Sistemi “mild hybrid” a 48V per le auto del futuro

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Normative su emissioni e consumi sempre più stringenti impongono ai big player del comparto automotive di correre ai ripari: Il dispositivo ISL78226 è un controllore PWM sincrono bidirezionale a 6 fasi per sistemi a 12V/48V espressamente ideato per risolvere le problematiche legate all’implementazione di un “ponte” bidirezionale a elevata potenza tra sistemi operanti a 12 e a 48V

I costruttori automobilistici hanno iniziato a produrre veicoli equipaggiati con i nuovi sotto-sistemi di potenza a 48V (noti anche sotto il nome di “board net”). Il primo annuncio è stato fatto da Audi che, verso la metà del 2016, ha annunciato il modello SQ7 TDI, la prima auto equipaggiata con un sistema a 48V. Quest’ultimo, oltre ad alimentare un compressore elettrico che permette di ridurre il ritardo di risposta del V8 turbodiesel, fornisce potenza ai motorini delle due barre anti-rollio elettromeccaniche che permettono di migliorare la guida e la maneggevolezza dei veicolo. Questa iniziativa che promuovere l’adozione di sistemi a 48 V nelle auto è diventata ora globale. Produttori cinesi come Geely e FAW Group hanno annunciato l’intenzione di introdurre vetture “mild hybrid” (ovvero vetture a propulsione ibrida “leggera” con comparto elettrico – e relativa batteria – di dimensioni e complessità più contenuti rispetto alle ibride e con un prezzo di listino più abbordabili) con sistema a 48V nei prossimi anni, così come FCA. Analoghe intenzioni sono state espresse dalle Case coreane Hyundai e SsangYong.

“Mild hybrid”: il ruolo delle normative

L’adozione di sottosistemi a 48V, anche se penalizza in qualche misura il costo dell’autoveicolo, rappresenta una valida soluzione per ridurre le emissioni di CO₂, nonché migliorare i consumi e la manovrabilità del veicolo.  Le normative prevedono pesanti penalità per i produttori i cui veicoli non risultino conformi alle normative in vigore. Come si può vedere dai grafici riportati in figura 1, i limiti di emissione di CO₂ stanno diventando sempre più severi in tutto il mondo. In Europa, Cina. Corea e negli Stati Uniti i produttori dovranno ridurre le emissioni delle loro flotte di veicoli in misura compresa tra il 22 e il 36% nell’arco del prossimo decennio per soddisfare i limiti imposti dall’attuale legislazione.

figura 2 -Obbiettivi imposti dalla legislazione relativa ai consumi di carburante

 I grafici riportati in figura 2 sono invece relativi agli obiettivi prefissati in termini di  consumi di carburante. Per raggiungerli, i costruttori di automobili devono migliorare i consumi in misura compresa tra il 24 e il 49% nell’arco dei prossimi 10 anni. Nel momento in cui le norme tendono a diventano più severe, aumenta la necessità di effettuare cicli di test in grado di rappresentare nel modo più fedele possibile le condizioni reali di guida. Nel momento in cui migliorano le metodologie di test, diventa sempre più difficile per le Case automobilistiche centrare gli obiettivi imposti dalle normative.

In considerazione delle regole che diventano via via più severe e delle pesanti penalità per i veicoli non conformi, i produttori sono stimolati a sviluppare nuove tecnologie finalizzate alla riduzione delle emissioni di CO₂ e migliorare i consumi. Non può dunque sorprendere la rapidità con la quale stanno adottando i sistemi “mild hybrid” a 48V: grazie ad essi è possibile ridurre le emissioni in misura compresa tra il 10 e il 15% nei modelli più piccoli (riduzione che può arrivare al 20-25% nei modelli più grandi) a fronte di un incremento di costo relativamente contenuto.

Sistema a 48V: una vista dall'”interno”

Come visibile nella foto di apertura, un sistema a 48V risulta composto da alcuni elementi chiave: una batteria a 48V, uno starter/generatore sempre a 48V e un convertitore DC/DC da 12/48V. Solitamente per l’accumulo di energia per questa board net si utilizza una batteria a ioni di litio (Li-Ion). La tecnologia a ioni di litio è quella più utilizzata a causa del suo elevato rapporto tra energia immagazzinata e peso (densità di energia) e delle sua capacità di ricevere energia in tempi brevi, in modo da consentire la realizzazione di sistemi di frenatura rigenerativa efficienti. Lo starter/generatore a 48V sostituisce sia l’alternatore a 12V sia lo starter a 12V. Esso fa avviare il motore e quindi agisce come una dinamo, trasformando l’energia rotazionale del motore a combustione in potenza elettrica. Durante i periodi di frenatura, l’energia cinetica del veicolo fa girare la dinamo e produce una potenza dell’ordine di 12-15W, rallentando nel contempo il veicolo. A secondo della modalità con la quale lo starter/generatore è integrata nel sistema per la trasmissione della potenza (powertrain), esso è anche in grado di fornire una “spinta” o una coppia supplementare in fase di accelerazione. Il convertitore DC/DC bidirezionale da 12/48V è usato per collegare il sottosistema di potenza a 12V con il nuovo sottosistema a 48V. Il convertitore DC/DC da 12/48V fornisce una potenza fino a 3,5W prelevata dal sistema a 48V al sistema a 12V per alimentare l’elettronica a bordo del veicolo. In alcune situazioni, il sottosistema a 12V deve alimentare l’elettronica operante a 48V sempre attraverso il convertitore DC/DC da 12/48V: il trasferimento di potenza è dunque di tipo bidirezionale. Oltre ai tre elementi fin qui menzionati comuni del sottosistema a 48V, è possibile aggiungere altri componenti come ad esempio un compressore elettrico oppure il sistema di stabilizzazione del rollio di tipo elettromeccanico, oltre a vari motori per il supporto di sistemi come pompe dell’acqua e ventole di raffreddamento.

Ridurre le emissioni di CO₂ e i consumi

Come affermato in precedenza, uno dei principali vantaggi che i costruttori di auto possono conseguire con l’adozione di sistemi a 48V è la riduzione delle emissioni di CO₂ e il miglioramento dei consumi di carburante. Un ulteriore beneficio è legato alla disponibilità di uno starter/generatore a 48V che contribuisce a migliorare il funzionamento del sistema start&stop rispetto a un’implementazione standard a 12V.

I costruttori di automobili possono anche conseguire altri importanti vantaggi senza penalizzare la manovrabilità del veicolo: riduzione delle dimensioni del motore e disponibilità di un supercharger a 48V che fornisce un “surplus” di potenza per una migliore accelerazione. Anche i veicoli turbo-compressi con sistema a 12 V fanno uso di motori di dimensioni ridotte per migliorare l’efficienza , ma il fenomeno del turbo-lag (ovvero il ritardo nella risposta che si verifica tra quando viene premuto l’acceleratore e quando è disponibile l’incremento di potenza), intrinseco di un sistema azionato meccanicamente, e la mancanza di “spinta” in corrispondenza di un basso numero di giri del motore non garantiscono una fruizione soddisfacente per il conducente.

Motori più piccoli per una migliore manovrabilità

I costruttori di automobili possono anche conseguire un altro significativo miglioramento senza influenzare la manovrabilità del veicolo riducendo le dimensioni del motore a combustione e aggiungendo un compressore (supercharger) a 48V per fornire un supplemento di potenza in fase di accelerazione. I veicoli sovralimentati con sistema a 12V standard sfruttando anch’essi la riduzione delle dimensioni del motore per migliorare l’efficienza, ma il ritardo nella risposta del turbo (turbo-lag) tipici di un sistema comandato meccanicamente e la mancata disponibilità di un supplemento di potenza a bassi regimi (RPM) non soddisfano sicuramente le aspettative dei guidatori. L’utilizzo di un compressore a 48V garantisce un incremento della potenza praticamente istantaneo indipendentemente dal numero dei giri del motore, eliminando qualsiasi impatto negativo sulla manovrabilità del veicolo. Inoltre esistono indubbi vantaggi, in termini di peso, quando i sistemi a 12V vengono convertiti in sistemi a 48V. Tipicamente i cablaggi che forniscono la potenza possono garantire una riduzione di un fattore pari a 4 della corrente richiesta a parità di potenza fornita, e i motori che utilizzano un sistema a 48V sono caratterizzati da un peso decisamente inferiore rispetto a quelli che adottano un tradizionale sistema a 12V. Un impatto negativo, anche se di lieve entità, è imputabile al peso dei nuovi sistemi a 48V (laddove essi non sostituiscano un sistema a 12V esistente): in ogni caso questo svantaggio non diminuisce i notevoli vantaggi derivati dall’adozione di sistemi a 48V.

Secondo i costruttori di automobili un sistema a 48V, oltre a contribuire a ridurre le emissioni di CO₂ e i consumi di carburante, permetterà ai guidatori di apprezzare i miglioramenti in termini di manovrabilità. Audi ha dimostrato che l’utilizzo di un compressore elettrico a 48V ha permesso di incrementare l’accelerazione in partenza. Il compressore elettrico può arrivare a 70.000 RPM in 250ms provocando un incremento quasi istantaneo della coppia anche a bassi regimi. Con un starter/generatore a 48V il motore si avvia in tempi più brevi e con meno vibrazioni rispetto a uno starter a 12V. Un sistema start-stop che utilizza i 48V evita la percezione di fastidio che alcuni guidatori avvertono per tali sistemi, ritenuti colpevoli di non consentire al guidatore di prendere le necessarie decisioni in pochi secondi, come entrare nel traffico ad alta velocità.

Un controllore DC/DC bidirezionale per sistemi a 12V/48V

figura 4 – Un sistema multifase a 12V/48V in grado di erogare una potenza di 3,5kW

L’unico componente aggiuntivo richiesto per un sistema di alimentazione a 12V/48V è un convertitore DC/DC bidirezionale di potenza relativamente elevata, fino a 3,5kW (si faccia riferimento alla figura 4) che rappresenta in pratica un “ponte” tra i sistemi a 12 e a 48V. In precedenza i convertitori DC/DC erano progettati per funzionare in una sola direzione e la potenza era limitata a poche centinaia di watt, il che rappresentava sicuramente un problema. Il nuovo controllore di Intersil è stato progettato per fornire una conversione DC/DC di tipo bidirezionale tra sottosistemi operanti a tensioni di 12 e 48V, mentre la concezione di tipo scalabile permette di erogare una potenza compresa tra valori inferiori a 1kW a valori superiori a 3,5kW.

Il dispositivo ISL78226 è un controllore PWM sincrono bidirezionale a 6 fasi per sistemi a 12V/48V espressamente ideato per risolvere le problematiche legate all’implementazione di un “ponte” bidirezionale a elevata potenza tra sistemi operanti a 12 e a 48V. Per supportare in modo adeguato questo nuovo requisito i principali fornitori operanti nel settore automobilistico hanno iniziato a realizzare sistemi basandosi su dispositivi esistenti destinati al altre applicazioni. In precedenza si era quindi fatto ricorso a un processore DSP per implementare gli algoritmi legati alla gestione della potenza digitale che potevano essere usati per pilotare uno stadio di conversione di potenza multifase in configurazione a semiponte. Benchè flessibile, questo approccio richiede una conoscenza approfondita della teoria del controllo e implica un supporto ampio e sul lungo termine del firmware. Un altro approccio prevedeva l’abbinamento di due controllori unidirezionali con multiplexer e un microcontrollore per attivare i percorsi appropriati. Questo approccio richiede componenti ridondanti che danno origine a una soluzione finale complessa e di maggiori dimensioni.

ISL78226 è un controllore analogico singolo che esegue una conversione di potenza DC/DC bidirezionale, eliminando in tal modo gli svantaggi tipici di soluzioni alternative. Esso è in grado di controllare un massimo di 6 fasi e modifica automaticamente il numero delle fasi attive per adattarsi al carico richiesto dall’uscita, ottimizzando in tal modo l’efficienza della conversione DC/DC. Un singolo circuito integrato supporta una conversione di potenza fino a 3,75kW, ma è possibile abbinare più dispositivi ISL78226 per gestire un numero maggiore di fasi in presenza di sistema ad alta potenza. Quando utilizzato in parallelo per eseguire conversioni di potenze più elevate, gli integrati coordinano il bilanciamento della corrente fase per fase e la risposta in presenza di anomalie. Nel corso della regolazione della tensione di uscita, il dispositivo bilancia in modo attivo la corrente media che fluisce in ciascuna fase dello stadio di potenza. Ciò contribuisce a equalizzare le perdite ed impedire l’insorgere di “punti caldi” in una delle fasi che si potrebbero comunque verificare nel momento in cui componenti come ad esempio gli induttori sono disaccoppiati.

Oltre a ciò, il dispositivo ISL78226 regola il valore massimo della corrente media per limitare la corrente trasferita in entrambe le dimensioni. Ciò protegge non solo il convertitore DC/DC, ma anche l’intera rete di potenza del veicolo. Esso inoltre consente la carica a corrente costante in tutte quelle applicazioni dove l batteria a 12V o quella a 48V è collegata direttamente all’uscita. Il controllore include anche un’interfaccia digitale per PMBus per il controllo e la diagnostica del sistema, consentendo di raggiungere gli obiettivi in termini di sicurezza funzionale con un livello sufficiente di copertura dei guasti. Il controllore permette inoltre di intraprendere azioni preventive quando le condizioni superino le soglie di allarme mentre nel caso di un guasto o un malfunzionamento di una certa entità, il controllore può essere configurato per consentire al guidatore di far ritorno a casa o di dirigersi verso una vicina stazione di servizio per le riparazioni (Limp-home).

In definitiva si può affermare che i produttori automobilistici sono favorevoli all’adozione di sottosistemi di potenza a 48V e numerosi nuovi modelli stanno facendo la loro apparizione sul mercato. Le ragioni alla base dell’aggiunta di un nuovo bus di potenza sono da ricercarsi nel miglioramento dei consumi e nella riduzione delle emissioni di CO₂, ottenuti mediante un’ibridizzazione “leggera”, oltre a un miglioramento della manovrabilità del veicolo. Con l‘aggiunta di un sistema a 48V i produttori di automobile possono conseguire tutti i loro obiettivi a fronte di un aumento dei costi tutto sommato contenuto. Per questi motivi la diffusione dei veicoli “mild hybrid” potrebbe essere addirittura superiore rispetto a quella dei veicoli completamente ibridi.

Ed Kohler Strategic Marketing Manager (Intersil, a Renesas Company

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