I marchi automobilistici tradizionali e i nuovi operatori si confronteranno con il mercato in rapida espansione dei veicoli elettrici, e tutti cercheranno di raggiungere questi due obiettivi fondamentali: sicurezza ed efficienza.
- Garantire la massima sicurezza - Prevenire il rischio di lesioni agli occupanti, proteggere il veicolo e salvaguardare la reputazione del produttore.
- Rendere i propri veicoli il più efficienti possibile - In modo che i proprietari possano evitare l'inconveniente di ricariche frequenti e percorrere distanze maggiori.
Tuttavia, il raggiungimento di questi due obiettivi presenta sfide complesse per gli ingegneri incaricati di realizzarli. E ottenere tempi di ricarica sempre più rapidi richiede il passaggio a tensioni più elevate (800 V). Pertanto, a causa di questa crescente complessità, la progettazione del gruppo propulsore di qualsiasi veicolo elettrico moderno è fondamentale. I produttori devono quindi sviluppare capacità di rete di bordo altamente sofisticate con le necessarie funzioni di monitoraggio e diagnostica.
Accesso ai dati essenziali:
i gruppi propulsori elettrici richiedono un'infrastruttura di acquisizione dati ad alte prestazioni per garantirne l'efficienza e la sicurezza. Attraverso questa infrastruttura, i vari elementi del gruppo propulsore vengono costantemente monitorati e qualsiasi indicazione di un problema viene segnalata alla relativa centralina elettronica (ECU), dove vengono intraprese le opportune azioni correttive. Inoltre, come vedremo, le limitazioni imposte alla progettazione dei veicoli elettrici implicano che questa infrastruttura (e i componenti che utilizza) richiedano caratteristiche tecniche specifiche.
Componenti critici di un sistema di propulsione per veicoli elettrici
I sei sistemi principali presenti all'interno o direttamente associati a un sistema di propulsione per veicoli elettrici sono i seguenti:
- Il caricabatterie di bordo (OBC) - Responsabile della ricarica della batteria, che converte la corrente alternata (AC) in una tensione continua (CC) adeguata.
- Il pacco batterie - Dove viene immagazzinata l'energia carica, pronta per essere erogata.
- L'inverter di trazione - Converte la corrente continua (CC) della batteria in corrente alternata (AC), che aziona il motore elettrico del veicolo elettrico.
- Il controller del motore - Dove i circuiti digitali rilevano la forza applicata dal conducente ai pedali del freno e dell'acceleratore del veicolo e la traducono in comandi che determinano variazioni della coppia del motore (per accelerare o decelerare il veicolo).
- Il sistema di gestione della batteria (BMS) monitora vari parametri all'interno del pacco batterie per mantenere il corretto funzionamento di ciascuna cella.
- Il convertitore CC-CC - Per ridurre la tensione della batteria in modo che possa essere utilizzata per altre funzioni (come illuminazione, climatizzazione, infotainment, ecc.).
Il computer di bordo (OBC), il sistema di gestione della batteria (BMS), l'inverter di trazione, l'azionamento del motore e il controller del motore devono trasmettere o ricevere continuamente dati in tempo reale dalle rispettive centraline elettroniche (ECU). Questi dati in tempo reale garantiranno una maggiore efficienza del gruppo propulsore, una maggiore durata del veicolo, una maggiore affidabilità e un livello di sicurezza più elevato.
Dipendenza dai dati nei veicoli elettrici:
è risaputo che i pacchi batteria dei veicoli elettrici sono composti da celle agli ioni di litio e che il potenziale rischio di incendio deve essere preso in considerazione. Pertanto, il monitoraggio costante del sistema è fondamentale. Acquisendo dati in tempo reale dalle celle, come temperatura, tensione e corrente, il sistema di gestione della batteria (BMS) comprende lo stato di salute generale del pacco batteria. In questo modo, si assicura che ogni cella rimanga entro i suoi parametri operativi di sicurezza.
Grazie alle sue numerose funzioni diagnostiche, il BMS può rilevare eventuali problemi all'interno di una determinata cella che potrebbero portare al surriscaldamento e disconnetterla (prevenendo una pericolosa situazione di fuga termica). Tuttavia, se si verifica un problema più grave, che interessa una porzione significativa del pacco batteria, potrebbe essere necessario spegnere completamente il veicolo.
Il BMS può anche gestire il bilanciamento delle celle. La struttura delle celle varia all'interno del pacco batteria, con alcune celle in grado di immagazzinare più carica di altre. Il bilanciamento delle celle significa che la carica è distribuita in modo più uniforme all'interno del pacco batteria, in modo che le celle con prestazioni inferiori durino più a lungo.
Altri componenti, come l'OBC, l'inverter di trazione, ecc., richiedono dati per rispondere rapidamente alle mutevoli condizioni del gruppo propulsore. Come il BMS, necessitano di connettività ad alta velocità per consentire un funzionamento deterministico.
Requisiti essenziali di interconnessione:
l'utilizzo di connettori in qualsiasi applicazione automobilistica richiede diverse caratteristiche essenziali. In primo luogo, lo spazio sarà limitato, quindi le dimensioni dei componenti del connettore devono riflettere questa limitazione, offrendo al contempo un'elevata densità di contatti. Allo stesso tempo, i connettori selezionati devono essere sufficientemente robusti da resistere agli ambienti esigenti delle applicazioni automobilistiche. Devono essere resistenti agli urti, alle vibrazioni e alle alte temperature. Inoltre, sarà necessaria una protezione completa contro l'ingresso di polvere e umidità.
Devono anche supportare elevate velocità di trasmissione dati, in linea con i requisiti delle moderne reti di comunicazione dei veicoli, e mantenere una forte integrità del segnale (nonostante l'ambiente elettromagnetico rumoroso in cui questi connettori saranno posizionati). Inoltre, si raccomandano meccanismi per prevenire errori di accoppiamento durante l'assemblaggio. Infine, la natura sempre più competitiva del settore dei veicoli elettrici implica che i connettori utilizzati debbano avere un prezzo competitivo e non incidere eccessivamente sul costo totale della distinta base.
Soluzione di interconnessione compatta ad alta densità:
diversi produttori hanno progettato Archer Kontrol per i sistemi di propulsione dei loro veicoli elettrici e Harwin si sta affermando con successo in questo settore in crescita. Questi connettori scheda-scheda altamente affidabili sono stati integrati in computer di bordo, controllori motore e inverter di trazione. Forniscono agli ingegneri del settore automobilistico tutte le caratteristiche tecniche essenziali necessarie per l'infrastruttura dati che accompagna i sistemi di propulsione dei veicoli elettrici e, per gli acquirenti, rappresentano una soluzione commercialmente vantaggiosa. Inoltre, le loro dimensioni ridotte, con la possibilità di scegliere tra orientamento verticale e orizzontale, consentono a questi connettori con passo di 1,27 mm di essere installati anche in spazi ristretti.
Figura 1: Connettori Harwin Archer Kontrol con passo da 1,27 mm che supportano 3 Gbps.
Oltre a una temperatura nominale di 125 °C (per resistere al calore all'interno dei moduli del gruppo propulsore), questi componenti offrono un'eccezionale resistenza alle vibrazioni (testati ciclicamente a 10-2.000 Hz, 1,5 mm, 198 m/s² (20G), per 12 ore). Inoltre, grazie alla possibilità di trasmettere a 3 Gbps, supportano facilmente le velocità di trasmissione dati delle reti di comunicazione veicolare basate su Ethernet. Vengono utilizzati contatti in bronzo fosforoso ad alta resistenza con finitura oro/stagno. Questi contatti sono integrati in robusti alloggiamenti in plastica con classificazione UL94V-0 per la resistenza alla fiamma.
I connettori Archer Kontrol sono completamente schermati (per prevenire danni) e dotati di polarizzazione integrata per proteggerli da errori di accoppiamento sulle linee di produzione dei costruttori automobilistici. Le opzioni di altezza di impilamento da 8 mm a 20 mm offrono una maggiore versatilità, consentendo di trovare combinazioni adatte e soddisfare specifici requisiti di progettazione. Inoltre, sono disponibili cavi preassemblati pronti all'uso (nelle lunghezze di 150 mm e 300 mm), con elementi di fissaggio per lo scarico della tensione.
In conclusione:
l'acquisizione e il trasferimento dei dati in tempo reale sono fondamentali per il funzionamento a lungo termine dei veicoli elettrici, garantendo una maggiore efficienza del sistema di propulsione, una maggiore durata della batteria e una sicurezza superiore. Harwin collabora a stretto contatto con molti dei principali produttori mondiali di veicoli elettrici, fornendo loro i connettori necessari per consentire ai loro sistemi di propulsione di raggiungere i massimi livelli di prestazioni possibili. Grazie a questa tecnologia di interconnessione in continua evoluzione e a nuove innovazioni, la prossima generazione di veicoli elettrici sarà in una posizione ancora migliore per soddisfare le aspettative del mercato.
Autore: Giorgio Potenza, Direttore Sviluppo Commerciale per l'area EMEA - Harwin
