L'introduzione dell'architettura di propulsione a 800 V rappresenta un importante passo avanti. Analizziamo le sfide di progettazione e collaudo associate all'architettura di propulsione a 800 V per i veicoli elettrici.
Sfruttare appieno il potenziale dei sistemi a 800 V
L'architettura del sistema di propulsione a 800 V si riferisce all'impianto elettrico di un veicolo elettrico (tipicamente camion e veicoli da costruzione elettrici) che opera a una tensione nominale di 800 volt. Si tratta di un incremento significativo rispetto all'architettura a 400 V attualmente utilizzata nei veicoli elettrici a batteria (BEV). Questi veicoli richiedono tempi di ricarica compresi tra 40 e 120 minuti presso una stazione di ricarica rapida in corrente continua (DCFC) pubblica. Tali tempi sono limitati dalle dimensioni pratiche del cavo necessario per trasportare la corrente richiesta al pacco batterie. I BEV a 800 V rappresentano un'alternativa promettente per raggiungere velocità di ricarica ultra elevate, pari a 350 o 400 kilowatt.
Il passaggio ai veicoli elettrici a batteria da 800 volt (BEV) offre una soluzione all'ansia da autonomia. Raddoppiando la tensione a parità di corrente, si raddoppia di fatto la potenza erogata dal veicolo. Grazie alla possibilità di ricaricare il veicolo il 50% più velocemente (ovvero, con una riduzione del 50% dei tempi di ricarica), questo progresso riduce significativamente le preoccupazioni relative al consumo eccessivo della batteria durante i viaggi prolungati.
Grafico a barre che mostra la crescita della quota di produzione dei sistemi a 800 V tra il 2020 e il 2030. Fonte: ricerche di mercato Yole
Maggiore autonomia dei veicoli elettrici
Di conseguenza, questi veicoli hanno la possibilità di ricaricarsi dal 5% all'80%, equivalente a circa 320 km di autonomia, in meno di 23 minuti. Questo dato contrasta nettamente con i 40-120 minuti generalmente necessari per i sistemi di batterie da 400 V attualmente disponibili.
Inoltre, l'alta tensione consente di erogare la stessa potenza con una corrente inferiore, il che permette l'utilizzo di cavi e connettori di diametro inferiore all'interno del sistema di propulsione, con conseguente riduzione del peso del veicolo elettrico e, in definitiva, una maggiore autonomia a parità di pacco batterie.
Altri vantaggi del passaggio da 400 a 800 volt sono una maggiore efficienza complessiva e una gestione termica più semplice nell'intero sottosistema del gruppo propulsore.
Secondo la società di ricerche di mercato Yole, si prevede che l'industria automobilistica inizierà ad adottare i sistemi a 800 V come soluzione standard entro il 2023. Questo cambiamento è guidato dai numerosi vantaggi menzionati in precedenza, in particolare nel segmento dei veicoli premium, con case automobilistiche come Audi, Porsche, Hyundai e Kia in prima linea negli sforzi di commercializzazione. Sebbene attualmente solo un numero limitato di stazioni di ricarica rapida in corrente continua (DCFC) pubbliche possa sfruttare appieno l'architettura a 800 V, tale numero è in costante aumento e probabilmente non siamo lontani dal vedere la maggior parte delle stazioni DCFC pubbliche operare a 150 kW o più entro i prossimi cinque anni.
Vantaggi termici dei dispositivi a banda larga
Per quanto riguarda gli approcci hardware, l'accento è posto sull'utilizzo di semiconduttori a banda proibita ampia (WBG) come gli interruttori SiC e GaN. Questa scelta è dovuta alle loro rapide capacità di commutazione e all'elevata tolleranza alle alte temperature. Questi componenti funzionano efficacemente a temperature elevate, migliorando l'efficienza e riducendo la distorsione armonica totale (THD). L'ampio intervallo di temperatura operativa dei dispositivi a banda proibita ampia può anche semplificare la progettazione degli inverter e minimizzare la necessità di sistemi di gestione termica. Nella nostra collaborazione con organizzazioni di standardizzazione come JEDEC e IEC, ci concentriamo sugli standard relativi all'analisi di commutazione e alle misurazioni del recupero inverso dei diodi, fondamentali per caratterizzare le prestazioni dei dispositivi a banda proibita ampia.
Gli oscilloscopi svolgono un ruolo cruciale nella validazione
Gli oscilloscopi svolgono un ruolo cruciale nella validazione e nella diagnosi dei problemi relativi ai motori di trazione e agli inverter dei veicoli elettrici. Permettono ai progettisti di raggiungere ambiziosi obiettivi di efficienza. Tuttavia, è fondamentale riconoscere che un oscilloscopio da solo potrebbe non essere sufficiente per tutte queste misurazioni.
Le soluzioni di test e i software di analisi svolgono un ruolo fondamentale. Le sonde di tensione a isolamento ottico aiutano i progettisti a effettuare misurazioni su sistemi di pilotaggio di gate ad alta tensione
Tektronix offre una soluzione di test a doppio impulso (DPT) a banda larga, o test a doppio impulso, sugli oscilloscopi delle serie MSO 4 B, MSO 5 B e MSO 6 B, che aiuta gli ingegneri a ottenere misurazioni accurate e ripetibili sui progetti di convertitori di potenza all'avanguardia.
Software specificamente progettati, come la soluzione IMDA (Inverter Motor Drive Analysis) di Tektronix, completano queste funzionalità consentendo misurazioni trifase per dati PWM e meccanici, migliorando l'utilità complessiva della soluzione.
Per misurare correttamente ampiezze e frequenze nei punti critici, è fondamentale utilizzare sonde dedicate per corrente e tensione. Gli oscilloscopi delle serie MSO 5 e 6 rappresentano una soluzione eccellente per gli ingegneri che progettano i sistemi di propulsione dei veicoli elettrici, offrendo un elevato numero di canali, software di analisi per inverter e diverse opzioni di sonde.
Ingegnere che utilizza l'oscilloscopio a segnali misti Tektronix Serie 5 B per eseguire test sui sistemi di propulsione dei veicoli elettrici.
AUTORE: Denis Solomon, Tektronix
