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Elettronica di potenza a controllo digitale per veicoli elettrici, potenza 2 ÷ 20 kW

L’elettronica di potenza a controllo digitale per veicoli elettrici, permette la continua ricarica della batteria dei servizi a bassa tensione (12-24-48 V) prelevando energia dalla batteria di trazione ad alta tensione del veicolo. La tecnica del totale isolamento galvanico mediante trasformatori ad alta frequenza permette di adempiere a tutti gli obblighi di normativa di sicurezza relativa ai veicoli a batteria.

Quando si pensa a un veicolo elettrico a batteria non è immediato intuire quanto sia importante la modifica dei sistemi ausiliari e della loro alimentazione. In prima battuta, in effetti, si può pensare a un veicolo elettrico come a uno tradizionalmente spinto da un motore a combustione interna (ICE) a cui sia stato sostituito il solo powertrain, mentre tutto il resto è rimasto invariato. La realtà, però, è profondamente diversa, e questo è legato a una delle ragioni fondamentali dell’elevato rendimento su strada dei veicoli elettrici, ovvero: quando il motore non serve, rimane spento. Di per sé è una banalità, ma facendo un passo indietro ed esaminando meglio un tradizionale veicolo basato su ICE, ci possiamo rendere conto delle complicazioni che la transizione all’elettrico comporta relativamente agli svariati sistemi di bordo.

Un ICE ha una velocità minima di rotazione, che porta con sé la necessità di un sistema di disaccoppiamento (tipicamente una frizione) dal gruppo di trasmissione affinché possa rimanere acceso anche quando il veicolo è fermo. I progettisti di veicoli hanno da sempre fatto virtù di questa limitazione dell’ICE collegandovi i sempre più energivori servizi di bordo, sia mediante l’utilizzo di un alternatore che tiene in carica una batteria a 12V per servizi quali le luci e il sistema di infotainment, sia attraverso una connessione meccanica come per il compressore dell’aria condizionata o il servosterzo, o attraverso la generazione di vuoto per servizi quale il servofreno. Per giunta, il riscaldamento dell’abitacolo è demandato all’aria calda generata dall’ICE stesso come perdite energetiche date dalla combustione.

Focalizzato ciò, è facile capire quante cose debbano essere cambiate nel disegnare una vettura che non può contare su un propulsore sempre in moto e genericamente di basso rendimento energetico, quindi ricco di calore da eliminare. È invece necessario disegnare una serie di nuove utenze dedicate, quale il compressore del condizionamento spinto da un motore elettrico o un sistema di riscaldamento elettrico, magari dei soli sedili, che possano funzionare anche a vettura ferma; in più, tutto l’impianto elettrico a 12 o a 24V non può più essere alimentato da un alternatore rotante, ma occorrerà una fonte di energia proveniente direttamente dalla batteria di trazione.

Per permettere tutto questo è stato necessario realizzare una nuova classe di convertitori DC/DC che, a seconda del veicolo, gestiscono potenze variabili da 2 a 20kW; si tratta di convertitori assai impegnativi, perché devono garantire un perfetto isolamento tra la batteria del powertrain e l’impianto ausiliario, che ha il suo 0V collegato alla carcassa del veicolo, nonché gestire correnti di centinaia di Ampere sul lato a bassa tensione. Questi convertitori sono basati su trasformatori ad alta frequenza (> 100 kHz) hanno rendimenti molto elevati, nell’ordine del 98-99%; inoltre, devono garantire un’affidabilità di livello automotive ed essere sufficientemente piccoli e leggeri così da non creare problemi insormontabili di ingombro e peso ai designer.

Per concludere, dunque, oltre ai convertitori per trazione, il veicolo elettrico impegna gli specialisti della conversione di energia elettrica necessitando di altri dispositivi particolarmente sofisticati, che stanno entrando a far parte della nuova era elettrica.

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