibrazioni rispetto alle soluzioni che utilizzano i tradizionali trasformatori discreti. Il gate driver deve combinare diverse caratteristiche quali: funzioni intelligenti, controllo della forza di pilotaggio del gate ad ogni ciclo di modulazione della larghezza di impulso, configurabilità tramite l’interfaccia periferica seriale (SPI), velocità di commutazione elevate per sfruttare la tecnologia SiC, protezione da sovracorrente rapida e una serie di funzionalità di gestione dei guasti per garantire la sicurezza del sistema fino al livello ASIL-D (Automotive Safety Integrity Level D). Il gate driver isolato UCC5880-Q1 conforme alla sicurezza funzionale risolve esattamente queste problematiche di progettazione e dispone di strumenti di supporto alla progettazione che consentono la rapida creazione di prototipi per la convalida del sistema. La Figura 3 mostra il modulo di polarizzazione UCC14141-Q1 e il gate driver UCC5880-Q1 sul modulo di alimentazione.

Figura 3. Circuito stampato del gate driver con UCC5880-Q1 e UCC14141-Q1 montati sul modulo di alimentazione
Resistenza in ambienti gravosi
In alcuni ambienti di prova, i sistemi vengono sottoposti a vibrazioni cicliche da 30 G a 50 G e temperature localizzate superiori a 150 °C. Nei veicoli elettrici ibridi plug-in, un motore ad alta potenza può aggiungere ulteriori fonti di vibrazioni e di calore. Questi sistemi devono soddisfare gli standard di protezione all’ingresso (IP) 67 ed essere completamente sigillati, ma anche sopportare variazioni di pressione interne ad altitudini fino a 6.000 m. Incorporare l’elettronica in un motore all’interno di un alloggiamento con supporti antivibrazione richiede molto spazio e aumenta la complessità e i costi di interfacciamento e di integrazione dell’elettronica con il motore.
Per ottenere una perfetta integrazione del sistema a inverter di trazione è necessario rendere l’inverter il più piccolo possibile con la massa minore possibile. La natura compatta e a stato solido dell’inverter aiuta a eliminare le vibrazioni e le problematiche ambientali rispetto ai trasformatori convenzionali. Tuttavia, ciò significa anche che le perdite di energia agiranno su una massa termica ancora più ridotta. L’elettronica e i componenti circostanti possono riscaldarsi maggiormente in uno spazio così limitato, pur dovendo soddisfare i requisiti relativi alla distanza superficiale e di isolamento per l’alta tensione. I progettisti di sistemi dovranno creare sistemi il più affidabili possibile per garantire la resistenza a queste condizioni, riducendo al minimo il numero di componenti e la complessità di assemblaggio. È un problema molto interessante da risolvere per gli attuali sistemi di propulsione, così come lo è stato per i motori a combustione che li hanno preceduti.
Conclusioni
L’obiettivo principale dei costruttori di veicoli sarà sempre quello di offrire agli automobilisti un prodotto attraente e competitivo che, in sostanza, fornisca più spazio all’interno del veicolo. I moderni veicoli elettrici attualmente in commercio sono essenzialmente una grande scatola di alluminio che incorpora tutta l’elettronica necessaria e occupa lo spazio di un grosso bagaglio all’interno dell’auto. In fondo, i veicoli offrono alle persone la possibilità di avere uno spazio personale che si muove fisicamente nel mondo, quindi è importante fornire a conducenti e passeggeri più spazio all’interno del loro veicolo, rispettando al tempo stesso tutti gli altri obiettivi di prestazioni e ottimizzazione di cui abbiamo parlato. Le innovazioni tecnologiche come l’elettronica di potenza molto compatta e affidabile e i miglioramenti funzionali sono fondamentali per consentire ai progettisti di semplificare i sistemi di propulsione elettronica e risparmiare spazio e costi del veicolo. Il futuro dell’industria automobilistica è promettente e riserva ulteriori innovazioni nella prossima generazione di sistemi di propulsione a trazione intelligenti.