Le tecnologie chiave per i veicoli elettrici – Il gruppo propulsore elettrico

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Quando i veicoli che utilizzano gruppi di propulsione elettrici supereranno i veicoli alimentati con combustibili fossili, sarà in realtà la seconda volta nella storia che si verificherà un evento del genere. L’interesse verso l’elettrificazione delle carrozze trainate da cavalli risale intorno al 1820, mentre all’inizio del XX secolo i veicoli elettrici rappresentavano un terzo del parco veicoli. New York poteva vantare una flotta composta da oltre 60 taxi elettrici. Ma l’introduzione della Ford Model T, la prima vettura costruita in grande serie alla catena di montaggio e la scoperta di nuovi pozzi di petrolio hanno reso i veicoli alimentati con combustibili fossili più economici da produrre. La fine della prima era della motorizzazione elettrica fu dunque inevitabile e il motore a combustione interna (ICE Internal Combustion Engine) prese il sopravvento. Una sessantina di anni dopo, l’embargo petrolifero decretato dai Paesi arabi associati all’OPEC (l’organizzazione dei Paesi esportatori di petrolio) e l’utilizzo del primo rover con motore elettrico della NASA per l’esplorazione del suolo lunare hanno riacceso l’interesse per i veicoli elettrici. Sfortunatamente le evidenti disparità in termini di densità di energia tra i combustibili fossili e la tecnologia delle batterie allora disponibile, unita al fatto che l’industria dei semiconduttori stava muovendo i primi passi, hanno fortemente penalizzato i veicoli elettrici rispetto ai veicoli con motore a combustione interna.

Nel precedente blog dedicato alle batterie è stato evidenziato che la disponibilità di nuove sostanze chimiche per le batterie ha consentito progressi tali da supportare un’industria dei veicoli elettrici (EV – Electric Vehicle) e ibridi (HV – Hybrid EV) redditizia in termini economici. A questo punto è utile sottolineare che al fine di assicurare la possibilità, per i veicoli, di trasformare la massima quantità possibile di energia immagazzinata in trazione è necessario ricorrere a circuiti elettronici estremamente efficienti. Oggigiorno i veicoli elettrici possono trasferire alle ruote circa il 60% dell’energia immagazzinata dalla batteria, contro il 21% circa dei tradizionali motori a combustione interna.

Implementazione della trazione elettrica

Sono due gli approcci di utilizzo del motore elettrico per azionare un veicolo: il primo prevede un solo motore montato sull’asse del veicolo, insieme alla trasmissione, mentre il secondo contempla un motore integrato direttamente nelle ruote.

Nel primo approccio, un singolo motore su un asse può essere usato per un veicolo a due ruote motrici, mentre due motori (uno per ciascun asse) possono essere impiegati per un veicolo a quattro ruote motrici. Un approccio di questo tipo può essere facilmente accoppiato con la tradizionale tecnologia dei motori a combustione interna per dar vita a un gruppo propulsore ibrido. Soluzioni come Bosch Axle integrano motore, elettronica di potenza e trasmissione in una soluzione compatta e scalabile. Questa unità di trazione, che pesa circa 90 kg e può fornire una potenza compresa tra 50 e 300 kW, con una coppia da 1000 a 6000 Nm, è adatta sia per le autovetture sia per i veicoli commerciali leggeri. La soluzione High Voltage Axle Drive di Continental sfrutta un concetto del tutto simile.

Il secondo metodo, che prevede la presenza di un motore in ciascuna ruota ed è conosciuto come “wheel-hub motor” (motore sul mozzo) è stato adottato da Protean Electric. ProteanDrive Pd18 integra il motore elettrico, il disco del freno e l’elettronica dell’inverter in una soluzione del peso di 36 kg che può essere montata su un cerchione da 18″. Capace di fornire una potenza di picco di 80 kW (60 kW continui) per ciascuna ruota, tale soluzione prevede la distribuzione del peso del veicolo sugli angoli esterni. L’applicazione della trazione a ogni singola ruota inoltre semplifica l’implementazione del controllo dinamico della trazione (torque vectoring) migliorando anche controllo e guidabilità della vettura. Poichè il motore e l’elettronica sono distribuiti nella parte esterna del veicolo, viene liberato parecchio spazio sia nella parte anteriore sia in quella posteriore per ampliare la capacità di carico o posizionare le batterie.

La propulsione mediante motore elettrico utilizza invertitori di commutazione per convertire in modo efficace la tensione della batteria (solitamente attorno ai 400 Vdc) al valore richiesto per la trazione: si tratta di un approccio del tutto analogo a quello utilizzato dagli odierni alimentatori digitali. Poichè il gruppo propulsore è un sistema di tipo safety-critical (ovvero il cui malfunzionamento può produrre danni considerati non accettabili), i componenti utilizzati in ciascun motore devono essere contraddistinti da un elevato grado di affidabilità. I danni che potrebbero derivare quando un veicolo che viaggia nel traffico ad alta velocità perde improvvisamente potenza sono facilmente immaginabili.

Fino a oggi i dispositivi di commutazione sono stati realizzati sfruttando la tecnologia IGBT, in grado di gestire in maniera efficace gli elevati livelli di tensione e di potenza coinvolti in questo tipo di applicazione. Poiché per ottenere efficienze più elevate sono richieste frequenze di commutazione sempre maggiori, gli IGBT stanno iniziando a evidenziare i loro limiti. La tecnologia che prevede l’uso di materiali semiconduttori WBG (Wide Band Gap), come ad esempio il carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide), sta lentamente sostituendo la tecnologia IGBT, grazie a caratteristiche quali on-resistance ridotta, temperature di funzionamento più elevata e basse perdite durante le commutazione transitorie. Il loro uso finora era stato ostacolato da alcune problematiche legate sia all’affidabilità sia alle sollecitazioni che velocità di commutazione più spinte potrebbero provocare sugli avvolgimenti del motore. Il progredire delle conoscenze relative a questa tecnologia dovrebbe comunque consentire di superare agevolmente questi ostacoli.

Nello sviluppo di veicolo commerciali è anche necessario tener  conto delle iniziative di natura ecologica finalizzate a ridurre le emissioni di anidride carbonica. Recenti studi condotti da Siemens hanno portato all’introduzione dell’avvolgimento sopraelevato, conosciuto come sistemi di catenarie, installati su alcune autostrade in tutto il mondo. Lo scopo in questo caso è mettere a disposizione dei camion elettrici un metodo per assorbire potenza elettrica attraverso un pantografo da utilizzare sia per la propulsione sia per la ricarica mentre sono in movimento. Un sistema di questo tipo potrebbe essere realizzato anche sulle strade poste nelle vicinanze dei centri logistici, riducendo in tal modo le emissioni localizzate nelle aree situate tra i parchi industriali e le autstrade delle città. Costruttori come Siemens rendono già disponibili soluzioni di commutazione a IGBT ad alta potenza in package particolarmente robusti come ad esempio PrimePACK™, in grado di resistere alle sollecitazioni di elevatissima intensità di natura sia meccanica sia elettrica tipica di applicazioni di questo tipo.

Da quanto appena esposto si evince sembra che siano stati messi in atto tutti gli accorgimenti necessari per garantire l’affermazione del gruppo propulsore elettrico, che può essere utilizzato tanto per i veicoli passeggeri quanto per tutte le tipologie di veicoli commerciali. I recenti progressi nel campo dell’elettronica di potenza contribuiranno ad aumentare l’autonomia, assicurando nel contempo i livelli di affidabilità e, soprattutto, di sicurezza richiesti. Mentre l’uso dei pantografi potrebbe risolvere i problemi di ricarica dei veicoli commerciali, per gli automobilisti il problema della comodità di rifornimento cui sono abituati con le vetture tradizionali sembra ancora abbastanza lontano dalla soluzione. Gli sviluppi nel campo della ricarica dei motori elettrici finalizzati ad affrontare questa problematica saranno analizzati nel prossimo blog.

Continuate a seguirci per scoprire le tecnologie alla base della rivoluzione introdotta dalle auto elettriche nel nostro prossimo blog: la ricarica

Mark Patrick, Mouser Electronics

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