Se qualcosa non può andare avanti, non andrà avanti; la fornitura del vorace fabbisogno elettrico dell'automobile con una batteria da 12 V è un esempio di questa realtà.
Le modifiche alla topologia influiscono sulla fonte della batteria
A causa dei problemi legati ai 12 V, molti veicoli ICE più recenti e quasi tutti i veicoli elettrici/HEV hanno anche una batteria da 48 V. Questa batteria serve carichi alimentati in modo più efficiente dalla tensione più elevata mantenendo la sorgente da 12 V per carichi di corrente inferiori.
Il convertitore CC/CC da 48 V è solitamente progettato per consentire all'energia elettrica di fluire in modo bidirezionale da una batteria all'altra secondo necessità, sotto la direzione di un sofisticato sistema di gestione della batteria (BMS) per bilanciare in modo ottimale le fonti di energia rispetto alla domanda di carico.Figure 1 ).
La gestione della batteria è diventata un sistema estremamente complicato nonostante la sua apparente semplicità in un diagramma a blocchi di alto livello (Figure 2 ).
Tuttavia, non sono aumentate solo le tensioni di base della batteria. Le esigenze del sistema hanno spinto i progettisti a rifare la topologia di base di come la tensione e la potenza della batteria vengono distribuite e convertite nei binari a tensione più bassa per l'elettronica, offrendo allo stesso tempo tensioni più elevate per carichi a potenza più elevata come motori accessori, amplificatori audio in decine e centinaia di watt e altro ancora.
La capacità energetica della batteria di un moderno veicolo elettrico può variare da circa 30 kWh in un piccolo veicolo elettrico come la Mini Cooper SE a oltre 200 kWh in un veicolo elettrico grande e potente come il camion GMC Hummer EV. Figure 3 mostra l'evoluzione effettiva e dove sta andando.
Man mano che le automobili diventavano “elettronica e computer” su ruote (immagine a sinistra), i progettisti hanno utilizzato una topologia distribuita con un nodo centrale. Con questa architettura, potrebbero aggiungere nuove funzioni semplicemente aggiungendo nuove unità di controllo elettronico (ECU). Nel corso degli anni, queste aggiunte si sono espanse fino a raggiungere un numero compreso tra 50 e 100 (o più) ECU e fino a 4 km (2.5 miglia) di cablaggio, e spesso di più.
Questo approccio è semplice e diretto. Tuttavia, un’architettura distribuita non è più una soluzione adeguata a causa dell’enorme volume del cablaggio, dell’inefficienza elettrica nella distribuzione dell’energia, di considerazioni sull’affidabilità (inclusa la sicurezza informatica) e di costi e sicurezza. Inoltre, ciascuna funzione aggiunta necessita della connessione di rete oltre all'alimentazione CC.
Poiché le architetture distribuite sono state sopraffatte, i progettisti si stanno spostando verso architetture “di dominio” con una rete di distribuzione dell’energia parzialmente decentralizzata (immagine centrale). In questo approccio, funzioni come ADAS, infotainment e telematica sono raggruppate logicamente, ciascuna con il proprio processore. Sebbene questo approccio di dominio abbia un senso logico, in realtà può aumentare la quantità di cavi e connessioni, aumentando quindi il peso del veicolo, la perdita di potenza e i costi. In modo un po’ controintuitivo, questa architettura è in definitiva necessariamente il modo più efficiente per organizzare i sistemi elettrici e di distribuzione dell’energia dei veicoli.
Guardando avanti ancora per qualche anno, si assiste al passaggio ad architetture “zonali” completamente centralizzate. Con questa architettura, i sistemi sono raggruppati logicamente e fisicamente in zone che possono essere organizzate in modo efficiente. In ciascuna zona, un singolo e potente processore gestisce tutte le funzioni e la zona è alimentata da un'unica unità di distribuzione dell'energia invece che da una serie di unità altamente localizzate; inoltre, esiste un'unica connessione di rete per la zona (Ethernet e altre).
Avvicinando la ECU ad attuatori e sensori, sono necessari meno cablaggi e connessioni, con vantaggi evidenti e non ovvi. Le lunghezze dei cavi vengono notevolmente ridotte grazie al posizionamento ottimizzato del dispositivo e alcuni cavi vengono eliminati grazie all'integrazione funzionale. È possibile utilizzare cavi più sottili e flessibili per correnti più basse a tensioni più elevate al posto di cavi a trefoli più pesanti, rotondi. Ciò riduce i costi della distinta base, semplifica la posa dei cavi ed è più favorevole alla movimentazione, all'assemblaggio e all'installazione robotica nella produzione (un vantaggio facilmente trascurato).
Le implicazioni zonali includono una più semplice implementazione di sistemi ad alta tensione. Mentre i sistemi di alimentazione a 12 V rappresentano la norma da decenni, le architetture di zona necessitano di 48 V per supportare consumi energetici e requisiti di ridondanza più elevati. Non si tratta di un cambiamento radicale, poiché molte auto sono già dotate di batterie da 12 V e 48 V. La rete di alimentazione da 48 V garantisce una minore perdita di potenza e consente cablaggi più leggeri (Figure 4 ).
La prossima sezione esplorerà le implicazioni delle architetture zonali e il modo in cui i convertitori DC/DC avanzati potrebbero eliminare la batteria da 12 V e forse anche la batteria da 48 V.
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Riferimenti esterni
Cadence Design Systems, “Che cos'è l'architettura zonale? E perché sta ribaltando la catena di fornitura automobilistica?”
Vicor Corp., “Sistemi a 48 V: cosa è necessario sapere mentre le case automobilistiche dicono addio ai 12 V”
Vicor Corp., “Veicoli elettrici: 48V è il nuovo 12V”
Vicor Corp., “Tesla Cybertruck eliminerà i componenti elettrici a 12V”
TE Connectivity, “Connettività nelle architetture E/E automobilistiche di prossima generazione”
Infineon, “Sistema di distribuzione dell’energia nel settore automobilistico”
Clore Automotive, “L’evoluzione della batteria automobilistica”
Continental Battery Systems, “Evoluzione delle batterie per auto: dalla vecchia tecnologia al MIXTECH”
MDPI, “Caratteristiche dei sistemi di gestione della batteria dei veicoli elettrici con considerazione del processo di bilanciamento delle celle attivo e passivo”
ResearchGate, “Un approccio sistematico allo sviluppo delle architetture dei sistemi di alimentazione elettrica automobilistica”
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Texas Instruments, "Elaborazione dei vantaggi dell'architettura a zone nel settore automobilistico"