Il costante avvio e arresto dei motori degli autoveicoli porta a un consumo eccessivo di carburante e a un rapido degrado dei componenti. Questo articolo analizza gli ultracondensatori IOXUS uSTART che si abbina a una batteria per fornire una potenza elevata durante gli eventi di start-stop, riducendo il consumo di carburante, il degrado dei componenti e migliorando le prestazioni complessive del sistema
Accendi e spegni, accendi e spegni: gli autocarri, le autovetture e tutti i macchinari ad alta potenza, come le gru, devono avviarsi, fermarsi e riavviarsi in continuazione. Per avviarsi, un veicolo tipico consuma una quantità di energia 10 volte superiore rispetto al funzionamento al minimo. Inoltre, in diversi momenti queste macchine richiedono picchi elevati di potenza, come durante l'utilizzo di pompe idrauliche, contribuendo ulteriormente a rendere irregolare il consumo di energia. L'accumularsi di questi eventi gravosi si traduce in consumo di carburante, usura dei sistemi ed esaurimento dei componenti. Anche se il funzionamento pesante comporta quasi sempre un maggiore consumo di carburante, guasti più frequenti e costi di manutenzione più elevati, un'azienda innovativa inverte questo paradigma, con i propri ultracondensatori smart che forniscono e accumulano cariche di energia in applicazioni per automotive e grandi macchine operatrici. Inoltre, le prestazioni del sistema ne risultano migliorate.
La soluzione IOXUS per gli start-stop del motore
IOXUS, l’azienda leader di settore nella produzione di celle e moduli a ultracondensatore, ha presentato gli innovativi ultracondensatori uSTART. L'ultracondensatore uSTART è un modulo Smart Power – per applicazioni automotive e trasporti – che utilizza i vantaggi di un ultracondensatore in combinazione con una batteria tradizionale, creando un sistema elettrico ibrido. L'ultracondensatore uSTART si collega in parallelo a una batteria automotive, come illustrato nella Figura 1, fornendo una corrente elevata durante l'avviamento (cranking) e in tutti gli altri scenari di grande consumo di corrente, sfruttando la capacità di scarica rapida dell'ultracondensatore. La batteria fornisce energia quando i fabbisogni di corrente sono bassi e lavora in combinazione con l'alternatore per caricare l'ultracondensatore uSTART. Nel complesso, l'ultracondensatore uSTART gestisce attivamente il profilo energetico della batteria del veicolo, fornendo una tensione stabile in tutte le condizioni operative.
I vantaggi di un ultracondensatore si estendono a una vasta gamma di aree applicative. Il più importante è che l'ultracondensatore uSTART, grazie alla capacità di gestire correnti elevate, evita i transitori nella tensione primaria. Questa stabilità riduce l'usura dell'intero sistema, quindi un funzionamento più duraturo del veicolo senza dover sostituire i componenti. Il motorino di avviamento e la batteria funzionano entrambi molto più a lungo, perché evitare condizioni di overvoltage e undervoltage protegge i magneti, gli avvolgimenti del motore stesso e la chimica della batteria. I sistemi di frenata rigenerativa traggono vantaggio dalla possibilità di gestire una gamma più ampia di livelli di potenza per l'accettazione di carica, anch'essa fornita dagli ultracondensatori. L'intero sistema elettrico può essere ridimensionato. Nel complesso, questi vantaggi si traducono in una riduzione dell'estrazione, del consumo e della distribuzione di terre rare e di altri elementi critici. Come ultimo vantaggio, la CO2 per l'ultracondensatore proviene da risorse naturali rinnovabili.
Per quanto immediati, questi vantaggi non si traducono in uno sviluppo semplice. Tra le molte sfide, l'ultracondensatore Smart Power gestisce l'alimentazione sull'intero sistema, sia rilevando e rispondendo alle condizioni di domanda, come un evento di avvìo, sia gestendo la carica della batteria stessa. Questi eventi richiedono che l'erogazione e l'assorbimento di energia avvengano rapidamente, nell'arco di millisecondi. Lo sviluppo richiede il controllo costante di una serie complessa di gate attraverso una moltitudine di scenari di carico. Le interferenze elettromagnetiche (EMI) rappresentano un'ulteriore sfida, poiché gli ambienti automotive aggiungono un rumore estremamente elevato alle tensioni del sistema, dove la tensione dei transienti positivi e negativi può essere più volte superiore a quella della batteria. Un'altra sfida progettuale è il rispetto dei severi requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) per le emissioni, imposti dagli OEM (Original Equipment Manufacturer) dei veicoli su ampie bande di spettro radio. Inoltre, la chimica e le connessioni dei materiali richiedono un'attenzione particolare per fornire e assorbire energia in modo fluido e senza resistenze indesiderate. Il portafoglio di IOXUS comprende diversi brevetti sulla chimica degli elettrodi e degli ultracondensatori.
IOXUS ha collaborato con Analog Devices per sviluppare il sistema di gestione dell'alimentazione. Le funzioni principali comprendono la gestione della carica dell'ultracondensatore, la protezione, l'isolamento e la gestione del sistema. Il controllore buck-boost LT8390 gestisce la quantità e il timing della corrente, per caricare in modo efficiente l'ultracondensatore da zero volt fino al suo punto di carica stabilito. Inoltre, per garantire la compatibilità elettromagnetica e ridurre le emissioni di radiofrequenza associate al sistema, è dotato di modulazione di frequenza spread spectrum. Il regolatore step-down sincrono LT8609S agisce all'interno del sistema per fornire una sorgente di tensione efficiente e molto stabile per l'elettronica di controllo. L’ LTC4368fornisce protezione da overvoltage, undervoltage e da corrente inversa per l’LT8390, mentre il MAX17613 fa lo stesso per l’LT8609S e per l’elettronica di controllo low power. Il sistema di gestione dell'alimentazione del veicolo, che utilizza più dispositivi MAX253 e ADuM4221 per commutare banchi di transistor di potenza, risponde dinamicamente ai carichi ed evita che si arrivi a una condizione di tensione fluttuante.
"Quando si progettano sistemi nuovi e all'avanguardia, è bello avere un partner come ADI. I loro prodotti ad alte prestazioni e la loro esperienza in materia di alimentazione ne fanno un partner eccellente", ha dichiarato Joe Agrelo, senior electrical engineer di IOXUS.
Conclusioni
Prodotti come l'ultracondensatore uSTART di IOXUS migliorano le prestazioni del sistema e riducono il consumo energetico. L'ultracondensatore uSTART affronta la difficile sfida del costante start-stop del motore, con il relativo aumento del consumo di carburante e l'usura dei componenti, e la risolve con un prodotto raffinato che migliora anche le prestazioni. La domanda di mobilità crescerà negli anni a venire, richiedendo soluzioni innovative come l'ultracondensatore uSTART di IOXUS.
