La necessità e consapevolezza diffusa di ridurre le emissioni inquinanti, favorite dal rinnovo degli incentivi statali per l’acquisto di auto nuove a ridotte emissioni di anidride carbonica, stanno comportando cambiamenti radicali nell’industria automobilistica, sempre più orientata verso una progressiva elettrificazione del parco veicoli. Le crescenti quote di mercato raggiunte dai veicoli elettrici (EV) e ibridi plugin (HEV) dimostrano come la transizione verso la mobilità elettrica (e-mobility) sia ormai avviata e prosegua senza soluzione di continuità.
Il ruolo dell’elettronica
Storicamente, i due principali fattori che hanno determinato un certo scetticismo degli utenti nei confronti delle auto elettriche, sono stati la limitata autonomia e il tempo richiesto per completare una ricarica. Grazie agli enormi progressi compiuti nel settore delle tecnologie elettroniche, oggi sono disponibili veicoli EV e HEV con autonomia di diverse centinaia di chilometri e tempi di ricarica che, nella modalità ultrarapida, richiedono soltanto pochi minuti.
NXP Semiconductors, azienda leader di semiconduttori fondata da Philips, offre un ampio ventaglio di soluzioni elettroniche in grado di rispondere alla richiesta di elettrificazione proveniente dal mercato automobilistico. Per i progettisti, le sfide da affrontare sono molteplici, con applicazioni che riguardano il veicolo stesso, l’infrastruttura per la ricarica e la ricerca di tecnologie in grado di fornire batterie sempre più performanti, leggere ed economiche.
Affinché l’elettrificazione dei veicoli raggiunga livelli di adozione di massa, è fondamentale che i consumatori possano disporre di veicoli in grado di offrire prestazioni (soprattutto in termini di autonomia e tempo richiesto per il rifornimento) paragonabili a quelle di un veicolo a combustione interna. NXP aiuta a fornire soluzioni scalabili e sicure che riducono i costi complessivi, estendono l’autonomia e accelerano lo sviluppo dei veicoli elettrici.
Dal sistema di gestione delle batterie al sistema di controllo della trazione, l’obiettivo comune è quello di semplificare la transizione verso la mobilità elettrica offrendo ai produttori di autoveicoli e ai progettisti soluzioni performanti, sicure e affidabili.
In particolare, l’offerta NXP include microprocessori e microcontrollori ad elevate prestazioni, circuiti integrati PMIC per la gestione dell’alimentazione, circuiti per il controllo della batteria (BMS), circuiti driver per i principali bus utilizzati in ambito automotive (CAN, LIN, FlexRay e Ethernet), drive per il controllo motori basati sia sul silicio (IGBT), sia su semiconduttori wide bandgap come il carburo di silicio (SiC) e altro ancora.
Una panoramica delle soluzioni NXP in grado di accelerare l’avanzata dell’e-mobility sono riassunte in Figura 1, dove si può osservare la presenza di bus di alimentazione a 12V, 48V e oltre (400V per le batterie ad elevata tensione), sistemi BMS adatti a gestire batterie agli ioni di litio e batterie SLA, convertitori DC-DC e AC-DC e circuiti per il controllo dei motori elettrici.
In Figura 2 possiamo invece osservare come le diverse funzionalità elettriche ed elettroniche installate a bordo di un EV/HEV possano essere implementate attraverso l’adozione di specifiche soluzioni elettroniche di NXP, suddivise nelle seguenti macroaree:
- MCU: microcontrollori e microprocessori;
- SBC: Single Board Computer, ovvero sistemi embedded che integrano sulla stessa scheda un insieme completo di componenti elettronici (CPU, memoria, periferiche, bus di comunicazione, general purpose I/O e altro ancora);
- COMM: bus e protocolli di comunicazione specifici per il settore automotive (CAN, LIN, FlexRay ed Ethernet);
- Driver: circuiti per il controllo e pilotaggio di motori elettrici e inverter;
- AFE: Analog Front End, ovvero circuiti elettronici analogici di condizionamento del segnale (filtri, raddrizzatori, circuiti di protezione, ecc.).
Circuito di controllo delle batterie
Il BMS, acronimo di Battery Management System, è per importanza uno dei principali circuiti elettronici richiesti per il corretto funzionamento dei veicoli elettrici ed ibridi. Questo sistema deve infatti essere in grado di monitorare parametri critici come tensione, corrente, temperatura, stato di carica delle batterie (indicato con il termine SOC, acronimo di State Of Charge) e bilanciamento delle celle nelle batterie agli ioni di litio. Le funzionalità comuni a ogni sistema BMS possono essere così riassunte:
- Monitoraggio: i parametri elettrici e le grandezze fisiche precedentemente menzionati devono essere continuamente monitorati in modo tale da stimare sia lo stato di carica SOC, sia lo stato operativo della batteria (indicato con il termine SOH, acronimo di State Of Health) durante le fasi di carica e scarica;
- Protezione della batteria: occorre assicurare che la batteria operi sempre all’interno dei range di funzionamento nominali in modo tale da prevenire possibili malfunzionamenti o possibili situazioni di pericolo. Molto importante a questo proposito è il controllo termico, un requisito imprescindibile di ogni sistema BMS. I pacchi di batterie agli ioni di litio che equipaggiano i veicoli elettrici richiedono che la temperatura delle celle sia mantenuta all’interno di un range compreso tra 0 e +45°C durante la carica, mentre durante la scarica il range di temperature è leggermente più esteso, compreso tra circa -20 e +60°C. Il funzionamento al di fuori di questi intervalli di temperatura comporta in genere una minore durata della batteria, una riduzione della sua capacità, o persino il suo completo danneggiamento;
- Ottimizzazione della batteria: l’utilizzo di opportune tecniche di bilanciamento delle celle consente di prolungare la vita utile della batteria e di aumentarne la capacità, aspetti che si riflettono in una maggiore autonomia del veicolo.
Il sistema scalabile di gestione della batteria (BMS) di NXP, utilizzabile sia in ambito automotive, sia nelle applicazioni industriali, offre un’elevata precisione della misura che si mantiene inalterata nel tempo ed è conforme allo standard per la sicurezza funzionale ISO 26262 fino al livello D (ASIL D). La soluzione proposta da NXP è affidabile e sicura, ottimizzata per ridurre al minimo il numero di componenti esterni, integrando BMS, soluzioni per il monitoraggio della scatola di derivazione (junction-box), processori a elevate prestazioni e soluzioni front-end analogiche integrate.
Il progetto di riferimento RD33771CNTREVM di NXP offre una soluzione per la gestione di batterie agli ioni di litio per veicoli EV con architettura BMS mista (centralizzata, oppure distribuita). La scheda, visibile in Figura 3, include quattro dispositivi BCC MC33771C (controllori a 14 canali per celle di batterie agli ioni di litio), controllati da un S32K1 (microcontrollore per impieghi generici).
I dispositivi BCC, in grado di monitorare batterie agli ioni di litio con numero di celle compreso tra 7 e 14, possono comunicare tramite collegamento TPL in daisy-chain, tramite isolamento capacitivo, oppure tramite trasformatore (funzionalità svolte dall’MC33664, un transceiver isolato per reti ad elevata velocità). La scheda, di tipo SBC, è alimentata a 12V ed è in grado di monitorare fino a 56 celle e 24 sensori di temperatura esterni. È inoltre dotata di filtri passa basso, resistori integrati per il bilanciamento delle celle e può essere controllata da un altro sistema BMS, adattandosi così a diverse esigenze implementative.
Inverter di potenza
Nei veicoli elettrici, l’inverter è un componente fondamentale per implementare funzionalità come il controllo della trazione e il sistema di ricarica integrato nel veicolo (OBC). Gli inverter devono fornire potenze elevate (tipicamente comprese tra 80 kW e 200 kW o oltre) al motore elettrico adibito alla trazione, sopportare elevate temperature e avere peso e dimensioni ridotti. A livello operativo, l’inverter converte l’energia delle batterie ad alta tensione (400V) in corrente alternata multifase in grado di azionare il motore di trazione, che notoriamente è un carico induttivo trifase.
I fattori chiave per un inverter sono: elevate efficienza e densità di potenza, dimensioni e peso ridotti e, infine, massimo livello di sicurezza funzionale per proteggere sia l’utente, sia i sistemi elettronici.
Le soluzioni di NXP per l’implementazione di applicazioni di controllo inverter includono MCU multicore con funzionalità lockstep, SBC con uscite fail-safe per il controllo motore, CAN PHY e gate driver isolati ad alta tensione (basati sia sulla tecnologia al silicio sia sul carburo di silicio), tutti in grado di offrire standard di sicurezza funzionale conformi al livello ASIL D.
Per consentire agli sviluppatori di disporre di una solida base per lo sviluppo del proprio sistema, NXP offre piattaforme di sviluppo e prototipazione rapida di facile utilizzo, corredate di applicazioni software per accelerare lo sviluppo degli inverter. Oltre ai componenti elettronici e al software, queste piattaforme di sviluppo includono schemi elettrici, BoM, file di layout del circuito stampato e relativa documentazione.
NXP GreenBox
I veicoli elettrici ed ibridi plugin, oltre a quelli descritti nei precedenti paragrafi, includono altri sistemi elettronici, ognuno dei quali contribuisce a raggiungere un elevato grado di elettrificazione del veicolo. Anche se queste funzionalità (la cui posizione sul veicolo è evidenziata in Figura 4) sono tra loro differenti, tutte presentano il fattore comune di utilizzare componenti elettronici, sia logici sia di potenza, affidabili, a elevata integrazione e conformi agli standard di sicurezza di grado automotive.
Per assistere i progettisti nella delicata fase di transizione verso la completa elettrificazione del parco veicoli, NXP ha appositamente sviluppato GreenBox, una piattaforma di sviluppo in grado di fornire prestazioni avanzate, periferiche e un ecosistema basato su architettura Arm multicore. Concepita per gli ingegneri che iniziano lo sviluppo dei veicoli elettrici ed ibridi di prossima generazione, GreenBox è adatta all’implementazione di funzionalità come BMS, trazione, sospensioni attive, inverter di potenza, convertitori di tensione, nonché supporto per la gestione di motori a combustione interna (ICE).
