La progettazione di sistemi complessi deve da sempre tenere in considerazione una moltitudine di vincoli tecnici, tecnologici, ambientali e legislativi. Oggi più che mai un altro vincolo da cui non si può prescindere è quello del rispetto dell’ambiente; per questo motivo le nuove tecnologie sono orientate a trovare soluzioni che soddisfino tale requisito, puntando tutto sull’efficienza energetica, diminuendo sprechi di energia e migliorando i rendimenti del sistema.
E-Mobility
Il tema della mobilità, ovviamente, non è da meno nel coinvolgere un’attenta progettazione indirizzata alla diminuzione di emissioni di anidride carbonica e al rispetto dell’ambiente. Implementazione che vede protagonisti il campo dei motori elettrici e, quindi, dell’elettronica di potenza.
Parlando di mobilità sostenibile, infatti, sono anni che le soluzioni sono indirizzate sulla mobilità elettrica (e-mobility) nelle diverse accezioni di veicoli ibridi (HEV), veicoli ibridi plug-in (PHEV) e veicoli full-electric (EV). Tali mezzi sono ormai dei capolavori dell’ingegneria, in cui elettronica (digitale e di potenza), meccanica ed informatica lavorano di concerto per minimizzare le emissioni di gas incombusti e sincronizzare i due motori nei casi HEV e PHEV, e ottimizzare i consumi gestendo alla perfezione scarica e ricarica degli accumulatori nel caso EV.
Le case costruttrici sono ormai quasi tutte adeguate al mondo elettrico, tant’è che anche nomi storici e consolidati come Audi, Mercedes-Benz o BMW (che devono molto alle motorizzazioni benzina e diesel) hanno immesso sul mercato i loro primi modelli di veicoli elettrici ad alte prestazioni. Ed è proprio il mercato che sta cominciando a dare i primi segni di conversione: il trend è in continua crescita, ed è arrivato a contare circa 6 milioni di veicoli per il trasporto pubblico e di merci, mentre le previsioni parlano di circa 160 milioni di mezzi entro il 2030.
Ad oggi è la Cina a fare da traino, con circa un terzo dei veicoli totali. Anche a livello legislativo, Europa e USA hanno decretato la volontà di una diminuzione delle emissioni di gas serra, il che va a vantaggio dei nuovi veicoli elettrici ed ibridi, e ovviamente delle fonti rinnovabili.
Elettronica di potenza nella E-Mobility
I dispositivi elettronici che sono coinvolti nella trazione elettrica sono svariati.
Nei mezzi di trasporto altamente tecnologici, un aspetto di fondamentale importanza è rivestito dai dispositivi di sicurezza innovativi: una moltitudine di sensori intelligenti è in grado di rilevare ed elaborare dati riguardanti ostacoli, mantenere una velocità preimpostata ed una distanza costante dal veicolo che si ha davanti (ACC – cruise control adattativo), rilevare angoli morti durante un sorpasso, mantenere la corsia (LKAS – lane keeping assistant system) o frenare autonomamente se necessario (BAS – brake assistant system).
Tra i dispositivi di potenza on-board, per quanto riguarda la propulsione, rivestono un ruolo di maggiore rilevanza gli inverter di potenza ed il BMS (Battery Management System), i quali sono costantemente sotto lo studio di progettisti ed ingegneri. Il BMS deve essere in grado di gestire potenze elevate, controllare minuziosamente la temperatura ed i flussi di corrente del pacco batterie, nonchè gestire la ricarica dei freni rigenerativi.
Uno dei dispositivi off-board, che completa il quadro della progettazione, è l’EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment), ovvero il modulo di ricarica, che permette il trasferimento di potenza dalla rete elettrica al veicolo.
EVSE e Smart Charging
Un EVSE è parte di un’infrastruttura più complessa, futuribilmente inserita in una rete di distribuzione intelligente (chiamata Smart Grid) che permette la ricarica elettrica di dispositivi denominati “plug-in” (tra cui, appunto, EV e PHEV).
Un EVSE è composto principalmente da un dispositivo a microprocessore dotato di interfacce di comunicazione, e di un’unità di potenza, che genera l’energia necessaria alla ricarica dei veicoli.
Per permettere maggiore autonomia di percorrenza, se da una parte i veicoli elettrici necessitano di accumulatori con capacità sempre più elevate, dall’altra parte gli EVSE devono garantire tempi di ricarica accettabili.
Questa necessità si traduce inevitabilmente in una erogazione di potenza maggiore, e quindi nel bisogno di progettare e realizzare dispositivi di ricarica che permettano di gestire flussi di corrente estremamente elevati, con tutte le problematiche connesse (dissipazione di calore adeguata, materiali isolanti realizzati ad-hoc per i connettori, cavi ad altissima conducibilità). Parliamo infatti di correnti che vanno da 16 ampere per EVSE domestici, ad impianti che erogano 125 ampere, o addirittura le colonnine di ultima generazione capaci di erogare fino a 350 ampere DC.
Vehicle To Grid
Fino ad un decennio fa la maggior parte delle colonnine di ricarica non erano di tipo Smart charging in quanto il protocollo di controllo di ricarica era basato su circuiteria analogica, poco versatile e limitante rispetto al tipo di applicazione.
Con il tempo i requisiti degli EVSE si sono fatti più complessi, tant’è che si è deciso di affiancare al modulo di ricarica vero e proprio un modulo di controllo di tipo digitale (Supply Equipment Communication Controller o SECC), che permette di implementare numerose features e soddisfare le richieste dei produttori di veicoli elettrici, creando un vero e proprio ecosistema di servizi a contorno.
L’insieme di standard e protocolli che assolvono tale compito sono stati denominati V2G (Vehicle To Grid) e sono esplicitati nella ISO15118 (e derivati), che prevede la comunicazione bidirezionale di messaggi di controllo, così come dell’energia trasferita. Infatti in questa accezione l’energia elettrica può essere trasportata dalla rete all’autoveicolo, e viceversa dall’EV alla rete. Questo permette di ottimizzare la presenza di carica nel pacco batteria, ed anche a riutilizzare l’energia presente negli accumulatori per essere reimmessa nella rete.
Le auto sono parcheggiate per il 90% del tempo, il che significa che l’energia elettrica in esse contenuta in quel momento rimane inutilizzata; l’idea realizzata con il V2G è quella di sfruttare proprio questa carica accumulata per poter far fronte ai picchi di richiesta di energia. Inoltre il V2G ben si integra con i punti di conversione energetica di tipo rinnovabile e non continuativo, come impianti eolici o fotovoltaici: se in un determinato momento c’è scarsità di produzione da parte dell’impianto, la rete può decidere autonomamente di utilizzare gli accumulatori dei veicoli elettrici per tamponare eventuali richieste di energia, così come, se c’è sovrapproduzione, l’energia in più può essere immessa per caricare i veicoli che ne hanno bisogno.
La messaggistica del protocollo V2G prevede molti altri servizi, tra cui l’identificazione automatica del veicolo, l’autorizzazione degli utenti connessi alla rete elettrica, e la differenziazione tra profili tariffari basati su fasce orarie e potenza di ricarica richiesta. I canali di comunicazione fisici previsti tra EV ed EVSE sono di tipo wired (Power Line Communication) o wireless (WLAN).
WBG per Smart Charging
Una delle sfide che gli ingegneri si trovano ad affrontare è sicuramente quella dei dispositivi di potenza da utilizzare negli EVSE. La richiesta di corrente è così elevata che i dispositivi classici, pur supportandola, potrebbero avere problematiche collaterali tali da portare ad un aumento dei costi delle apparecchiature, minando la scalabilità dei prodotti. Si pensi, ad esempio, alla dissipazione di calore dovuta alle alte potenze in gioco, che richiede dissipatori progettati ad-hoc e correttamente dimensionati, rendendo il sistema più costoso, pesante ed ingombrante.
In questo senso la tecnologia è già avanti, e i dispositivi WBG (Wide Band Gap) sono una delle soluzioni plausibili.
Infineon, ad esempio, con la nuova famiglia CoolSiC™, è in grado di gestire potenze elevate fino a 1200 V e 200 A, utilizzando una serie di dispositivi tra cui diodi Schottky, SiC MOSFETs e moduli SiC, tutti pensati e abilitati per applicazioni automotive.
Anche ROHM Semiconductor ha una sua linea di dispositivi ad altissima potenza di tipo WBG, come i moduli MOSFET capaci di frequenze di switching oltre i 100kHz.
Un futuro prossimo
E-Mobility e dispositivi WBG hanno trovato il modo di trainarsi a vicenda, in un connubio perfetto: da un lato gli EV ed EVSE hanno bisogno di nuovi dispositivi ad alta densità di potenza, elevate prestazioni e dimensioni contenute; dall’altro i WBG cercano la spinta giusta per penetrare nel mercato in maniera massiva.
Tanto è già stato standardizzato e realizzato, e tanto ancora manca da fare. I risultati cominciano a vedersi ed il mercato è sempre più proiettato verso soluzioni green e rinnovabili: i presupposti per la realizzazione di una vera Smart Grid che coinvolga tutti gli operatori è ormai il prossimo target da raggiungere, e non siamo poi così lontani.
