Dalla meccanica all’elettronica di potenza

L’affermazione dell’auto elettrica è sostenuta da forti motivazioni, prima di tutto quella della compatibilità ambientale, poi, non di secondaria importanza, quella della semplicità funzionale e dell’efficienza energetica. La semplicità funzionale è conseguenza del fatto che il motore a combustione è costituito da centinaia di parti funzionali tutte interagenti tra loro e in movimento, mentre il motore dell’auto elettrica è costituito solo dal motore elettrico che è funzionalmente il solo componente di propulsione in movimento.  Relativamente all’efficienza energetica il confronto tra auto a combustione e auto elettrica è emblematico: l’auto a combustione ha una efficienza energetica del 16% mentre quella elettrica ha una efficienza energetica dell’85%. La natura elettrica della propulsione ha un vantaggio in più rispetto a quella basata sulla combustione: la rigenerazione dell’energia. L’energia di combustibili fossili da cui sono derivati la benzina e il gasolio non è rigenerabile in maniera dinamica e rapida, come invece è possibile per l’energia elettrica che, dal punto di vista della gestione, offre molta flessibilità (sicurezza dello stoccaggio e semplicità di gestione). Quando l’autoveicolo rallenta, in quanto sottoposto a frenata, il motore si trasforma da propulsore elettrico a generatore elettrico, e fornisce energia elettrica che ricarica la batteria (regenerative braking). In generale, la problematica rigenerativa dell’energia di propulsione, è di primaria importanza, considerando il problema dell’approvvigionamento energetico in generale e quello dell’autonomia energetica del veicolo. Le tecnologie di energy harvesting sono quindi in primo piano nello scenario di ricerca e sviluppo dell’auto elettrica. Lo svantaggio della soluzione elettrica nell’automotive sta nella natura delle batterie, tendenzialmente voluminose e lente nella carica. Il tempo di ricarica di una batteria per la propulsione autoveicolare può essere dell’ordine delle ore (fino a 6 ore), ma questo problema è stato molto ottimizzato negli ultimi anni portando tale tempo al di sotto dell’ora (20 minuti). La meccanica delle auto elettriche è decisamente semplificata rispetto a quelle con motore a combustione interna. Esistono due approcci nel modo di utilizzare il motore elettrico per azionare il veicolo. Un solo motore, collegato alle ruote anteriori con un differenziale, oppure un motore collegato direttamente a ogni ruota motrice, senza necessitare del differenziale. Due sono le tipologie di motori usati per convertire l’energia elettrica fornita dalle batterie in energia meccanica (cinetica rotazionale) da applicare alle ruote di trazione: i motori a corrente continua (Dc) e i motori a corrente alternata (Ac). Queste due tipologie di motori elettrici hanno vantaggi e svantaggi tali che un tipo non è preferibile all’altro: i motori Ac a causa dell’alternanza della fase della corrente richiedono un’elettronica di controllo più complessa e quindi rendono questi motori più costosi. I motori Ac sono comunque più affidabili in quanto contengono meno parti in movimenti (una sola parte) rispetto a quelli Dc.

L’elettronica di controllo

L’elettronica di controllo è una parte importante dell’auto elettrica. Tale elettronica condiziona in maniera appropriata la corrente elettrica che arriva dalla batteria, in corrente elettrica adeguata ad alimentare il motore (per esempio trasformandola da corrente continua a corrente alternata se il motore è di tipo Ac). È proprio l’elettronica di controllo che governa funzionalità come il regenerative braking, in quanto può scambiare i generatori di campo magnetico del motore per trasformarlo da semplice motore a generatore di corrente durante la fase di frenata. L’elettronica di controllo include sia quella di segnale, tipicamente a bassa tensione e bassa potenza, sia quella di potenza per il controllo diretto dei motori e di altri dispositivi di azionamento come i servomotori. Il microprocessore è il cuore dell’unità di controllo dell’auto elettrica, Questo esegue algoritmi di controllo molto sofisticati che operano sulla base di molteplici segnali di retroazione come la temperatura di ventilazione, la velocità di rotazione, la tensione della batteria e la relativa tensione di uscita, la tensione proporzionale alla posizione del pedale di accelerazione, ecc..

L’elettronica di potenza

L’elettronica di potenza per l’auto elettrica è basata sulla tecnologia dei transistor di potenza, da cui sono derivati gli inverter, i Mosfet e gli Igbt. Nelle prime versioni di veicoli elettrici dotati di motori Dc il controllo di accelerazione e di velocità del veicolo era implementato tramite una semplice resistenza variabile su cui si caricava tutta la potenza e la corrente erogabile dalla batteria (la resistenza agiva da limitatore della corrente come funzione di controllo della velocità). Ciò implicava che molta parte dell’energia erogata dalla batteria veniva sprecata sotto forma di dissipazione di calore nella resistenza. Ciò non è accettabile negli attuali veicoli elettrici ove l’efficienza energetica è fondamentale per competere con l’automobile con motore a combustione interna. L’elettronica di potenza è quindi emersa come la soluzione efficiente nell’interfaccia tra controller e motore. Il controllo Pwm (Pulse width modulation) e i dispositivi di commutazione come gli Igbt si sono rivelati ottimali per garantire la massima efficienza ed efficacia nel controllo di motori di elevata potenza come quelli utilizzati nell’auto elettrica. In particolare l’Igbt è la soluzione ottimale per pilotare in potenza il segnale Pwm in quanto si tratta di commutazione che l’Igbt gestisce in maniera efficiente tramite un transistor (combinazione di un transistor a giunzione bipolare e un Mosfet). Grazie agli Igbt opportunamente configurati è possibile erogare correnti dell’ordine delle migliaia di Ampere con tensioni del migliaio di Volt.

Silicon Carbide Power Electronics

L’importanza dell’elettronica di potenza spinge i produttori di componenti elettronici a sviluppare tecnologie elettroniche e dispositivi innovativi per efficienza e funzionalità. Per esempio STMicroelectronics ha sviluppato un Mosfet basato sulla tecnologia Silicon Carbide, con ottime caratteristiche di commutazione e compattezza, nonché altre caratteristiche come la capacità di gestire alte temperature e le perdite per commutazione, semplicità di controllo e compattezza per funzionalità interne integrate come l’intrinsic body diode robusto e ad alta velocità.

Obiettivo emissioni zero

L’auto elettrica viene definita a emissioni zero. Mentre per le auto con motore a combustione interna, l’obiettivo dell’emissione zero è praticamente impossibile, anche se i detrattori della tecnologia dell’auto elettrica sostengono (giustamente) che nemmeno l’auto elettrica può essere classificata a emissioni zero, in quanto le emissioni avvengono comunque a livello di centrale elettrica da cui l’auto elettrica si rifornisce per la ricarica. È comunque incontestabile il fatto che la produzione di energia elettrica in un a centrale elettrica è più efficiente di quella della combustione in un motore di automobile, e che il controllo delle emissioni delle centrali elettriche è molto più rigoroso. Inoltre, la produzione di energia elettrica va verso lo sfruttamento delle fonti rinnovabili, quindi a emissione zero. Le automobili si trovano oggi in una fase di trasformazione epocale. La meccanica (pistoni, cilindri, pignone, valvole, biella, ecc.) non è più la scienza e la tecnologia di riferimento. L’elettronica già da tempo aveva sopravanzato la meccanica, e l’elettronica digitale ha consentito all’informatica di caratterizzare tecnologicamente l’automobile. Per cui, in ambito automotive, la ricerca e lo sviluppo si sono da tempo spostati dal target della meccanica a quello dell’elettronica di controllo e dell’automazione. Il nuovo paradigma è quello dell’auto elettrica, in cui l’attenzione si sposta dalla meccanica classica dell’automobile all’elettronica di potenza, dato che l’obiettivo primario è quello della propulsione elettrica efficiente dell’autoveicolo. Lo sviluppo di questo nuovo paradigma, che avrà un considerevole impatto sul modello di sviluppo dell’industria automobilistica e necessariamente anche sull’industria dell’elettronica, è soggetto a varie interpretazioni nelle varie aree geografiche in conseguenza della natura culturale di tali aree; per esempio in Giappone, si è sviluppata l’idea che l’automobile elettrica, possa essere una fonte alternativa di alimentazione elettrica per le abitazioni quando queste rimangono isolate dalla rete elettrica in occasione di un terremoto o di uno tsunami. Un caso specifico del settore automotive è venuto proprio da un’industria automobilistica giapponese, la Mitsubishi. Si tratta di una evoluzione automobilistica del concetto di inverter, per consentire di trasferire energia elettrica in corrente continua alle abitazioni domestiche e alle relative apparecchiature funzionanti con energia elettrica in regime di corrente alternata. L’idea è stata ulteriormente sviluppata per consentire una modalità più flessibile di accoppiamento elettrico tra automobile elettrica e ambito domestico, in particolare con la realizzazione di box di ricarica dell’automobile che allo stesso tempo sono in grado di commutare il verso del trasferimento di energia elettrica, dall’automobile alla casa.

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