Il settore automotive sta attraversando una rivoluzione grazie all’elettronica che consente l’elettrificazione dei motori dei veicoli e un aumento dell’automazione, della sicurezza, del comfort e della praticità. L’elettronica rende oggi possibili molti cambiamenti sulle automobili, a partire dai motori stessi. Sia le case automobilistiche sia i clienti si rivolgono sempre di più a varie forme di veicoli elettrici, veicoli ibridi elettrici e motori a combustione con assistenza elettronica, per migliorare l’autonomia e ridurre le emissioni con attenzione ai costi. Il numero di veicoli elettrici continuerà ad aumentare in modo lento, ma costante, avvicinandosi al 5% delle vendite mondiali entro il 2025, secondo le analisi di Ihs Automotive. Nel frattempo, le combinazioni ibride di motori elettrici e motori a combustione a benzina raggiungeranno nello stesso anno la cifra di 22 milioni di auto circa, pari al 20% delle auto vendute in tutto il mondo. I veicoli ibridi sono apprezzati perché, oltre a ridurre il consumo di carburante e le emissioni, offrono ai costruttori la possibilità di sviluppare gradualmente le tecnologie di supporto necessarie per l’elettrificazione e concedono ai consumatori il tempo per abituarsi. Le disposizioni governative, nonché la domanda di mercato, determineranno la rapidità di svolgimento di questa transizione. Il passaggio a Hev ed Ev, oltre a opzioni più limitate come lo start/stop automatico e la frenata rigenerativa, è reso possibile da innovazioni in campo elettronico, le quali fungono da abilitatori per nuovi vantaggi in ambito automobilistico in termini di efficienza, sicurezza, comfort, praticità e automazione. Le automobili si basano sempre di più su circuiti integrati per il rilevamento di condizioni, l’azionamento di attuatori, la conversione dei segnali, la comunicazione fra i sistemi del veicolo e per prendere decisioni, spesso senza alcun intervento da parte del conducente. Gli IC sui veicoli devono funzionare in condizioni estreme di tensione, corrente, temperatura e vibrazioni e devono lavorare in modo affidabile per garantire la sicurezza di apparecchiature e occupanti. Tra i fornitori principali di tecnologia IC avanzata per sistemi automotive si annovera Texas Instruments, che offre un’ampia gamma di soluzioni innovative volte a consentire alle case automobilistiche la progettazione e la costruzione di vetture più efficienti, sicure e comode, nonché più facili da usare per i loro clienti.
Un’ampia gamma di configurazioni
Sul mercato odierno, un piccolo gruppo di consumatori appassionati si rivolge agli Ev, mentre una minoranza più ampia è motivata ad acquistare Hev per via dei successi da loro collezionati nell’ultimo decennio. La gran maggioranza di acquirenti è alla ricerca di nuove caratteristiche elettroniche che promuovano l’efficienza e le prestazioni dei motori a combustione.
- Start/stop e micro-hybrid - Al livello più essenziale, è possibile spegnere semplicemente un motore quando è al minimo, per poi riaccenderlo quando ci si rimette in movimento e risparmiare così una piccola quantità di carburante nella guida urbana. Aggiungendo la frenata rigenerativa e il veleggio si ottengono un veicolo micro-hybrid e un risparmio di carburante leggermente maggiore, grazie alla riduzione della necessità di ricaricare la batteria per mezzo del motore. Inoltre, alcune caratteristiche di automazione per la sicurezza e la praticità, come il cruise control adattivo, stanno diventando sempre più comuni e permettono di risparmiare carburante aumentando l’efficienza di guida. Queste forme di assistenza, benché appaiano semplici, possono essere alquanto impegnative e richiedere una gestione elettronica. Inoltre, esistono misure per risparmiare peso, come drive-by-wire, shift-by-wire e brake-by-wire (guida, cambio e freno tramite fili) che permettono di ridurre il consumo di carburante e aprono le porte verso una maggiore elettrificazione. Start/stop, recupero dell’energia e diverse altre forme di assistenza elettrica verranno introdotti in un gran numero di vetture nei prossimi anni, migliorando l’efficienza nel consumo di carburante di intere flotte e preparando gli acquirenti alle più ampie innovazioni su Hev ed Ev.
- Mild-hybrid - Ulteriori miglioramenti nell’efficienza dei consumi di carburante dipendono dall’aumento delle dimensioni delle batterie. Funzioni elettriche leggere, come l’illuminazione e le spazzole dei tergicristalli, sono già azionate direttamente dalla batteria, ma le funzioni più pesanti, come le pompe, richiedono l’aiuto dell’alternatore o devono essere comandate direttamente tramite cinghie azionate dal motore. Un gran numero di case automobilistiche sta lavorando all’introduzione di sistemi elettrici a doppia tensione in grado di combinare una batteria a 12 V per la compatibilità con i sistemi già esistenti e una batteria a 48 V in grado di azionare il motorino di avviamento/generatore, il compressore volumetrico o il turbocompressore, la pompa del carburante, la pompa dell’acqua, la ventola di raffreddamento e altri sistemi a elevato consumo energetico. La Fig. 1 elenca i tipi di sistemi che verranno alimentati direttamente attraverso un sistema elettrico a doppia tensione e che possono essere successivamente scollegati dal motore a combustione per ridurne il carico e consentirne il downsizing. Mentre i 48 V rappresentano un nuovo standard in grado di erogare un massimo di 10 kilowatt circa di potenza per l’azionamento dei sistemi in Fig. 1, è necessaria una tensione maggiore per ottenere approssimativamente fino a 20 kW per la sovralimentazione elettrica a compressore volumetrico/turbocompressore. In entrambi i casi, la configurazione dell’auto permette un ulteriore risparmio di carburante e una maggiore guidabilità, sebbene non fornisca propulsione o trazione elettrica indipendente per il veicolo. Si prevede che i veicoli mild-hybrid saranno la configurazione a maggior crescita, rappresentando oltre la metà dei 22 milioni di unità vendute nel 2025.
- Full-hybrid e plug-in - In una configurazione full-hybrid, in cui la vettura è messa in movimento elettricamente con un carico fino a 80 kW, è necessaria una batteria con tensione pari a diverse centinaia di volt (se possibile, coadiuvata da una batteria a 48 V per la compatibilità con i sistemi progettati per funzionare a questo livello di tensione). L’efficienza di consumo del carburante dipende dal tempo durante il quale l’auto viene spinta da un motore elettrico rispetto a quello in cui viene spinta dal motore a combustione. In assenza di un balzo in avanti della tecnologia delle batterie o di qualche metodo di sostituzione rapida delle batterie, è possibile ridurre ulteriormente il consumo di carburante soltanto ricaricando la batteria attraverso una fonte esterna, ad esempio tramite un collegamento via cavo o con una piattaforma induttiva. Le plug-in hybrid migliorano l’efficienza nel consumo di carburante a un punto tale da permettere al proprietario di ricaricare regolarmente il veicolo da una presa a muro.
- Veicoli elettrici puri - Al livello finale, gli Ev puri riducono il consumo di carburante a zero, sebbene a scapito della flessibilità di un motore a combustione nei viaggi più lunghi e della rapidità di rifornimento. La ridotta autonomia e i lunghi tempi di ricarica sono gli aspetti che più frenano l’accettazione degli Ev. Sebbene per la maggior parte del tempo le persone guidino l’auto solo su brevi distanze e abbiano tempo in abbondanza per effettuare una ricarica durante la notte, gli automobilisti continuano a preferire la possibilità di guidare fuori porta per una distanza paragonabile a quella consentita da un pieno di benzina e di effettuare ricariche in tempi di poco superiori a un rifornimento di carburante. Il successo nel lungo periodo dei veicoli a zero emissioni sembra dipendere dagli sviluppi tecnologici in termini di capacità della batteria e cicli di ricarica rapida; se possibile, questi ultimi dovrebbero essere possibili in modalità senza fili attraverso bobine di induzione sotto la vettura, in sostituzione o in aggiunta a un cavo di alimentazione.
Le questioni tecniche nello sviluppo di Hev e Ev
Per i progettisti di autoveicoli e per i fornitori di dispositivi elettronici il nocciolo della questione per l’elettrificazione di automobili sta nella sicurezza di gestione delle alte tensioni. Le tensioni elevate comportano requisiti severi in termini di materiali, processi, progettazione, package e qualifiche: in pratica, tutte le problematiche della tecnologia IC. Affrontare queste sfide è importante non soltanto per l’affidabilità di funzionamento, ma anche per la sicurezza di funzionamento del motorino di avviamento/generatore, del servosterzo, del controllo della trazione, della gestione della batteria, della conversione Cc/Cc bidirezionale e per molti altri ambiti. Questi sistemi devono essere protetti da sovratensioni, sovracorrenti, picchi di potenza, feedback di segnale verso altri sistemi, disturbi elettromagnetici da fonti esterne e da un gran numero di altri elementi di disturbo distruttivo o contaminazioni. Soprattutto, è necessario escludere qualsiasi tipo di rischio di esposizione delle persone ad alte tensioni e correnti. Oltre ai già menzionati fattori legati alla tecnologia IC, la sicurezza dipende notevolmente dall’isolamento dei circuiti, che può essere interno al die di un chip, fra i die dei chip in un package singolo, fra dispositivi IC che funzionano insieme o in una combinazione di queste alternative. Per garantire la sicurezza, le specifiche automotive prevedono il doppio dell’isolamento richiesto per il funzionamento semplice. Gli IC per automotive sono fabbricati per offrire questo livello di protezione, noto come isolamento rinforzato. Le elevate tensioni nei veicoli ibridi consentono di ridurre le dimensioni del motore e, di conseguenza, i consumi di carburante, ma anche la potenza erogata. Per compensare il motore più piccolo, il motorino di avviamento elettrico necessita di erogare coppia al motore, mentre il turbocompressore/compressore volumetrico convenzionale deve essere sostituito o affiancato da uno elettrico che aggiunga coppia durante il funzionamento. La fornitura di protezione contro le sovratensioni transienti per queste e altre funzioni richiede l’uso di transistor di potenza a effetto di campo (Fet), caratterizzati per funzionare fino a 100 V. Per la propulsione e la ricarica della vettura da una fonte esterna, ad esempio da una presa a muro o da una bobina di induzione, sono richiesti livelli ancora più elevati di caratterizzazione, che raggiungono anche i 1.000 V (1 kV) per supportare cicli di ricarica rapida. In alcune applicazioni, è richiesto anche il supporto per la commutazione a frequenze estremamente elevate. Mettere a disposizione Fet in grado di raggiungere queste elevate tensioni e frequenze è un’ulteriore sfida nel campo dell’elettronica automotive. I Fet di potenza in silicio sono caratterizzati per tensioni sufficientemente elevate per gestire i carichi su batterie tradizionali a 12 V e molti carichi su batterie 48 V. Tuttavia, è necessario un materiale diverso per la caratterizzazione a mano a mano che ci si avvicina e si superano i 100 V. I recenti sviluppi della tecnologia al nitruro di gallio fanno di questo materiale un’opzione eccellente per Fet di potenza ad alta tensione. Teoricamente in grado di commutare 1 kV e oltre a frequenze nell’ordine dei megahertz, il GaN è utile non soltanto in semplici interruttori di accensione/spegnimento ad alta potenza, ma anche in alimentatori switching a frequenze estremamente elevate. La gestione delle batterie degli Hev e degli Ev è un campo fondamentale per le tecnologie ad alta tensione innovative. I sistemi a doppia tensione, che uniscono batterie a 12 V e a 48 V, necessitano di conversione Cc/Cc bidirezionale per la protezione dei circuiti e per la funzionalità. Anche le tensioni più elevate, legate alla propulsione e alla carica esterna, verranno fornite da grandi quantità di celle collegate in serie. La gestione delle batterie necessita di un’intelligenza di controllo avanzata in grado di monitorare il caricamento, lo scaricamento e la ricarica con rilevamento di temperatura, tensione e corrente in ciascuna cella. La comunicazione tra i singoli sistemi elettrici va in sinergia con il controllo degli stessi, nonché con i sistemi di controllo del veicolo che rilevano le condizioni esterne della strada e gestiscono automaticamente alcune o tutte le operazioni della vettura. Le case automobilistiche si affidano al bus Can e ad altri standard di rete riconosciuti; tuttavia, all’orizzonte si intravedono ancora numerose innovazioni nel campo delle comunicazioni di rete automotive. I costruttori automobilistici si aspettano che i fornitori di IC siano in grado di adattarsi ai differenti requisiti di comunicazione dei diversi modelli di vettura.
Superare le sfide dell’elettronica automotive
I requisiti tecnici per sicurezza e integrità operativa con utilizzo di alte tensioni richiedono tecnologie innovative da parte dei fornitori IC. Per venire incontro ai requisiti specializzati dei propri clienti in campo automobilistico, TI dedica ampia parte della sua competenza tecnologica allo sviluppo di soluzioni automotive. La lunga storia di impegno dell’azienda in qualità di fornitore per l’industria automobilistica si è concretizzata in un elevato livello di competenza nell’adattamento alle nuove esigenze nell’elettronica dei veicoli, inclusi gli Hev e gli Ev. La Fig. 3 mostra le numerose aree di un impianto elettrico di un’automobile in cui vengono utilizzati componenti di TI. L’attenzione alla sicurezza ha portato allo sviluppo di tecniche di isolamento all’avanguardia che consentono, ad esempio, l’integrazione di funzioni ad alta e bassa tensione e ad alta e bassa frequenza nello stesso package. L’isolamento rinforzato è una caratteristica comune per i die e i package dei chip certificati per uso automobilistico e industriale, così come le qualifiche per più elevati livelli di temperatura, tensione, corrente di vibrazioni. Fra le opzioni relative ai package rivestono particolare importanza i package SafeTI che soddisfano i requisiti di sicurezza funzionale standard nel settore per applicazioni automotive. Per un controllo sicuro dei sistemi elettrici, la serie di microcontrollori TMS570 Hercules mette a disposizione Cpu dual lockstep, correzione degli errori e auto-test. Inoltre, sono disponibili Mcu C2000 ottimizzate per controllo del motore ad alta velocità e in tempo reale. Altri IC utilizzati direttamente sulla linea di alimentazione in modo da agevolare la sicurezza includono interruttori di alimentazione, gestione e protezione della batteria, convertitori Cc/Cc, convertitori analogico-digitale delta-sigma e molto altro ancora. Gli sviluppi della tecnologia di processo, inoltre, spingono il silicio a operare a livelli di tensione più elevati, come quelli utilizzati nella nuova elettronica automotive. Per le applicazioni di alimentazione a tensioni e frequenze estremamente elevate, TI propone i Fet al GaN. Le proposte iniziali al GaN, rivolte ad alimentatori switching, sono caratterizzate per correnti elevate fino a 100 V e sono previsti ulteriori sviluppi. Aggiungendo i nuovi sistemi ad alta tensione ai propri prodotti, i costruttori di automobili entrano in un nuovo territorio e necessitano della flessibilità per adeguarsi; il modo migliore per farlo è sfruttare un’ampia gamma di soluzioni IC, che includono la carica e la gestione delle batterie, driver di potenza e altre funzioni dell’impianto elettrico. La competenza di TI nel campo delle comunicazioni, inoltre, permette di fornire le soluzioni di rete flessibili richieste dai costruttori automobilistici con il supporto per i principali standard di comunicazione utilizzati oggi nell’elettronica automotive. La riconosciuta competenza nell’integrazione, inoltre, gioca un ruolo importante nell’aiutare i costruttori di veicoli a ridurre l’ingombro, il peso e i collegamenti di impianti elettrici, favorendo ulteriormente l’efficienza.
