La berlina Volkswagen (VW) ID.3, introdotta nel 2019, è considerata uno dei veicoli elettrici (VE) più venduti in Europa e ha aperto un capitolo interessante nel mercato dei veicoli elettrici che vedrà molti più modelli entro il 2030. ID.3 è il primo veicolo completamente elettrico di VW lanciato nella "ID". famiglia e rappresenta “una nuova era della mobilità elettrica per tutti”.
L'ID.3 evidenzia la svolta avviata dall'azienda tedesca per la transizione dai motori a combustione ai veicoli elettrici a batteria attraverso i suoi marchi, rafforzando al contempo la sua strategia di piattaforma di produzione. L'ID. classe di veicoli è chiamato il terzo capitolo principale di VW, dopo il grande successo e iconico Beetle e Golf. Alla base dello sviluppo, ovviamente, c'è la necessità di rispettare le normative sulle emissioni globali.
Diversi anni fa il Gruppo Volkswagen è passato a una strategia di piattaforma modulare che consente all'azienda di condividere moduli e sistemi tra marchi e modelli. Una delle più recenti è la piattaforma modulare flessibile MBQ, introdotta nel 2012, progettata per condividere il maggior numero possibile di componenti tra i vari marchi, lasciando comunque ampio spazio alla personalizzazione e alla compatibilità con un'ampia gamma di tipologie di motore. Inoltre può adattarsi alle dimensioni di diversi modelli, grazie alla possibilità di variare il passo (distanza tra le ruote anteriori e posteriori) e la larghezza del pianale. Il sistema di piattaforma si rivolge a veicoli trasversali, con motore anteriore e trazione anteriore.
Questa filosofia di produzione è stata trasferita alla produzione di veicoli completamente elettrici con la nuova piattaforma MEB (modular electric drive matrix), che soddisfa i requisiti di progettazione per la mobilità elettrica. Alcuni dei primi veicoli elettrici costruiti sulla piattaforma MEB includono l'ID.3 per il mercato europeo e il crossover ID.4, che saranno venduti negli Stati Uniti e in Asia.
Figura 1: piattaforme MEB e MBQ di Volkswagen. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
La piattaforma MEB è un'architettura scalabile creata esclusivamente per i veicoli elettrici e sosterrà tutti i modelli di veicoli elettrici di altri marchi del Gruppo VW. È stato anche concesso in licenza per l'uso da Ford. Questo accordo recentemente confermato è fondamentale per aiutare VW a recuperare i suoi enormi costi di sviluppo e le consentirà di mantenere bassi i prezzi attraverso economie di scala.
Uno dei fattori chiave che incidono sull'adozione dei veicoli elettrici è il costo. I consumatori non vogliono pagare un sovrapprezzo. Gli elementi di design condivisi nella strategia della piattaforma VW offrono vantaggi chiave, tra cui potere d'acquisto e sviluppo più rapido, con conseguente riduzione dei costi e fornitura di una ricca serie di soluzioni tecniche, tutte necessarie per guidare l'adozione dei veicoli elettrici.
In un'intervista con EE Times, Romain Fraux, CEO, System Plus Consulting, ha discusso delle principali innovazioni hardware implementate sul compatto ed economico ID.3 EV. Forte di creazioni modulari, il Gruppo Volkswagen ha creato diversi modelli di marchi diversi che condividono la stessa base.
Dalla Volkswagen Golf alla SEAT Leon fino all'Audi A3 Sportback e Škoda Octavia e altre, la piattaforma MBQ è ciò che la distingue e ora questa filosofia costruttiva è stata trasferita nella produzione di auto elettriche del Gruppo Teutonico con la nuova Piattaforma MEB, in particolare per le versioni ID.3 e ID.4, ha affermato Fraux. Un obiettivo ambizioso, è una sfida commerciale che valorizza a la tecnologia pensato per abbattere i costi e creare prodotti sempre aggiornati, ha aggiunto.
Il più grande vantaggio di una piattaforma modulare è che consente di standardizzare alcune parti in modo che possano essere utilizzate per tutte le possibili varianti di modello, ha affermato Fraux. “Stiamo parlando di parti strutturali, elementi di supporto e anche i moduli che compongono il pianale vero e proprio e, soprattutto, la meccanica, i motori, i cambi, la trasmissione e le attrezzature”.
La piattaforma MEB offre flessibilità nel design della carrozzeria e degli interni che sono decisivi per il carattere stilistico del veicolo, come ad esempio il passo. Fornisce inoltre un sistema di batterie scalabile con varie possibilità di layout della batteria. Il pacco batteria può avere una struttura da 5×2 celle oppure da 6×2 celle; non tutte le celle devono necessariamente contenere una batteria modulo.
Fraux ha esaminato due sistemi chiave nell'ID.3, il primo modello ad essere costruito sulla piattaforma MEB: i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e l'elettrificazione, come mostrato in Figure 2 .
"Per ADAS, abbiamo analizzato l'assistenza anteriore con la telecamera di ultima generazione di Valeo e il radar a medio e corto raggio di Continental", ha affermato. “Il sistema di avviso di collisione anteriore [incluso nel front assist] può aiutare a monitorare il traffico e può avvisarti acusticamente e visivamente di un potenziale tamponamento con il veicolo che precede. Per ADAS, c'è Hella RS4 per il monitoraggio dei punti ciechi, l'assistenza al cambio di corsia e l'avviso di traffico trasversale posteriore.
"Per l'elettrificazione, abbiamo analizzato l'inverter, il caricabatterie di bordo e il sistema di gestione della batteria [BMS]", ha aggiunto.
Figura 2: principali ADAS e sistemi di elettrificazione analizzati. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
Soluzioni ADAS
L'ID.3 è dotato di un'ampia gamma di sistemi di assistenza alla guida. Considerato un ADAS di livello 2, l'ID.3 sfrutta gli stessi fornitori e, nella maggior parte dei casi, gli stessi componenti del Golf 8, precedentemente valutato da System Plus Consulting, costruito sulla piattaforma MBQ.
Non ci sono state sorprese nei sistemi di telecamere, ha affermato Fraux. "Possiamo vedere che il design delle carte è leggermente diverso, ma la scelta dei componenti è simile."
Il sistema di avviso di collisione frontale (incluso nel front assist) può aiutare a monitorare il traffico e avvisare il conducente acusticamente e visivamente di un potenziale tamponamento con il veicolo che precede. Se rileva che una collisione è imminente, la frenata di emergenza autonoma (inclusa nell'assistenza anteriore) può supportare il conducente con una maggiore pressione dei freni o, se il conducente non reagisce affatto, può applicare i freni automaticamente.
La funzione di monitoraggio dei pedoni (inclusa nel front assist) può avvisare dei pedoni che attraversano davanti al veicolo e, in determinate circostanze, può frenare automaticamente per aiutare a mitigare l'esito di una collisione con un pedone se il conducente non risponde agli avvisi
Utilizzando la stessa fotocamera della Golf 8, l'assistenza della fotocamera anteriore è costituita dalla scheda della fotocamera anteriore di ultima generazione di Valeo con Intel/Mobileye EyeQ4M, OV10642 CIS di OmniVision da 1.3 megapixel (MP) sensoree il microcontrollore a 850 bit (MCU) della serie RH1/P32H-C di Renesas.
Il sensore da 1.3 MP supporta un array attivo di 1280 × 1080 pixel e l'output di immagini RAW fino a 60 fotogrammi al secondo. La serie RH850/P1H-C è dotata di 32 bit con CPU dual-core, tecnologia di sicurezza, codice flash, data flash, moduli RAM, controller DMA, molte interfacce di comunicazione utilizzate nelle applicazioni automobilistiche, convertitori A/D, unità timer, eccetera.
Figura 3: scheda fotocamera anteriore di Valeo. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
Il radar anteriore è dotato della tecnologia a 77 GHz di quinta generazione di Continental con un design a due schede. Consiste nell'MMIC 3Tx4Rx a chip singolo dell'NXP in un WLCSP e MCU a 32 bit. Una scheda viene utilizzata per il controllo del computer e l'altra per il rilevamento.
Figura 4: sistema radar di assistenza anteriore di Continental. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
Simile alla Golf 8, la Hella RS4 è dotata di monitoraggio dei punti ciechi, assistente per il cambio di corsia e avviso di traffico trasversale posteriore. La scheda è composta dall'MCU TC26x TriCore di Infineon e dall'MMIC STRADA431 di STMicroelectronics. Lo STRADA431 è un ricetrasmettitore a chip singolo per radar automobilistico che copre la banda di frequenza da 24 a 24.25 GHz per essere conforme alle applicazioni in banda ISM.
Sistemi di elettrificazione
Il sistema di propulsione di un veicolo elettrico prevede diverse soluzioni, dal caricabatteria di bordo alla batteria e al suo sistema di gestione. La batteria di oggi determina il costo complessivo, e questo è determinato principalmente dal costo per cella e dal suo involucro di protezione meccanica.
Le quattro parti principali dei sistemi elettrici dell'ID.3 sono il convertitore DC/DC di Bosch, il sistema di gestione della batteria (BMS) di Huber Automotive, l'inverter di Valeo-Siemens e il caricabatterie di bordo di Kostal (Figure 5 ). L'ID.3 è dotato di un motore montato appena davanti all'asse posteriore e di una trasmissione a una velocità e utilizza un motore elettrico brushless a magneti permanenti APP 310. La sigla “APP” significa che motore e trasmissione sono disposti parallelamente agli assi, mentre il numero rappresenta la coppia massima, in grado di generare 310 Nm. Questo numero dà un'idea dell'accelerazione.
Figura 5: Principali sistemi di elettrificazione. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
Il cuore dell'ID.3 è la batteria. Sono disponibili tre formati di batteria: 45 kWh (con un'autonomia fino a 330 km), 58 kWh (con un'autonomia fino a 420 km) e la più grande, 77 kWh con un'autonomia di 550 km. Quest'ultimo ha 12 moduli, ognuno dei quali è composto da 24 celle agli ioni di litio. Funziona a 408 V e può essere ricaricato anche con corrente continua, fino a 125 kW.
La batteria ha un sistema di raffreddamento a liquido dedicato per una gestione ottimale della temperatura ed è alloggiata in un involucro di alluminio che dispone anche di un telaio antiurto integrato per mantenere l'integrità dei componenti interni.
L'inverter, come mostrato in Figure 6 , è progettato da Valeo Siemens e utilizza Infineon IGBT e tecnologie MCU con CPLD di Intel. L'IGBT di Infineon è FS820R08A6P2B (820 A/750 V): un modulo da sei pacchetti ottimizzato per inverter da 150 kW. Il modulo di potenza implementa la generazione di chip IGBT EDT2, che è un design di cella trench-field-stop micro-pattern automobilistico. Il chipset ha una densità di corrente di riferimento combinata concircuito robustezza e maggiore bloccaggio voltaggio per un funzionamento affidabile dell'inverter in condizioni ambientali difficili.
Figura 6: Smontaggio dell'inverter. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
L'inverter è composto da tre stadi. Il primo è lo stadio di ingresso che emette una tensione CC dal pacco batteria ed è costituito da diversi condensatori e filtri EMI. La seconda fase è la conversione CC/CC utilizzando un collegamento CC condensatore, che filtra e uniforma la tensione CC nelle rotaie del bus CC. L'ultimo stadio avvia la conversione tramite commutazione ad alta frequenza e fornisce la potenza invertita al carico (motore elettrico).
Il DC-link deve bilanciare la potenza istantanea fluttuante che risulta come un "ripple" generato dagli stadi IGBT. Una soluzione può utilizzare diverse tecnologie di condensatori come alluminio elettrolitico, pellicola e ceramica. Le increspature sui nodi del collegamento CC influiscono sulle prestazioni perché ogni condensatore ha una certa quantità di impedenza (e autoinduttanza). Il costo di questo inverter, come ha sottolineato Fraux, è di circa 335 dollari, dovuto principalmente ai componenti elettronici. Gli IGBT e gli MCU di Infineon rappresentano quasi il 30% del costo totale dell'inverter. (Figure 7 ).
Figura 7: Schema a blocchi dell'inverter. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
Il caricabatterie di bordo è prodotto da Kostal in Cina, con dimensioni di 480 × 313 × 102 mm e un peso di 10.48 kg (Figure 8 ). La scelta dell'hardware è stata indirizzata verso l'MCU di Renesas e l'IGBT/mosfet, come mostrato nello schema a blocchi in Figure 9 .
Figura 8: Smontaggio del caricatore di bordo. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
Figura 9: Schema a blocchi del caricatore di bordo. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
I pacchi batteria montati sui veicoli elettrici sono costituiti da più moduli celle collegati sia in serie che in parallelo. Il circuito elettronico necessario per la gestione dei moduli cella è chiamato sistema di gestione della batteria. Un BMS include uno o più stadi di conversione dell'alimentazione e un sistema embedded basato su MCU per la gestione di tutti gli aspetti relativi al sottosistema di alimentazione. Durante un processo di carica o scarica della batteria del veicolo elettrico, è obbligatorio monitorare lo stato di ogni cella appartenente al pacco batteria. Il BMS di ID.3 è costituito da quattro slave e un master con soluzioni di STMicroelectronics e NXP, come mostrato in Figure 10 .
Figura 10: NXP è il principale fornitore del BMS. Clicca l'immagine sopra per ingrandirla (Fonte: System Plus Consulting)
Il BMS gestisce l'intera schiera di celle al litio (singole celle o interi pacchi batteria), determinando un'area operativa sicura, ovvero in cui il pacco batterie garantisce le migliori prestazioni tecniche ed energetiche. Il BMS è, in pratica, un sistema elettronico per il controllo completo di tutte le funzioni diagnostiche e di sicurezza per la gestione dell'alta tensione a bordo del veicolo e il bilanciamento della carica elettrica.
Con la crescente adozione di veicoli elettrici, l'impatto sul settore BMS sarà considerevole, poiché i veicoli elettrici sono alimentati da decine o centinaia di celle. Qualsiasi cattiva gestione potrebbe innescare enormi problemi elettrici. Un BMS ottimizza le prestazioni dell'auto elettrica e garantisce la sicurezza del pacco batterie.
L'articolo originale pubblicato sulla pubblicazione gemella EE Times.
Ci sono molte, molte proposte di terminologia alternativa a "padrone/schiavo", nessuna ampiamente condivisa. L'IEEE è spesso utilizzata per determinare la terminologia del settore; l'organizzazione è in procinto di farlo. Per ora, in attesa di un nuovo standard o di un consenso emergente, EE Times continua a utilizzare una terminologia standard. Leggi: È tempo che IEEE ritiri "Master/Slave"