La sfida dell’elettrico non passa solo per l’efficienza energetica dei veicoli elettrici, ma deve andare di pari passo con lo sviluppo delle infrastrutture (ricarica), soprattutto dal punto di vista delle strategie di progettazione. Ecco il punto di vista di Microchip
A causa del divieto che in molti paesi vogliono imporre alla vendita di veicoli a benzina e diesel già a partire dal 2030, la diffusione dei veicoli elettrici (EV) è destinato ad una crescita enorme. Ciò sta guidando la necessità di progetti di veicoli elettrici più efficienti ed economici con un'autonomia maggiore e costi d’utilizzo inferiori per incoraggiare i consumatori a questo passaggio. Tuttavia, l'impatto complessivo dei veicoli elettrici (EV) sul pianeta è sottovalutato. La tendenza è quella di pensare che la transizione sia facile come sostituire serbatoi e motori a benzina con le batterie e motori elettrici, ma la realtà invece è molto più complessa.
Tecnologie emergenti per il gruppo propulsore
Le nuove tecnologie per i MOSFET di potenza sono una parte fondamentale di questo passaggio verso il funzionamento elettrico perchè gli inverter di trazione EV possano supportare la maggiore efficienza richiesta e le tensioni più elevate in gioco.
Si parla molto dell'utilizzo di nuove tecnologie wide-bandgap (WBG) come Silicon Carbide (SiC) e Gallium Nitride (GaN) per il gruppo propulsore dei veicoli elettrici. Stanno emergendo nuovi schemi SiC per soddisfare i crescenti requisiti di elevata potenza per i veicoli elettrici. La tecnologia GaN sta crescendo, ma deve ancora creare fiducia verso una pur comprovata affidabilità e ridurre i prezzi perché possa acquisire quote rilevanti del mercato degli inverter EV. Sia SiC che GaN sono più costosi delle soluzioni tradizionali, ma offrono caratteristiche interessanti, come una maggiore efficienza, grazie a minori perdite di commutazione, nonché dimensioni e peso del sistema inferiori, dovuti a frequenze di commutazione più elevate e sistemi di raffreddamento più piccoli. I progetti con queste nuove tecnologie potrebbero però essere più complicati per garantire un funzionamento sicuro e robusto. Ci sarà probabilmente una lunga transizione dai dispositivi di alimentazione al silicio alle tecnologie emergenti, con quella al silicio ancora utilizzata nei progetti per applicazioni più sensibili ai costi.
Aumento delle tensioni nelle ricariche On-Board
Nel prosieguo, ci sarà una tremenda battaglia tecnologica tra gli on-board charger (OBC), utilizzati per la ricarica delle batterie di trazione ad alta tensione direttamente dalla rete mentre il veicolo è in parcheggio. C'è una grande spinta proveniente dai sistemi da 400 V a 800 V che giocano la carta dei vantaggi della tecnologia SiC, ma la velocità di commutazione superiore del GaN rende questa tecnologia un caricatore più efficiente. Alla fine, entrambe le tecnologie probabilmente vinceranno, ognuna in diverse parti del mondo, ed entrambe probabilmente coesisteranno. Quel che è certo è che le tensioni in gioco per la ricarica dei veicoli elettrici continueranno a salire. La nuova tecnologia sviluppata per le stazioni di ricarica ad alta potenza passerà quindi ai caricabatterie di bordo per accelerare i tempi di ricarica.
Una mano arriva dagli schemi progettuali e tecnologia utilizzati nei data centre
Molte delle competenze nella progettazione di sistemi di alimentazione provengono dal settore dei data center. I progettisti possono ora sfruttare le topologie sviluppate per data center hyperscale, aggiungere sicurezza e protezione funzionale, e creare un caricabatterie o un convertitore DC-DC di buona qualità da 48 V a 400 V o 800 V per il gruppo propulsore. La maggiore differenza tra la progettazione di un data center rispetto all'alimentazione di un veicolo elettrico è che l'approccio del data center che utilizza i dispositivi dsPIC33 dispone di un circuito di controllo digitale anziché filtri analogici e un circuito di feedback. Ciò consente di progettare più piattaforme nel dominio digitale, che rilevano tensione e corrente di uscita, convertendo in digitale, quindi regolando il PWM per pilotare tutti i FET di potenza con circuiti di feedback a bassa latenza. È stata l'esperienza dei data center ad aver aiutato a gestire la complessità per una maggiore potenza nei veicoli elettrici. Per accoppiare un DSC (digital signal controller) con i dispositivi high speed switching GaN sono necessarie prestazioni da 250 MHz e le nostre roadmap del controller dsPIC33 sono progettate per soddisfare tale esigenza prevista nel prossimo futuro. Inoltre, l'offerta dsPIC33 include controller multicore per separare gli algoritmi di controllo compatti dal resto del software richiesto per le applicazioni EV. Cose come requisiti automotive, sicurezza funzionale, abstraction layer, driver e Autosar portano rapidamente a requisiti di memoria superiori a 1 MB, con un chiaro vantaggio per i dispositivi multicore che utilizzano un core per il circuito di controllo e un altro core per le funzioni automotive/housekeeping. Questi requisiti portano a chip controller più complessi, con gli strumenti software associati e il livello appropriato di supporto per la sicurezza ASIL, nel supportare i progettisti di sistemi EV.
Infrastrutture di ricarica
Le implicazioni più ampie della crescente popolarità dei veicoli elettrici vanno ben oltre le auto in se. L'intera infrastruttura della rete elettrica dovrà cambiare. Vedremo più energia sostenibile e microreti locali sviluppate in molti luoghi dove non si potrà semplicemente raddoppiare la quantità di elettricità dai fornitori; quindi, gli stessi consumatori ne genereranno un po' a casa propria attraverso l'energia solare o altri mezzi.
Con le grandi quantità di energia messe in campo per consentire ricariche rapide, è possibile che vengano introdotti nuovi modelli di business a cui non abbiamo ancora nemmeno pensato. Forse, invece di grandi capacità di ricarica rapida dislocate in ogni casa, avremo un cambio rapido della batteria, lasciando così più tempo per caricare completamente la batteria "di riserva".
Oppure, forse, a lungo termine la ricarica sarà più ubiquitaria e ci sarà meno bisogno di batterie. Ci sono già bobine induttive incorporate nelle strade di Corea e Svezia per caricare le batterie di un veicolo durante la sua marcia. Ciò riduce i requisiti di dimensione della batteria, i requisiti di alimentazione, e riduce la necessità di caricabatterie.
Conclusioni
I veicoli elettrici sono destinati a diventare la tendenza dominante dei trasporti nel prossimo decennio, per questo i fornitori di tecnologia prestano già molta attenzione alle architetture di sistema utilizzate dagli sviluppatori. Dispositivi flessibili che forniscano le prestazioni richieste per la prossima generazione saranno fondamentali per consentire l'innovazione con l'espansione del mercato dei veicoli elettrici. Ma è necessario prestare molta attenzione anche all'innovazione nella progettazione dell'infrastruttura, sia per quanto riguarda la ricarica su strada che per quella integrata, per evitare i limiti di autonomia, ciò che i consumatori temono oggi.
