Caratteristiche come sedili e volanti riscaldati, sistemi di infotainment di alta gamma e sospensioni attive aumentano il fabbisogno energetico del sistema di alimentazione dell'auto. Questo non riguarda solo i marchi di lusso, ma si applica a tutti i modelli.

Per decenni, un alternatore da 12 V è stato sufficiente a soddisfare il fabbisogno elettrico delle automobili. Tuttavia, la tradizionale architettura elettrica automobilistica a 12 V, originariamente progettata per veicoli con motore a combustione interna, si sta rivelando inadeguata a soddisfare le crescenti esigenze dei moderni veicoli elettrici e ibridi. La necessità di aumentare l'efficienza dei consumi, migliorare il recupero energetico e integrare sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e componenti elettrificati sono i principali fattori che guidano lo sviluppo di sistemi di alimentazione in grado di fornire in modo efficiente grandi quantità di energia per supportare il cambio di paradigma verso piattaforme elettriche e ibride.

Migrazione a un sistema di alimentazione a 48 V

Le case automobilistiche stanno compiendo progressi costanti verso la transizione a una rete elettrica a 48 V. L'utilizzo di una rete a 48 V riduce al minimo la dissipazione di potenza dovuta alla resistenza, consentendo la trasmissione di correnti più elevate e migliorando l'erogazione complessiva di potenza. Un'architettura a 48 V, che utilizza cablaggi più sottili, si traduce in un sistema di alimentazione distribuito più leggero, più economico e più facile da installare nel veicolo.

L'adozione di un sistema a 48 V offre i seguenti vantaggi:

• Copre l'aumento del fabbisogno elettrico del veicolo : i veicoli elettrici (EV) e i veicoli ibridi (HV) necessitano di maggiore potenza per la propulsione e i sistemi ausiliari, superando quindi le capacità dei sistemi convenzionali a 12V.
• Recupero di energia : la frenata rigenerativa e altre tecnologie di recupero di energia sono più efficaci in un sistema a 48 V, in quanto migliorano l'efficienza energetica e aumentano l'autonomia dei veicoli elettrici e ibridi.
• emissioni_{di CO2} : il passaggio ai sistemi a 48 V contribuisce ad aumentare l'efficienza del carburante e a ridurre le emissioni di carbonio, in conformità con gli obiettivi ambientali globali.
• Maggiore efficienza : un sistema con una tensione più elevata riduce i livelli di corrente, minimizza le perdite resistive e migliora l'efficienza della distribuzione di energia.

Valutazione di una rete di alimentazione zonale a 48 V

Un sistema ad architettura zonale a 48 V rappresenta un cambio di paradigma per il settore, sfruttando la legge di Ohm: la conversione CC/CC avviene più vicino ai punti di ricarica anziché all'interno di una centralina di controllo. Ciò consente una distribuzione sicura dei 48 V in tutto il veicolo. La conversione da 48 V a 12 V avviene nel punto di ricarica. Trasportando una corrente a 48 V anziché a 12 V, i cavi possono essere più sottili, leggeri ed economici (Figura 1). Questo cavo più piccolo e flessibile è anche più facile da installare nel veicolo. Questo metodo distribuisce inoltre uniformemente le perdite di calore generate dai convertitori CC/CC in tutto il veicolo, consentendo potenzialmente l'utilizzo di sistemi di raffreddamento a conduzione termica e a convezione d'aria montati sul telaio.

Figura 1. Le auto moderne utilizzano due tipi di sistemi elettrici: l'architettura centralizzata a 12 V (a sinistra) e l'architettura zonale a 48 V, in rapida espansione (a destra). La prima si basa su cavi spessi a 12 V, mentre la seconda può utilizzare cavi sottili a 48 V, che sono molto più leggeri, riducono le perdite di calore e trasportano una corrente quattro volte inferiore.

Implementazione di un'architettura di alimentazione zonale a 48 V

L'implementazione dell'architettura zonale a 48V può essere realizzata utilizzando diversi metodi. Ad esempio, nei sistemi mild hybrid, è possibile utilizzare una batteria da 48V in combinazione con la batteria da 12V già presente. Nel caso di veicoli elettrici che utilizzano una o più batterie da 800V o 400V, è possibile utilizzare moduli di potenza per trasformare questa tensione a 48V e creare una batteria simulata o "virtuale" da 48V.

Tesla, come altre grandi aziende, sta adottando questa tecnologia e prevede di introdurre il sistema a 48V su tutta la sua flotta. Il primo modello a farlo è il Cybertruck. Grazie a un'architettura a zone a 48V e a convertitori DC/DC avanzati, la maggiore efficienza di conversione di Tesla contribuisce a ridurre il volume e il peso del cablaggio. Un'architettura a zone a 48V distribuisce 48V in tutto il veicolo e li converte a 12V alle estremità.

Calcolo del risparmio offerto dall'architettura zonale a 48V

L'architettura zonale a 48 V supporta meglio le maggiori esigenze dei veicoli elettrici e riduce il peso del veicolo in tre modi principali.

1. Riduzione del peso dei cavi dell'85%:
   l'aggiornamento a un'architettura zonale a 48 V comporta la sostituzione dei tradizionali cavi a 12 V (4 gauge, 273 g/m) con cavi a 48 V (10 gauge, 27 g/m). Ciò consente di ridurre il peso dei cavi di circa l'85%.
2. Eliminazione della batteria ausiliaria:
   i moduli di potenza in un'architettura zonale offrono una risposta molto rapida ai transitori, consentendo la creazione di una batteria virtuale. Questi moduli di potenza replicano le caratteristiche delle batterie a bassa tensione da 12/48 V, aggiungendo la possibilità di eliminare la batteria fisica da 12 V, riducendo così il peso di 13 kg o più.

Figura 2. La struttura centralizzata può essere ridotta con moduli di potenza e un'architettura zonale, poiché il calore può essere dissipato in modo più efficiente alle estremità durante la conversione di carichi da 48 V a 12 V.

 3. Risparmio del 33% grazie alla riduzione delle dimensioni del case.
La sostituzione di un sistema centralizzato con uno zonale sposta la conversione da 48 V a 12 V dal case ai punti di ricarica. Il nuovo case del sistema di alimentazione per moduli di potenza ad alta densità che forniscono 48 V può essere fino al 33% più piccolo. Di conseguenza, il suo peso può essere ridotto fino a un terzo (33%).

Nel tradizionale sistema centralizzato a 12 V, i componenti discreti aumentano la temperatura ambiente all'interno del case. Il case del sistema di alimentazione con moduli di potenza ad alta densità genera meno calore e i moduli presso il punto di ricarica possono raffreddare efficacemente lo chassis con l'aria. Questi miglioramenti consentono di ridurre il peso del sistema di raffreddamento a liquido di circa il 7%.

I convertitori DC/DC da 48 V a 12 V sono essenziali per ottimizzare una rete di alimentazione zonale a 48 V. Questi moduli di potenza ad alta densità sono compatti, leggeri ed estremamente efficienti. I moduli di potenza ad alta densità di Vicor aiutano i produttori automobilistici a sfruttare i vantaggi dei 48 V riducendo al minimo ingombro e peso. La gamma di prodotti Vicor comprende convertitori a rapporto fisso e regolato per carichi a 48 V e 12 V, operanti in modalità buck o boost. Questi convertitori possono essere installati in un unico alloggiamento o distribuiti in tutto il veicolo per creare una rete di alimentazione a 48 V più compatta e leggera.

Questi moduli, se utilizzati in combinazione con un'architettura zonale decentralizzata, ottimizzano la rete di alimentazione del veicolo.

I moduli di potenza possono ridurre il peso del veicolo fino a 18 kg (Tabella 3). Se questo peso viene sostituito da 18 kg di celle della batteria, l'autonomia del veicolo elettrico può essere aumentata di circa 6.400 km all'anno senza un aumento netto del peso.

Questo è importante perché, ad esempio, secondo la Federal Highway Administration, nel 2023 l'automobilista medio americano ha percorso 23.000 km. Pertanto, un'architettura zonale a 48 V potrebbe aumentare la distanza percorsa annualmente del 28% e ridurre il tempo di ricarica annuale fino al 30% (Figura 4).

Riduzione del peso ottenuta grazie all'architettura zonale

Figura 3. L'utilizzo di un'architettura zonale a 48 V insieme a moduli di potenza ad alta densità riduce fino a 18 kg il peso di un SUV elettrico compatto.

Il desiderio dei consumatori di comfort e stile sta alimentando una crescente domanda di veicoli elettrici. I veicoli elettrici richiedono un consumo energetico più efficiente per soddisfare il fabbisogno elettrico dell'intero veicolo. La tecnologia a 48 V è praticamente l'unica opzione attualmente disponibile per soddisfare questa crescente domanda. Sebbene la conversione comporti un costo, un'architettura a zone a 48 V con moduli di potenza offre vantaggi significativi a lungo termine e garantisce un maggiore ritorno sull'investimento.

30% di tempo di ricarica in meno all'anno

Figura 4. Una maggiore autonomia consente di percorrere più distanza con una singola carica e riduce il numero di ricariche all'anno.

Le architetture zonali più efficienti utilizzano convertitori piccoli e leggeri nel punto di ricarica. I moduli ad alta densità ed efficienza sono la scelta migliore per la conversione da 48 V a 12 V. Vicor, leader nei moduli di potenza ad alte prestazioni, promuove l'innovazione e la creatività. I ​​moduli di potenza compatti, le architetture e le topologie di Vicor offrono alle case automobilistiche soluzioni di alimentazione flessibili e scalabili per la conversione di potenza ad alta tensione dell'intero veicolo.

Nella corsa ai 48V, il Cybertruck di Tesla sta aprendo la strada agli altri produttori. Tesla ha completato con successo la transizione da 12V a 48V e altri seguiranno l'esempio, introducendo miglioramenti lungo il percorso. I moduli di potenza sono facili da installare e offrono un'alternativa ai tradizionali design discreti utilizzati nei sistemi di alimentazione centralizzati. I moduli di potenza ad alta densità sono piccoli e compatti, il che li rende la scelta ovvia e il complemento naturale per un'architettura a zone a 48V, la rete elettrica del futuro per l'industria automobilistica.

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