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SOLUZIONI AD ALTA EFFICIENZA ENERGETICA PER I VEICOLI IBRIDI LEGGERI

Mentre la “corsa” verso una mobilità completamente elettrica continua senza soste, l'industria automotive sta valutando con estrema attenzione le potenzialità offerte dai veicoli che vengono comunemente indicati con l'acronimo MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle, ovvero veicoli “ibridi leggeri” in cui il motore elettrico è di supporto al motore tradizionale), basati su sistemi a 48 V. Nell'arco dei prossimi cinque anni è previsto un incremento in misura pari al 30% del numero di veicoli di questo tipo che circoleranno sulle nostre strade e un gran numero di Case automobilistiche di primo piano già commercializza (o comunque ha pianificato l'introduzione nel breve periodo) veicoli di questo tipo. Secondo alcune stime, dopo il 2025 i veicoli MHEV rappresenteranno il 10% del parco veicoli circolante.

SOLUZIONI AD ALTA EFFICIENZA ENERGETICA PER I VEICOLI IBRIDI LEGGERI

I veicoli MHEV appartengono alla categoria dei veicoli elettrici e vanno a colmare il divario che esiste tra i tradizionali veicoli a combustione interna (ICE – Internal Combustion Engine) e i veicoli elettrici a batteria (BEV - Battery Electric Vehicle), ovvero a sola trazione elettrica.

I vantaggi legati all'utilizzo di una tensione di riferimento di valore ridotto sono numerosi: i sistemi sono complementari ai motori a combustione interna e l'aggiunta di un bus a 48 V supporta la crescente elettrificazione delle varie funzionalità ospitate nel vano motore, come ad esempio le pompe elettriche: senza dimenticare che un sistema a 48 V è classificato come sistema a bassa tensione, per cui non sussistono particolari oneri in termini di cablaggio.

In base a tutte queste considerazioni, il crescente interesse verso i veicoli MHEV appare giustificato, anche tenendo conto del fatto che la loro adozione contribuisce a ridurre le emissioni degli agenti inquinanti prodotte dai tradizionali motori a combustione interna, condizione questa sempre più necessaria per soddisfare, a costi ragionevoli, normative via via più stringenti in termini di tutela ambientale. Ciò contribuisce senza dubbio a stimolare l'adozione su scala sempre più ampia della tecnologia MHEV, senza per questo perdere di vista l'obiettivo finale rappresentato dal passaggio a veicoli completamente elettrici. Un altro vantaggio da non sottovalutare dei veicoli MHEV è rappresentato dal fatto che non richiedono una sorgente di potenza elettrica esterna: si tratta di un sistema autonomo ad auto-ricarica utilizzato per fornire una potenza aggiuntiva quando il motore a combustione interna si trova a operare in condizioni gravose (ad esempio durante la partenza). In questo modo è possibile ottenere una riduzione dei consumi e, di conseguenza, delle emissioni di gas serra. In base ad alcune stime, la tecnologia “mild hybrid” permette di abbattere fino al 10% il livello di emissioni.

Implementare la tecnologia “mild-hybrid”

Come accennato poco sopra, i veicoli MHEV utilizzano un motore elettrico per supportare il motore a combustione interna tradizionale e non per la trazione del veicolo, come invece accade per i veicoli completamente elettrici. Ciò non significa che il motore a combustione interna debba essere sempre in funzione in quanto, nei veicoli più recenti, il motore elettrico può fornire la trazione necessaria, anche se per un periodo di tempo limitato e a bassa velocità, in funzione della topologia. Nel momento in cui il veicolo è in fase di decelerazione o di frenata, il motore commuta la sua modalità di funzionamento (recuperando energia) agendo quindi come generatore per caricare la batteria a 48 V. Grazie alla costante evoluzione della tecnologia di base e all'aumento della potenza d'uscita dei motori utilizzati, destinata a superare i 15 kW per approssimarsi a 30 kW, la tecnologia “mild-hybrid” sarà in grado di sfruttare in maniera ottimizzata la potenza complessiva erogata.

Per i produttori esistono alcune opzioni per implementare la tecnologia MHEV sulla trasmissione di un motore a combustione interna. L'approccio utilizzato dalla maggior parte delle Case automobilistiche prevede il collegamento del motore elettrico all'albero motore tramite una trasmissione a cinghia, sul lato motore del cambio. Ciò significa che il motore elettrico ruota alla medesima velocità dell'albero motore, invece che a quella dell'albero di trasmissione. Il motore, inoltre, può essere isolato dall'albero di trasmissione attraverso una frizione, così come accade nel caso del classico motore a combustione interna.


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Fig. 2 – Le principali configurazioni dei sistemi MHEV

Un'architettura di questo tipo viene definita configurazione BSG (Belt Starter Generator) di tipo P0 (Fig. 1). Ciò indica che il motore, come poco sopra accennato, è collegato all'albero motore attraverso una cinghia e può essere utilizzato per l'avviamento del motore in un sistema start/stop invece di far ricorso al bus a 12 V e al tradizionale motorino di avviamento. In questo caso il vantaggio è derivato dal fatto che la maggior coppia assicura una migliore fluidità di guida, in quanto il motore riparte in tempi più brevi. Inoltre, poiché il motore a 48 V è anche utilizzato per caricare la batteria a 48 V, si comporta anche come generatore.

Nella maggior parte dei sistemi il bus a 48 V è disponibile in aggiunta al sistema a 12 V esistente e questo significa che a bordo del veicolo è ancora presente una batteria da 12 V. Il sistema a 48 V è solitamente in grado di fornire potenza al sistema a 12 V attraverso un convertitore DC-DC, fattore questo che va tenuto nella debita considerazione.

Sistemi MHEV: i blocchi base
In un veicolo MHEV i sistemi elettrici sono alimentati da entrambi i bus di tensione. Il bus a 12 V si occupa dei sistemi a bassa potenza (come ad esempio l’illuminazione interna), mentre il bus a 48 V è riservato ai motori elettrici di potenza più elevata, come quelli che vengono attualmente utilizzati per il servosterzo, il sistema per il condizionamento dell’aria e le sospensioni adattative, oltre che per alimentare il motore collegato alla trasmissione. Sebbene l’uso di una tensione di bus di 48 V nei veicoli non rappresenti una novità assoluta, il rinnovato interesse deriva dal fatto che un tale approccio consente di ridurre le emissioni di CO2 a un costo inferiore rispetto a quello di un veicolo completamente elettrico.

I sistemi elettrici coinvolti comprendono solitamente un convertitore DC-DC, come accennato appena sopra, per collegare i due bus. Nel caso si utilizzi un motore a induzione in alternata (AC) è necessario prevedere la presenza di un inverter (Fig. 3). Poiché i sistemi MHEV non sono di tipo plug-in (ovvero non prevedono il collegamento a una fonte esterna per la ricarica delle batterie), non è richiesto un circuito di ricarica a bordo anche se alcuni sviluppi in quest’area potrebbero portare alla realizzazione di veicoli completamente ibridi basati su sistemi a 48 V.


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Fig. 3 – Un sistema a 48 V/12 V con inverter AC-DC (fonte: Yole)

Azienda focalizzata sullo sviluppo di soluzioni per i settori automotive e della potenza, ON Semiconductor® si trova nella posizione ideale per soddisfare al meglio tutte le esigenze delle applicazioni MHEV a 48V. I miglioramenti che si possono ottenere in termini di riduzione dei consumi sono strettamente correlati a ogni aspetto del progetto del sistema, comprese le prestazioni elettriche, le dimensioni e il peso dei componenti usati per la conversione DC-DC. Grazie all’ampia gamma di MOSFET ospitati in package di piccole dimensioni e caratterizzati da tensioni nominali superiori a 80 V, è possibile realizzare soluzioni più compatte e ridurre i costi del sistema, pur garantendo le elevate prestazioni dal punto di vista termico richieste dai produttori che operano in ambito automotive. L’efficienza elettrica è un aspetto critico in queste applicazioni che è direttamente correlata al valore di on-resistance (ovvero la resistenza tra source e drain nello stato di ON) dei transistor usati per la commutazione, che influisce sulle perdite per conduzione del sistema. Un’altra importante figura di merito è senza dubbio la velocità di commutazione dei transistor che ha anch’essa un impatto sulle perdite di potenza complessive. ON Semiconductor è sicuramente un’azienda di riferimento in questo settore e la sua proposta, completata da soluzioni avanzate per il pilotaggio del gate, rende possibile la realizzazione di topologie di potenza ottimizzate.

I moduli APM (Automotive Power Module) disponibili in configurazioni a ponte intero (full bridge) e a semiponte (half-bridge) o come inverter trifase integrato sono un altro esempio del know-how maturato da ON Semiconductor. Questi moduli sono ospitati in package realizzato mediante un processo di “transfer moulding” (TM, ovvero stampaggio per trasferimento) con substrato in rame a contatto diretto (DBC - Direct Bonded Copper) che garantisce elevata affidabilità con bassa resistenza termica in modo da resistere egregiamente alle vibrazioni e alle sollecitazioni di natura meccanica che tipicamente si riscontrano in un veicolo. Poiché tali moduli sono stati esplicitamente concepiti per l’uso in applicazioni automotive, la loro adozione semplifica notevolmente la realizzazione dei blocchi base dei sistemi MHEV. Un ulteriore vantaggio legato all’utilizzo dei moduli APM di ON Semiconductor è l’elevato livello di densità di potenza che sono in grado di offrire a fronte di ingombri ridotti: ciò contribuisce a ridurre il peso totale del sistema, diminuendo di conseguenza il lavoro del motore con riflessi favorevoli sulle emissioni.

Oltre ai transistor e ai moduli di potenza, ON Semiconductor mette a disposizione tutti i componenti complementari necessari, dagli amplificatori operazionali agli isolatori digitali ad alta velocità, agli eFuse fino ad arrivare ai transceiver utilizzati per le reti a bordo dei veicoli.

Considerazioni conclusive

La decisione di adottare la tecnologia “mild hybrid” dovrebbe risultare relativamente semplice per i produttori automobilistici, considerando il fatto che è in grado di offrire gran parte dei benefici di un sistema full-hybrid (in misura stimata pari al 70%) a fronte di un aumento dei costi del 30% in funzione della topologia. Senza dimenticare che tali sistemi sono stati progettati per operare come supporto di un tradizionale motore a combustione interna, per cui non danno adito alle preoccupazioni tipiche degli utenti di vetture elettriche, come la ben nota “range anxiety” (ovvero l’ansia da autonomia). Dal punto di vista dei consumatori, il passaggio a un veicolo ibrido leggero non comporta nessun impatto degno di nota, a parte gli innegabili vantaggi legati alla riduzione sia delle emissioni sia del consumo di carburante.

Nel momento in cui sempre più nazioni dei vari Continenti (Americhe, Asia ed Europa) emanano normative finalizzate a ridurre le emissioni, i produttori di automobili devono adeguarsi realizzando veicoli in grado di abbinare emissioni ridotte e diminuzione dei consumi di carburante: obiettivi questi pienamente raggiungibili con la tecnologia MHEV. Un sistema “mild-hybrid” a 48 V è sicuramente alla portata di parecchie Case automobilistiche e le aspettative di una diffusione su larga scala di questa tecnologia nel breve periodo sono sicuramente alte.

Grazie al suo ampio portafoglio di soluzioni di potenza ottimizzate per applicazioni automotive, ON Semiconductor si trova nella posizione ideale per soddisfare la richiesta proveniente dal mondo industriale di sviluppare soluzioni efficienti sotto il profilo energetico. L’attenzione della società si è estesa anche alla tecnologia MHEV e ON Semiconductor ha già acquisito una comprovata esperienza nella fornitura delle soluzioni necessarie all’industria automobilistica per realizzare veicoli ibridi leggeri.

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