Inoltre, i veicoli completamente elettrici hanno registrato un aumento del 44% su base annua e hanno rappresentato il 16% di tutte le auto vendute in Europa.¹
Questi dati sono positivi per tutti i produttori di veicoli dopo le deludenti vendite registrate nel periodo 2020-2021 a causa della pandemia di COVID-19. La ripresa delle vendite complessive e la crescita significativa delle vendite di veicoli elettrici sono di buon auspicio per il futuro. Permangono tuttavia le preoccupazioni dei consumatori in merito all'infrastruttura di ricarica e all'autonomia della batteria. In risposta, i produttori hanno già avviato la produzione di modelli di veicoli elettrici di seconda generazione che affrontano queste problematiche.

Tendenze che caratterizzano la seconda generazione di veicoli elettrici:
diverse tendenze meritano di essere evidenziate.
1. Tempi di ricarica migliorati e peso del veicolo ridotto. Il peso incide direttamente sull'autonomia di un veicolo elettrico. Pertanto, qualsiasi riduzione del peso del veicolo ne aumenta la capacità di carico e l'autonomia massima.
2. L'eliminazione della tradizionale batteria primaria da 12 V CC è estremamente vantaggiosa in termini di peso. Ora è possibile ridurne le dimensioni o addirittura rimuoverla completamente.
3. L'adozione di un'architettura a zone a 48 V riduce la necessità di cablaggi ingombranti, pesanti e costosi. Anche l'implementazione di un'architettura a 48 V per le apparecchiature secondarie (sedili riscaldati, regolazione dei sedili, ecc.) beneficia della riduzione delle dimensioni e del peso dei cavi.
4. L'aumento della tensione della batteria da 400 V a 800 V sta avvenendo rapidamente. Questa tendenza consente di ridurre il peso dei cavi e i tempi di ricarica, ma richiede la modernizzazione dell'infrastruttura di ricarica per fornire entrambe le tensioni.
È inoltre necessario introdurre altri miglioramenti significativi in ​​termini di sicurezza e affidabilità. Poiché i veicoli elettrici traggono tutta la loro energia da un'unica fonte, come la batteria di trazione ad alta tensione, qualsiasi interruzione è inevitabilmente problematica e potrebbe compromettere la sicurezza. Pertanto, sebbene le comodità possano attrarre i consumatori e incrementare le vendite nell'immediato, la sostenibilità a lungo termine dei veicoli elettrici dipende dai rigorosi protocolli di sicurezza integrati nel veicolo. In un'auto completamente elettrica, le fonti di alimentazione ridondanti sono di fondamentale importanza.

Progettare un'alimentazione ridondante è essenziale per la sicurezza e l'affidabilità.
L'integrazione di una fonte di alimentazione ridondante in un veicolo elettrico garantisce sicurezza e affidabilità per il conducente, i passeggeri e gli altri utenti della strada. L'alimentazione ridondante è necessaria per tre tipi di carichi:
• Sistemi di sterzo, frenata e sensori di sicurezza
• Comunicazione continua tramite la rete del veicolo (bus CAN, Ethernet, ecc.)
• I carichi non essenziali devono essere disconnessi durante situazioni critiche di alimentazione
. Ad esempio, i progettisti dell'architettura di alimentazione di un veicolo elettrico potrebbero creare una fonte di alimentazione a batteria di trazione da 800 V collegando due batterie da 400 V in serie, con ciascuna configurazione di batteria dotata di un convertitore CC/CC separato (da 400 V a 800 V). Questa configurazione (Figura 1) è chiamata sistema duale da 400 V in serie.

Figura 1. Sistema duale da 400 V collegato in serie. Il collegamento in serie di due batterie da 400 V, con convertitori CC/CC separati in un'architettura a cascata, consente di operare a una tensione inferiore e di suddividere il carico in due o più parti (Fonte: Vicor)

Alcuni produttori utilizzano già il sistema a doppia batteria da 400 V in serie per diverse ragioni. La ragione principale è che la ricarica è più semplice con un caricabatterie da 400 V, poiché molti dei caricabatterie pubblici installati non supportano gli 800 V. Tuttavia, i caricabatterie di nuova installazione sono compatibili sia con batterie da 400 V che da 800 V. La seconda ragione è che, se un produttore ha già progettato e certificato una batteria da 400 V, è più rapido e semplice aggiungerne due in serie.
Un altro metodo è la configurazione a doppia batteria da 800 V in parallelo (Figura 2), che prevede l'utilizzo di due batterie da 800 V in parallelo. Anche in questo caso, due convertitori CC/CC separati garantiscono la ridondanza.

Figura 2. Configurazione a doppia batteria da 800 V in parallelo. Questa configurazione opera a una corrente inferiore ed è un metodo più semplice per implementare la ridondanza N+1 (Fonte: Vicor)

Entrambe le configurazioni presentano vantaggi e svantaggi.
Questi sono gli svantaggi derivanti dall'utilizzo di un sistema a doppia batteria da 400 V in serie:
• I convertitori CC/CC da 400 V necessitano di maggiore distanza dalla massa del contenitore perché il convertitore CC/CC superiore è dimensionato per 800 V.
• La presa centrale tra le due batterie da 400 V deve essere accessibile al connettore ad alta tensione.
• Uno squilibrio tra le due batterie da 400 V collegate in serie può causare l'attivazione della protezione da sovratensione da parte del regolatore e l'interruzione dell'alimentazione.
Questi sono i vantaggi del sistema:
• Se una fila si guasta, l'altra subentra nel carico.
• I componenti del sistema operano a tensioni inferiori e sono quindi meno costosi.
• È più facile creare un'uscita a 24 V collegando le due uscite in serie.
Anche la configurazione a doppia batteria da 800 V in parallelo presenta vantaggi e svantaggi.
Vantaggi:
• Offre maggiore stabilità rispetto al sistema a 400 V.
• È più facile da caricare perché la configurazione in parallelo riceve l'intera alimentazione a 800 V. In una configurazione in parallelo, le batterie hanno la stessa tensione, quindi la ricarica risulta più semplice.

Svantaggi:
• Dal punto di vista progettuale, i componenti richiedono una maggiore distanza dall'involucro per la sicurezza contro l'alta tensione.
• Un cortocircuito al potenziale di 800 V spegnerà l'intero sistema.
Sebbene relativamente pochi veicoli utilizzino attualmente una piattaforma a doppia batteria da 800 V, la ridondanza che offre è importante per la sicurezza. Senza di essa, i sistemi più critici dell'auto sono a un solo cortocircuito di distanza da un guasto catastrofico. Le architetture di alimentazione dei veicoli elettrici si stanno muovendo in questa direzione. Affidabilità e sicurezza sono le ragioni principali di questa evoluzione, ma i nuovi caricabatterie sono compatibili sia con 400 V che con 800 V, indicando la tendenza del mercato verso 800 V.
Diversi fattori possono influenzare la scelta tra una configurazione o l'altra, ma nella maggior parte dei casi, la configurazione a doppia batteria da 800 V è preferibile per un semplice motivo: in questo sistema, i moduli di potenza facilitano l'integrazione della ridondanza poiché le batterie sono collegate in parallelo. Ciò consente una connessione secondaria al carico in caso di cortocircuito, proteggendo così il sistema dallo spegnimento completo.
Occorre considerare il peso e l'autonomia, nonché lo spazio fisico necessario per installare due batterie. Sebbene i sistemi di gestione delle batterie richiedano circuiti aggiuntivi, la maggiore sicurezza e affidabilità compensano ampiamente questo inconveniente.

 Le molteplici sfaccettature dell'alimentazione ridondante: qual è la soluzione migliore?
La ridondanza può essere implementata in diversi modi (Figura 3). Il carico può essere condiviso da due o più convertitori CC/CC e un singolo convertitore può subentrare all'intero carico in caso di guasto di uno degli alimentatori o dei convertitori. Progettare un'architettura di alimentazione robusta e affidabile per un veicolo elettrico è un compito complesso. Tuttavia, grazie alla ridondanza, i produttori possono migliorare la sicurezza e l'affidabilità del veicolo e, soprattutto, la fiducia dei consumatori.
La ridondanza può assumere diverse forme. Analizziamo l'intera catena di alimentazione, dalla sorgente al carico, e chiediamoci: se si verificasse un guasto in questo punto o in questa parte del circuito:
• Quali sarebbero le conseguenze?
• Il veicolo continuerebbe a funzionare?
• Quali funzioni verrebbero disabilitate?
L'obiettivo è garantire che il viaggio prosegua o che sia possibile abbandonare la strada in sicurezza.
La ridondanza in un convertitore CC/CC può assumere diverse forme (Figura 3), come N + 0, N + 1, 2N + 1, ecc. Ogni configurazione presenta vantaggi e svantaggi in termini di dimensioni, costi e complessità. È necessaria un'analisi dettagliata del funzionamento per l'architettura di ciascun veicolo.

Figura 3. Diverse combinazioni di architetture ridondanti con i relativi livelli di potenza e strutture di alimentazione in un sistema di propulsione per veicoli elettrici. La configurazione N+1 raggiunge una potenza maggiore e può quindi rappresentare una soluzione più grande e costosa. Da sinistra a destra, la ridondanza migliora e l'alimentazione soddisfa meglio i requisiti di carico, ma aumenta anche il numero di componenti e la complessità del sistema. (Fonte: Vicor)

L'utilizzo di un convertitore DC/DC bidirezionale e la separazione dei carichi del veicolo consentono di trasferire energia da un'area all'altra. Grazie a un regolatore, si ottiene una fonte di alimentazione affidabile per alimentare il carico o persino caricare una batteria.
Tuttavia, l'attuale tecnologia dei convertitori di potenza non è ancora in grado di realizzare convertitori DC/DC sufficientemente piccoli e leggeri da poter installare più unità in parallelo nei veicoli elettrici.

Figura 4. Questo convertitore DC/DC da 4 kW utilizza due Vicor BCM6135 e due DCM3735 (installati sul lato inferiore della scheda) per convertire 800 V in 12 V in un'unità che pesa 0,08 kg e ha un volume di soli 0,8575 l. Può essere configurato come due alimentatori ridondanti da 2 kW o in parallelo con un'altra unità per creare un alimentatore ridondante da 4 kW.

I moduli di potenza BCM® e DCM™ di Vicor facilitano il collegamento in parallelo. Le loro dimensioni ridotte diminuiscono l'ingombro complessivo del convertitore DC/DC, mentre l'efficienza e la densità ne migliorano le prestazioni (Figura 4). Questo, a sua volta, aumenta l'autonomia del veicolo e consente nuove architetture che migliorano la sicurezza.
I moduli di potenza ad alta densità aprono nuove opportunità creative e offrono livelli di prestazioni e scalabilità significativamente superiori rispetto alle soluzioni discrete. I moduli di potenza possono triplicare la densità di potenza, facilitare la scalabilità e gestire transitori più rapidi, consentendo una riduzione della struttura o l'eliminazione della batteria ausiliaria da 12V/48V. Il BCM (Figura 5) riduce la tensione sul lato ad alto potenziale e moltiplica la corrente, fornendo al contempo isolamento in un convertitore ad alta densità di potenza e ad alta efficienza.

Figura 5: Convertitore bus BCM®. I BCM sono moduli convertitori DC/DC isolati a rapporto fisso (non regolato) ad alta densità, alta efficienza e rapporto fisso. Questa famiglia di dispositivi supporta ingressi da 800 V o 400 V a 48 V con vari fattori K per coprire un'ampia gamma di applicazioni. Il BCM offre la massima densità di potenza per la conversione di batterie ad alta tensione in reti a bassa tensione. La famiglia di prodotti BCM si basa sulla tecnologia Sine Amplitude Converter™ di Vicor, che offre un'elevata efficienza in moduli miniaturizzati. Vicor sviluppa BCM per batterie da 400 V o 800 V. I BCM di Vicor possono essere utilizzati in array per soddisfare i requisiti di potenza necessari.

Un gestore di circuiti bilanciati (BCM) è un dispositivo la cui uscita è pari all'ingresso moltiplicato per un fattore K. Ad esempio, se la sorgente è di 800 V in una configurazione in parallelo, il fattore K sarebbe 1/16. Pertanto, la tensione sul lato a basso potenziale è la tensione sul lato ad alto potenziale divisa per 16, e la corrente di uscita è la corrente sul lato ad alto potenziale moltiplicata per 16. Il sistema duale da 400 V collegato in serie utilizza un BCM simile, ma il suo fattore K è 1/8.

Figura 6. Il DCM3735 è un convertitore DC/DC regolato non isolato con un intervallo di ingresso di 35-58 V. Offre un funzionamento a corrente costante per la ricarica delle batterie, è disponibile in un package compatto (36,6 x 35,4 x 7,4 mm) e può essere utilizzato in un array.

Il regolatore DCM3735 preleva la tensione dal BCM e fornisce un'uscita regolata con precisione in grado di caricare un condensatore o una batteria (Figura 6). La combinazione di BCM e DCM offre ai progettisti la flessibilità necessaria per creare reti di alimentazione ridondanti, compatte e leggere per i veicoli elettrici. La tecnologia di Vicor è in grado di fornire 4 kW di potenza da 800 V a 12 V in meno di 0,9 litri. Come mostrato in Figura 4, questo sistema pesa meno di 1 kg e può essere ulteriormente alleggerito eliminando la batteria di backup da 12 V.
I consumatori desiderano acquistare veicoli elettrici, ma molti nutrono delle perplessità; le principali preoccupazioni riguardano l'autonomia e la comodità di ricarica. Non si tratta di problemi facili da risolvere, ma le innovazioni nelle architetture di alimentazione e nella densità di potenza rappresentano un valido aiuto. Le innovazioni in termini di compattezza consentono di risparmiare peso, il che a sua volta può migliorare l'autonomia. Lo sviluppo di nuovi moduli di alimentazione apporta inoltre creatività e soluzioni più semplici per ridurre peso e dimensioni, il che a sua volta può estendere l'autonomia.
Il modulo di alimentazione è fondamentale per aspetti quali autonomia, affidabilità e sicurezza. La sua scalabilità e le dimensioni ridotte offrono un'enorme flessibilità nella progettazione di un sistema di alimentazione. Se combinati con architetture innovative, i moduli di potenza fungono da catalizzatori che accelerano l'adozione a lungo termine dei veicoli elettrici odierni.

Fonti:
Kane, Mark (10 maggio 2023) “Europa: le vendite di auto plug-in hanno subito un'accelerazione a marzo 2023”, INSIDEEVS

Autore: Patrick Kowalyk, ingegnere FAE per il settore automobilistico, Vicor