Il termine automotive è quasi sempre esclusivamente associato alle automobili e alle relative applicazioni. In un’accezione più generale, esso comprende una pluralità di veicoli che spaziano dagli autobus ai camion, ai veicoli industriali, ai macchinari pesanti come ad esempio quelli utilizzati nell’industria mineraria, ai carrelli elevatori, ai veicoli di emergenza e via dicendo. In campo industriale, la parola d’ordine è Industria 4.0.
Fig. 1 – La nuova generazione di convertitori DC/DC (Powerbox ENAR100/200) è stata progettata per soddisfare il concetto di “One package to fit all” che prevede l’integrazione di avanzate tecniche di gestione termica e di topologie ad alta efficienza per le applicazioni in ambito automotive
L’Industria 4.0 (o quarta rivoluzione industriale), definisce i concetti della futura “smart factory”. All’interno di queste nuove fabbriche digitali sistemi ciberfisici (Cps – Cyber-physical system) sono preposti al monitoraggio dei processi e generano copie virtuali del mondo fisico per consentire di prendere decisioni decentralizzate. Nell’ambito dell’IoT, tali sistemi ciberfisici comunicano e collaborano tra loro e con gli esseri umani in tempo reale e, attraverso l’Internet dei Servizi, tutti i servizi sono disponibili e fruibili per tutti i componenti della catena.
Gli effetti derivanti dall’applicazione dei concetti di Industry 4.0 al settore automobilistico possono essere tradotti con il concetto di Automotive 4.0.Nel 2016, oltre il 60% delle automobili era equipaggiata con uno schermo a colori, che faceva parte del sistema di infotainment; le aspettative relative alla qualità delle informazioni fornite al conducente e ai passeggeri è molto alta. Tutti gli utenti si aspettano dalle proprie auto la stessa facilità di fruizione che caratterizza altri dispositivi personali di uso comune e sistemi di intrattenimento domestico, oltre ovviamente a una connessione ad alta velocità.
Fig. 2 – Esempio di “pulse test” previsto dallo standard ISO7367, che simula la riduzione della tensione di alimentazione al circuito di avviamento dei motori a combustione interna
Queste maggiori aspettative si traducono, per i produttori di automobili, in un aumento delle problematiche legate all’interoperabilità e alla sicurezza, anche in considerazione del ruolo che le tecnologie 5G e i veicoli “intelligenti” sono destinati a ricoprire. Mentre lo schermo è la parte visibile dell’”iceberg”, alla base della maggior sicurezza e affidabilità delle odierne autovetture vi sono altri fattori: potenza di calcolo, sensori e una miriade di altri componenti. Nel loro complesso, tutti questi dispositivi richiedono soluzioni di alimentazione sempre più efficienti e affidabili. Nell’industria automobilistica per la gestione dell’alimentazione si utilizzano solitamente PMIC (Power Management Integrated Circuit) che fanno parte di sistema di elaborazione embedded centralizzato.
I produttori di semiconduttori offrono una vasta gamma di PMIC di ultima generazione che utilizzano il controllo digitale e dispongono di interfacce di comunicazione avanzate.Se l’industria automobilistica rappresenta il mercato di massa per i sistemi di infotainment nelle applicazioni automotive, lo sviluppo di città sempre più estese e la crescente domanda di scambi tra queste città sta evidenziando i limiti delle reti ferroviarie esistenti e la necessità di poter usufruire di flotte di autobus che consentano ai passeggeri di raggiungere agevolmente le loro destinazioni.
Un recente studio ha evidenziato che la domanda mondiale di autobus è destinata a crescere a un tasso superiore del 5% su base annua, raggiungendo quota 664.000 unità nel 2018; questo aumento è doppio rispetto a quello fatto registrare nel quinquennio 2008-2013. Si prevede che il prossimo anno il numero di autobus in uso in tutto il mondo supererà gli otto milioni di unità e molti di loro saranno equipaggiati con apparecchiature di infotainment avanzate e sistemi di monitoraggio della flotta (fleet monitoring) che richiedono soluzioni di alimentazione stabili e affidabili.
Autobus connessi
Come negli aerei e nei treni ad alta velocità di nuova generazione, le apparecchiature di infotainment sono spesso installate nei sedili del passeggero e quindi richiedono fonti di potenza locali che risultino immuni da disturbi della linea, siano caratterizzati da un basso livello di emissioni radio e risultino in grado di operare senza raffreddamento ad aria forzata. Inoltre, i produttori di autobus richiedono ai produttori di sedili prodotti più semplici che richiedono meno interventi di manutenzione (e di aggiornamento), con una sensibile riduzione dei cablaggi e delle interconnessioni.
Fig. 3 – Applicazioni installate su bus moderni che richiedono un’alimentazione stabile oltre ad alcune batterie locali per funzioni di sicurezza
Per soddisfare questi requisiti, la connettività a livello dei sedili dovrà essere la più semplice possibile, con un solo cavo di alimentazione e una fibra ottica per la trasmissione dati; questo significa che la fonte di potenza che alimenta l’apparecchiatura di infotainment dovrà essere installata nel sedile, con conseguente aumento delle problematiche per i produttori di alimentatori.
Per decenni gli alimentatori per tali apparecchiature erano posizionate sotto il sedile e utilizzavano il raffreddamento per convezione naturale. La nuova generazione di moduli di potenza deve funzionare in assenza di flusso d’aria, ragion per cui vengono progettati e ottimizzati per il raffreddamento per conduzione, ad esempio sfruttando una piastra (baseplate) collegata alla struttura del sedile. Per ridurre eventuali perdite di potenza e ottimizzare il raffreddamento, i convertitori di potenza richiedono livelli di efficienza molto alti, con componenti dissipativi collegati direttamente al baseplate (Fig. 1).
Le tecnologie utilizzate nei convertitori ad alta densità di potenza nel settore delle telecomunicazioni, come ad esempio il trasformatore planare, gli elementi per lo scarico termico e, in alcuni casi, pompe di calore, sono state ora adottate in tutta l’industria automobilistica. Per alimentare i sistemi di infotainment usati nelle applicazioni automotive è necessario che i convertitori di potenza siano conformi agli standard internazionali, come ad esempio ISO7637, che definisce le condizioni di test per i disturbi elettrici condotti e di accoppiamento per i veicoli stradali che utilizzano batterie 12V o 24V (Fig. 2). Per tale motivo, le aziende che producono alimentatori devono lavorare a stretto contatto con i produttori di apparecchiature, per garantire che i prodotti finali rispettino le specifiche di conformità previste.
Gestione olistica della flotta
Spesso non si tiene nella dovuta considerazione il fatto che i moderni autobus sono equipaggiati con una vasta gamma di apparecchiature elettroniche avanzate che richiedono alimentatori stabili e sicuri (Fig. 3). Per l’affidabilità e l’ottimizzazione della gestione della flotta, gli autobus di nuova generazione sono dotati di funzionalità di monitoraggio in tempo reale connesse al sistema di navigazione, di condizionamento del motore e della sicurezza di guida, come gli analizzatori di comportamento. Tali sistemi di monitoraggio segnalano costantemente lo stato dei veicoli, permettendo a un coordinatore centrale di gestire la manutenzione preventiva e conoscere l’esatto posizionamento della flotta.
Per motivi di sicurezza, garantire la continuità delle funzioni vitali, è indispensabile in caso venga a mancare l’alimentazione della batteria principale. Per questo motivo è prevista la presenza di batterie locali che necessitano di caricabatteria miniaturizzati. Questi ultimi hanno punti in comune con gli alimentatori utilizzati per i sistemi di infotainment, in quanto sono spesso installati in ambienti confinati. Essi condividono la necessità di garantire un’alta efficienza ed essere realizzati in formati meccanici che permettano di ottimizzare la gestione del raffreddamento per conduzione. Il progetto finalizzato a ridurre potenziali guasti causati da stress termici è di vitale importanza e contribuisce in modo sostanziale all’affidabilità su strada.
I progettisti devono anche prendere in considerazione l’ottimizzazione della ricarica della batteria, misurando alcuni parametri come ad esempio la temperatura della batteria stessa e prevedendo, in alcuni casi, la comunicazione tra il carica batteria e un sistema di controllo centrale. Tali considerazioni devono essere impiegate in modo olistico nel processo di progettazione complessivo, effettuando adeguati confronti con le prestazioni dei prodotti delle precedenti generazioni, basati principalmente sul controllo analogico, e quelle offerte dai dispositivi più recenti, che integrano microcontrollori e funzioni di ottimizzazione della carica in tempo reale. Qualcuno potrebbe sostenere che l’aggiunta di controllo digitale in un micro-caricabatterie è un sovradimensionamento del progetto, mentre altri potrebbero ribattere a tale argomentazione, sostenendo che la tecnologia ha già dimostrato la sua validità in termini di affidabilità e di maggior durata della batteria nel tempo.
Ma al di là delle varie considerazioni , è necessario tener conto del numero di sorgenti di potenza necessarie per fornire tensione stabile e affidabile ai sistemi di infotainment e alle altre apparecchiature elettroniche utilizzate sugli autobus. I costruttori di autobus richiedono in misura sempre maggiore ai produttori che operano nel campo della potenza la disponibilità di convertitori DC/DC standardizzati, caricabatterie, regolatori step-down caratterizzati da semplicità di installazione e di manutenzione e in grado di erogare potenze sempre maggiori per supportare l’evoluzione delle apparecchiature.
Il concetto di “One package to fit all” si è tramutato in realtà e ciò ha comportato l’aggiunta di vincoli meccanici più severi da rispettare nel corso dello sviluppo dell’unità. Per i progettisti di sistemi di potenza, sia la modernizzazione delle flotte di bus sia gli autobus di nuova generazione equipaggiati con sistemi di infotainment e un gran numero di apparecchiature elettroniche avanzate, hanno dato la possibilità di introdurre tecnologie di potenza avanzate in un segmento storicamente “lento” nell’adozione di nuove tecnologie, facendo grandi passi in avanti verso l’implementazione del concetto di Automotive 4.0.