Motori e ‘public utilities’ più efficienti e sostenibili

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Freescale Semiconductor risponde alle sfide nell’automotive e nelle reti di distribuzione di elettricità, gas e acqua promettendo soluzioni ‘easy to use’

Crisi economica, energetica e riscaldamento globale impongono una terza rivoluzione industriale: l’avvertimento di Jeremy Rifkin, presidente di The Foundation on economic trends e su tali temi scrittore e consulente per molti governi e corporation, non lascia dubbi. Per superare le nuove sfide del millennio occorre inventare macchine più efficienti, diffondere su scala mondiale tecnologie evolute per la produzione e distribuzione dell’energia e adottare modelli di business maggiormente agili e flessibili. Aziende e istituzioni di tutti i settori industriali sono al lavoro e anche l’elettronica embedded sembra poter fornire utili contributi in tal senso. Ad esempio nell’automotive, Freescale Semiconductor sta progettando dispositivi embedded di controllo motore per migliorare l’efficienza dei propulsori di nuova generazione e renderli anche più rispettosi dell’ambiente.

Un funzionamento più ecologico è reso obbligatorio dalle più recenti normative anti-inquinamento. Negli anni, spiega Marco Sacchi, senior field application engineer per i prodotti automotive di Freescale, gli standard dei livelli di emissione ammessi per i gas inquinanti (CO, NOx, e così via) definiti dall’Unione europea (Euro1, e così via) per i propulsori a benzina e diesel sono diventati requisiti sempre più difficili da rispettare per i costruttori di autoveicoli. Un lavoro di adeguamento destinato a farsi ancor più duro con l’avvento dello standard Euro6 a partire dal 2014, che fissa a 0,08 g/km per i motori diesel e a 0,06 g/km per quelli a benzina i limiti di emissione degli ossidi di azoto (NOx).

Iniezione diretta
Una soluzione per ridurre gran parte delle emissioni, diminuendo al contempo i consumi di carburante e portando le prestazioni dei motori diesel a livelli comparabili con quelli a benzina, è progettare propulsori a iniezione diretta, che richiedono però un timing molto preciso. Ma, precisa Sacchi, lo svantaggio è la complessità e il costo dei sistema d’iniezione, che opera a pressioni molto elevate (1.800 bar e oltre). Gli iniettori vanno pilotati con elevate tensioni (60-80 V) e correnti (20-26 A), controllati con la precisione di un microsecondo, e dosando la quantità di carburante in qualche millisecondo. Tutto ciò si traduce in requisiti più sofisticati per le electronic control unit (Ecu): più potenza di elaborazione del microcontrollore e maggior quantità di memoria flash e Ram, per riuscire a controllare sistemi più complessi, in cui si devono acquisire più segnali analogici e gestire i diversi tipi di corrente richiesti per motori elettrici e valvole, come nel caso delle elettrovalvole Egr ( Exhaust gas recirculation).

L’architettura delle Mcu MPC5500/5600

I dispositivi su cui Freescale sta puntando per queste applicazioni sono le Mcu delle famiglie MPC5500 e MPC5600, dotate di core e200 basato su Power Architecture e frequenza scalabile fino a 264 MHz. Ma la caratteristica che Sacchi tiene più a evidenziare in questi chip è la presenza di una eTPU (enhanced Time processor unit): si tratta in sostanza di un microprocessore ‘slave’, dotato di 32 canali I/O e dedicato alla gestione di tutti i segnali relativi al timing e all’ ‘angle clock’ implementato in hardware e necessario per la sincronizzazione del sistema di attuazione valvole con la posizione dell’albero motore. La eTpu svolge tali compiti, permettendo così alla Cpu di operare senza interruzioni. Inoltre, tutti i dispositivi della famiglia MPC56xx sono progettati per supportare un sistema di ‘knock detection’, basato su Power Architecture ed eTpu, in grado d’individuare il segnale di un motore che ‘batte in testa’ e di ottimizzare il ciclo di combustione, con risparmi di carburante che possono arrivare fino al 3-5%. La knock detection già integrata rappresenterebbe un vantaggio rispetto ai sistemi convenzionali, in cui solitamente sono richiesti knock chip dedicati.

I dispositivi di controllo motore attualmente qualificati appartengono alla famiglia MPC55xx e sono realizzati in tecnologia a 130 nm. Tuttavia Freescale, al momento in cui scriviamo, dispone già di campioni dei chip MPC56xx, basati sulla tecnologia di processo a 90 nm.

Inoltre, sul versante dell’integrazione di circuiti mixed-signal in chip sempre più miniaturizzati e a basso costo, Freescale sta continuando nello sviluppo della tecnologia proprietaria Smartmos, anch’essa indirizzata ad applicazioni powertrain (controllo motore, trasmissione, alternatore, e così via), nella sicurezza fisica (airbag) e nei sistemi di infotainment a bordo dei veicoli.

Gestire meglio l’energia
I contatori intelligenti sono un’altra area di mercato su cui sta Freescale sta puntando. Gli ‘smart meter’ misurano i consumi di elettricità, gas o altre risorse in maniera più dettagliata di quelli convenzionali, comunicando via rete e consentendo al gestore del servizio di monitorare i profili di consumo. Con Enel in testa, molte public utility si sono date o si stanno dando da fare per rendere più efficienti le loro infrastrutture. Le ‘smart grid’ sono un business di proporzioni mondiali e in forte crescita. Crearle significa prima di tutto svecchiare il datato parco di contatori elettromeccanici, sostituendoli con moderni dispositivi elettronici. Ma significa anche aggiungere più intelligenza nelle reti e nel software, realizzando progetti complessi che richiedono svariate competenze e a cui partecipano le principali società high tech (Ibm, Intel, Cisco Systems, Microsoft, solo per citare alcuni nomi).

A spingere verso le smart grid ci sono da un lato i mandati dei vari governi sulla riduzione delle emissioni inquinanti. Ad esempio, il pacchetto globale di misure approvato dall’Unione europea ha l’obiettivo di ridurre di almeno il 20% i gas a effetto serra entro il 2020 (rispetto ai livelli del 1990), portare la quota delle energie rinnovabili al 20% e diminuire il consumo generale di energia del 20%. Allo stesso tempo, i gestori delle public utility, con l’avvento della deregulation nel settore energia, devono avere infrastrutture di distribuzione più agili, per eliminare o prevenire il formarsi di colli di bottiglia nell’erogazione del servizio causati dai picchi di domanda; per gestire tutte le tipologie di forniture; ma anche per attuare politiche di billing basate sui consumi in determinate fasce orarie, in modo da motivare gli utenti a comportamenti più responsabili.

Nell’area della connettività e delle tecnologie RF oggi utilizzate per la progettazione delle reti Ami (Advanced metering infrastructure) e Amr (Automatic meter reading), Freescale propone prodotti basati su ZigBee ed Ethernet. Alla domanda di chip embedded per realizzare la transizione dai meter elettromeccanici a quelli elettronici, l’azienda risponde con piattaforme per massimizzare la durata delle batterie e l’affidabilità di lettura dei contatori, cioè Mcu ultra-low-power a 8 e 16 bit e dispositivi Adc on-chip veloci e precisi nell’acquisizione ed elaborazione dei dati. Non manca poi l’impegno a fornire prodotti e soluzioni con i requisiti di qualità e ciclo di vita richiesti dal mercato del metering.

Al contempo, nella prospettiva di guidare le infrastrutture delle utility verso una maggior integrazione con le reti di appliance domestiche (frigo, lavatrici, e così via), come membro della Ipso Alliance, Freescale contribuisce alla promozione del protocollo Ip per l’interconnessione di oggetti intelligenti. Un’altra collaborazione è quella con arivus GmbH, per lo sviluppo di soluzioni modem Plc (Power line communications) basate su tecnologia Ofdm (Orthogonal Frequency Division Multiple
xing) e indirizzate alla realizzazione di sistemi di lettura automatica e gestione dell’energia.

Dai contatori wireless agli ‘energy gateway’
La gamma di soluzioni di Freescale spazia dai contatori monofase e trifase, dotati d’interfacce wireless, sistemi anti-tampering e protezione on-chip contro clonazioni o alterazioni del software applicativo, ai data concentrator, in grado di raccogliere i dati dalle reti locali (Lan) di metering e instradarli verso le infrastrutture Wan (Wide are network). L’obiettivo è fornire soluzioni complete e piattaforme facili da utilizzare, grazie a schemi, reference design e demo applicative. Fra le piattaforme, anche gli ‘energy gateway’ per realizzare il networking delle appliance nelle aree residenziali. In Italia, ad esempio, un progetto allo studio è l’opportunità di fornire servizi di monitoraggio in grado di ottimizzare i consumi degli elettrodomestici.

Le piattaforme di Freescale per i data concentrator
 

Giorgio Fusari

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