Per numerose tecnologie “green”, dai veicoli elettrici (EV – Electric Vehicle) alle infrastrutture per la generazione di energia eolica e fotovoltaica, le batterie rappresentano un elemento fondamentale. L’impatto ambientale non è comunque indifferente, in quanto è sempre necessario estrarre le materie prime indispensabili per realizzare le batterie. Per questo motivo sono stati sviluppati dei metodi di accumulo alternativi, come le batterie a stato solido – caratterizzate da una maggiore efficienza – e le batterie gravitazionali. Ma in molte applicazioni, inclusa la mobilità elettrica, non si può ancora fare a meno di utilizzare le batterie al litio.
Strategie di Progettazione per la Riduzione dell’Impatto Ambientale
L’obiettivo da perseguire è quindi individuare le modalità più adatte per minimizzare l’impatto ambientale derivato dall’uso delle batterie. Un’attenta progettazione e un’accurata scelta dei componenti permettono ai sistemi di utilizzare al meglio le batterie, attraverso la riduzione dei consumi e l’ottimizzazione dell’architettura di potenza dei sistemi stessi. Ciò consente di utilizzare batterie di dimensioni inferiori e aumentarne la durata operativa, garantendo migliori prestazioni per gli utenti e riducendo contemporaneamente l’impatto ambientale.
In questo articolo di Mark Patrick, Mouser Electronics, verranno analizzate alcune tra le varie opzioni disponibili che possono aiutare i progettisti a sviluppare design ottimizzati in termini di efficienza operativa e di durata delle batterie.
Tool di sviluppo per batterie
A prima vista, la scelta di una batteria non presenta eccessive difficoltà: i progettisti devono semplicemente calcolare la potenza richiesta per un determinato progetto e individuare il componente che garantisca il miglior mix tra dimensioni, peso, costo e capacità.
Tuttavia, i progettisti possono utilizzare appositi tool di sviluppo per semplificare ulteriormente questo compito e sfruttare al meglio le caratteristiche delle batterie selezionate. Questi tool di sviluppo consentono ai progettisti di incrementare le prestazioni della soluzione finale senza aumentare le dimensioni della batteria o dover procedere a onerose riprogettazioni.
Grazie ai tool di sviluppo i progettisti possono ridurre il consumo di potenza complessivo attraverso l’analisi dei consumi reali dei componenti, con effetti favorevoli sulla durata della batteria e sui consumi.
Esempi di Strumenti di Sviluppo: PPK2 e Otii Arc Pro
Un esempio di tool di questo tipo è Power Profiler Kit II (PPK2) di Nordic Semiconductor (Figura 1). PPK2 mette a disposizione di progettisti hardware e sviluppatori software uno strumento semplice per misurare il consumo di potenza medio e dinamico di sistemi embedded, dando così la possibilità di effettuare il debug relativo all’utilizzo della potenza delle loro soluzioni.
L’ampio intervallo di ingresso dinamico di PPK2 consente di effettuare misure accurate del consumo di corrente sull’intero range delle tipiche applicazioni embedded, solitamente compreso tra 200 nA e 1 A. Esso è in grado di misurare correnti di valore molto basso (tipiche delle modalità di “sleep”) e correnti di valore più elevato (durante il funzionamento), oltre ai picchi di corrente che si verificano in presenza di corto circuiti.
Il tool PPK2 prevede inoltre 8 ingressi digitali che possono essere utilizzati come analizzatore logico di fascia bassa. In questo modo è possibile correlare in modo semplice il consumo di potenza con i blocchi di codice in esecuzione. PPK2 può essere collegato a qualsiasi kit di sviluppo di Nordic o scheda custom come unità indipendente, senza dover ricorrere a ulteriori kit o debugger.
Il Tool di sviluppo Otii Arc Pro di Qoitech
Un altro esempio di tool di sviluppo per batterie è Otii Arc Pro di Qoitech, uno strumento per l’ottimizzazione dell’energia che include tutte le risorse hardware e software necessarie ai progettisti per sfruttare al meglio le batterie.
Otii Arc Pro è un tool multiplo che integra un profilatore di potenza (per la stima dei consumi), un analizzatore di energia in CC, un alimentatore, un multimetro digitale, un’unità SMU (Source Measure Unit) e un debugger di potenza. Esso è in grado di misurare con precisione tensione e corrente e di calcolare la potenza e l’energia, nonché di sincronizzarsi con l’uscita del software. Progettisti e sviluppatori possono così individuare modalità e componenti responsabili degli assorbimenti di energia nei dispositivi sottoposti a collaudo e ottimizzare di conseguenza la durata della batteria.
Otii Arc Pro consente anche ai progettisti di scegliere le batterie in base alle esigenze dei sistemi. Mentre le schede tecniche riportano le informazioni di base circa la capacità tipica delle batterie, il loro comportamento reale è più complesso. Esso è infatti soggetto a variazioni imputabili a diversi fattori, tra cui la potenza assorbita dal carico e la temperatura operativa. Picchi di corrente di elevata intensità, ad esempio, riducono la durata di una batteria a bottone più rapidamente rispetto a un assorbimento prolungato di correnti di intensità più bassa. In questo caso, può risultare utile l’aggiunta di un condensatore in parallelo.
I test condotti da Qoitech hanno evidenziato che, in assenza di ottimizzazione, in media resta inutilizzata una percentuale compresa fra il 30 e il 50% della capacità della batteria. Poiché ogni anno vengono dismesse almeno 15 miliardi di batterie, la riduzione di questo spreco di capacità avrebbe un impatto sicuramente significativo sull’ambiente.
Ridurre i Consumi: Tecnologie e Materiali Innovativi
I progettisti, oltre a scegliere la batteria più idonea, devono realizzare i loro sistemi in modo da minimizzare l’utilizzo di energia. Grazie all’incremento dell’efficienza e alla riduzione dell’utilizzo della potenza, i requisiti ai quali deve soddisfare la batteria del sistema risultano meno onerosi: da qui la possibilità di utilizzare batterie più piccole e leggere, con conseguente riduzione dei costi complessivi.
Per contenere i consumi esistono parecchie tecnologie e numerosi materiali. Per quanto concerne i materiali, uno dei più importanti è sicuramente il carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide), che può essere usato come alternativa al silicio per la realizzazione dei semiconduttori. L’adozione dei dispositivi SiC permette di incrementare le prestazioni dei veicoli elettrici e dei sistemi per la generazione di energia fotovoltaica attraverso il miglioramento dell’efficienza energetica, che permette di fornire più energia a parità di risorse. Rispetto ai MOSFET in silicio, i transistor SiC possono commutare correnti di intensità più elevata e operare a frequenze maggiori.
Negli ultimi anni, la diffusione dei semiconduttori di potenza in carburo di silicio è andata progressivamente aumentando: i vantaggi che la loro adozione comporta superano largamente il costo più elevato rispetto a quello di altre tecnologie. Oltre a una maggiore efficienza, essi sono caratterizzati da densità di potenza più elevate, consentendo lo sviluppo di sistemi di potenza di dimensioni inferiori.
L’Impatto dei Semiconduttori di Potenza in Carburo di Silicio
Per esempio, i MOSFET CoolSiC™ di Infineon Technologies sono caratterizzati da una densità di potenza superiore di un fattore pari a 2,5 rispetto alle soluzioni basate su IGBT in silicio. Uno dei membri di questa linea, il dispositivo IMYH200R100M1H, un MOSFET SiC di tipo “trench” da 2000 V (Figura 2), è adatto per applicazioni quali inverter di stringa, ottimizzatori per impianti fotovoltaici e ricarica di veicoli elettrici. Esso è stato progettato per fornire una maggiore densità di potenza senza penalizzare l’affidabilità anche in presenza di tensioni e frequenze di commutazione elevate.
Per la ricarica dei veicoli elettrici, l’elevata efficienza e le dimensioni compatte dei dispositivi SiC risultano estremamente utili sia per i caricatori presenti a bordo dei veicoli sia per quelli utilizzati nelle stazioni di ricarica. Poiché i dispositivi SiC consentono di ottenere maggiori livelli di efficienza e di utilizzare tensioni di valore più elevato, è possibile ridurre le dimensioni del cablaggio e, di conseguenza, la quantità di rame necessaria.
Conclusioni
Le batterie sono un elemento indispensabile di numerosi prodotti tecnologici. I progettisti, tuttavia, devono prestare particolare attenzione quando specificano e selezionano questi componenti. La scelta deve essere fatta in modo da minimizzare il loro impatto ambientale e da migliorare i progetti dei sistemi grazie alla riduzione dei consumi di potenza e all’aumento della durata delle batterie stesse.
Utilizzando i tool per lo sviluppo di batterie, i progettisti possono scegliere la batteria più idonea e ottimizzare le modalità di utilizzo dell’energia erogata dalla batteria stessa. Scegliendo infine i componenti più idonei, come i semiconduttori in carburo di silicio, essi sono in grado di minimizzare il consumo di potenza dei loro progetti, riducendo in tal modo i requisiti imposti alla batteria.
Articolo a cura di: Mark Patrick, Director of Technical Content for EMEA Mouser Electronics
www.mouser.com
