Oggi i costi per la produzione di veicoli elettrici sono, in media, 12mila dollari più alti rispetto a un’auto convenzionale con motore a combustione. Poiché le case automobilistiche si concentrano sul rispetto delle normative mondiali in materia di emissioni, devono anche colmare un divario in termini di accessibilità in modo da agevolare il passaggio dei consumatori ai veicoli ibridi o completamente elettrici. Questa è una grande sfida per i progettisti automobilistici alle prese con l’obiettivo di migliorare l’efficienza e l’affidabilità, estendere l’autonomia di guida e ridurre al tempo stesso il costo della parte più dispendiosa di un veicolo elettrico: il propulsore. L’integrazione del gruppo propulsore dell’EV potrebbe essere una delle possibili chiavi.
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I vantaggi del gruppo propulsore EV in un unico involucro
I propulsori elettrici e ibridi sono tradizionalmente costituiti da un mix di sistemi di propulsione delle auto, con la batteria, i convertitori CC/CC, il caricabatterie di bordo e l’inverter di trazione alloggiati in involucri separati. I progressi nelle tecnologie di elaborazione analogica e embedded consentono oggi ai progettisti di combinare questi sistemi utilizzando un singolo controller di dominio e uno stadio di potenza, il che consente di aumentare l’efficienza e l’affidabilità, ridurre i costi e rispettare la conformità alle normative di sicurezza funzionale.
L’obiettivo è ottenere il meglio dal sistema riuscendo a soddisfare i requisiti tecnici e di sicurezza essenziali, rendendolo più accessibile per l’uso di massa.
«L’integrazione del gruppo propulsore è fondamentale nella progettazione di veicoli elettrici più efficienti, affidabili e convenienti per i consumatori cinesi», afferma Han Yongjie, vicepresidente di VMAX, un fornitore di componenti per veicoli elettrici con sede a Shenzhen, in Cina, che sta sperimentando direttamente i vantaggi dell’integrazione del gruppo propulsore EV.
Maggiore autonomia di guida, maggiore efficienza e maggiore densità di potenza
Portare i gruppi propulsori EV all’interno di un unico involucro meccanico compatto non si limita a semplificare la progettazione e l’assemblaggio: l’integrazione riduce anche il bisogno di materiali di imballaggio superflui ed elimina l’hardware ridondante, riducendo notevolmente il peso e il volume del sistema.
Ogni chilogrammo costituisce una parte importante nell’equazione dell’efficienza. Se si riesce a ridurre il peso dell’auto, è possibile migliorarne l’efficienza complessiva e aumentare la distanza percorribile con una singola ricarica.
Un’altra chiave è rappresentata dalle innovazioni che aumentano l’efficienza grazie a una maggiore densità di potenza. I veicoli elettrici che integrano tecnologie come nitruro di gallio (GaN) qualificata per il settore automobilistico possono contribuire ad aumentare l’autonomia di guida operando con maggiore efficienza e conservando l’energia termica. In pratica, ciò si traduce in un minor numero di componenti di raffreddamento e costi inferiori.
«Gli interruttori ad ampio gap di banda, realizzati con materiali come il GaN e che funzionano con driver del gate ottimizzati per alte velocità, cambieranno le regole del gioco, in quanto permettono di realizzare componenti magnetici il 60% più piccoli, riducendo il peso e i costi complessivi», ritiene Ramanan Natarajan, membro del team di marketing per il GaN della nostra azienda.
Trasformare in realtà le architetture di propulsione integrate richiede anche microcontroller in tempo reale (MCU) in grado di gestire le sofisticate richieste di conversione di potenza. La latenza estremamente bassa rende possibile una frequenza di commutazione più elevata fino a 1 o 2 MHz, il che significa ridurre le dimensioni di componenti come gli induttori e i condensatori.
«Grazie al rilevamento in tempo reale e a una frequenza di commutazione più elevata per i circuiti di controllo possiamo portare il motore di trazione a 20.000 giri/min», spiega Na Kong, responsabile automotive per i microcontroller. «In questo modo gli ingegneri automobilistici possono costruire motori che hanno dimensioni un terzo più piccole e prestazioni un terzo superiori rispetto ai progetti precedenti che raggiungevano solo i 10.000 giri/min».
Con un’architettura di propulsione integrata che comprende un singolo microcontroller in tempo reale, il sistema può gestire in modo efficiente le attività di più microcontroller in sistemi distribuiti. In un design ad elevata integrazione, un microcontroller in tempo reale può provvedere sia all’alimentazione digitale che al controllo del motore per migliorare l’efficienza e risparmiare spazio prezioso.
Nel momento in cui le case automobilistiche decidono di passare a un’architettura integrata, devono prendere decisioni sul consolidamento delle risorse e dei chip nel sistema.
Aumento dell’affidabilità e conformità alle normative di sicurezza funzionale
In un veicolo elettrico, così come nelle automobili tradizionali, l’affidabilità del sistema è fondamentale. Un’architettura a propulsione integrata è più affidabile perché contiene meno parti che possono rompersi. Oltre ai vantaggi intrinseci di un sistema integrato, garantire l’affidabilità nell’ambiente della batteria ad alta tensione di un veicolo elettrico richiede anche una robusta protezione e prestazioni termiche di picco.
La tecnologia di isolamento aiuta ad affrontare queste sfide con driver del gate e modulatori isolati progettati e testati per ambienti difficili in campo automobilistico. Anche la diagnostica integrata è una parte fondamentale dell’equazione di sicurezza e può contribuire alla conformità ASIL D dei sistemi di propulsione, ossia il più alto livello di sicurezza funzionale per i veicoli stradali e una sfida chiave per i produttori di veicoli elettrici.
Sostegno alla crescita del mercato degli EV tramite l’integrazione del gruppo propulsore
Il mercato dei veicoli elettrici sta vivendo una rapida crescita: si prevede che gli attuali 5,6 milioni di veicoli aumenteranno fino al 30% di tutte le automobili vendute a livello mondiale entro il 2025. L’integrazione del gruppo propulsore EV giocherà un ruolo chiave in questa accelerazione. I propulsori integrati EV hanno già dimostrato una crescita dal 40% al 50% della densità di potenza e visto sostanziali riduzioni in termini di volume, peso e problemi di affidabilità.
