Veicoli fuoristrada e mobilità elettrica

I veicoli fuoristrada, “Off-Highway” nel gergo tecnico inglese, sono tutti quei veicoli e mezzi da lavoro che non sono destinate a circolare sulle strade aperte al pubblico.

Ci sono molti esempi di veicoli Off-Highway, si va dai veicoli destinati all’uso in cantieri o aeroporti, alle auto usate sui campi da golf, ma ci sono anche veicoli progettati per essere utilizzati all’interno, come caricatori di pallet, carrelli elevatori e veicoli a guida automatizzata (AGV) utilizzati nei magazzini.

L’elettrificazione dei veicoli Off-Highway

Ci si potrebbe chiedere quale sia il legame fra la mobilità elettrica, che è un concetto nato per autovetture, ed i mezzi da lavoro o fuoristrada. Un aspetto importante da considerare è che i veicoli fuoristrada sono tradizionalmente alimentati da motori a combustione interna e di conseguenza il loro uso è limitato ad aree esterne o ben ventilate.

La richiesta di mezzi privi di emissioni  e che siano anche puliti, rispettosi dell’ambiente ha generato una tendenza crescente a sostituirli con veicoli elettrici (EV). Utilizzare veicoli alimentati con energia elettrica, infatti, permette di abbattere le emissioni di gas nocivi per l’ambiente e se i veicoli elettrici sono interamente ricaricati con energia proveniente da fonti rinnovabili, questi benefici in pratica si raddoppiano.

Se consideriamo anche l’efficienza dell’impiego della fonte energetica, abbiamo che nei motori endotermici solo il 15% dell’energia contenuta nel carburante è convertita in energia meccanica mentre il rendimento di un motore elettrico supera ampiamente l’80%.

In alcune tipologie di mezzi di lavoro, come i trattori agricoli, l’elettrificazione non è limitata alla sola movimentazione del veicolo ma è utilizzata anche per fornire una nuova tipologia di presa di forza. Tradizionalmente i trattori sono dotati di prese di forza, cioè interfacce dove collegare gli accessori da lavoro azionati dal trattore, di tipo meccanico o idraulico. Il passaggio a prese di forza elettrica permetterebbe di raggiungere, per quanto detto, una elevata efficienza, unita anche ad una migliore manovrabilità dovuta all’impiego di motori elettrici.

Per i progettisti ed i produttori che vogliono cimentarsi nell’ambito della e-mobility il settore Off-Highway è molto interessante, sia perché in crescita sia perché in molte applicazioni le normative  sono meno restrittive rispetto all’ambito automobilistico e questo può rendere più semplice realizzare prodotti per entrare in un nuovo mercato. Inoltre le possibili tipologie di mezzi, dagli usi più disparati, ne fanno un mercato dalle molte potenzialità.

Per vincere queste sfide occorrono delle soluzioni che siano facilmente e rapidamente integrabili nei sistemi, cioè bisogna utilizzare dei dispositivi che siano Plug-&-Play per diminuire i tempi di sviluppo e per rendere i prodotti il più possibile user-friendly.

Nella seguente figura sono riportati due esempi di veicoli off-highway che mostrano quanto possano essere tecnologici e quanta elettronica, soprattutto di potenza, sia impiegata.

Figura 1: esempi di mezzi elettrificati

Nell’immagine a sinistra c’è lo schema di un fork-lift in cui è evidenziato il circuito di conversione che collega la batteria di trazione alla batteria di servizio. Come si può notare i servizi, anche su un mezzo di lavoro apparentemente semplice, sono molteplici e richiedono alimentazioni stabili e prive di rumore e, di conseguenza, alimentatori con adeguate prestazioni.

Nell’immagine a destra c’è lo schema del circuito di ricarica di un veicolo a guida automatizzata (AGV). Questi sono tipicamente usati per movimentare colli negli stabilimenti e sono forniti di un sistema di ricarica ad induzione posto sotto il pavimento per agevolarne i movimenti.

Convertitori di potenza per veicoli elettrici

La numerosità degli scenari, ovvero di tipologie di veicoli da elettrificare così come i possibili sistemi elettrici ed elettronici di bordo, richiedono caratteristiche estremamente flessibili per i dispositivi di conversione. Ad esempio un convertitore che preleva energia dalle batterie di trazione per ricaricare le batterie ausiliarie deve avere un elevato range di tensioni ammissibili in ingresso  perché, oltre ad avere tensioni molto più elevate rispetto agli impianti di servizio, le batterie sotto carico possono avere anche un significativo calo di tensione (in fase di trazione, ad esempio) rispetto a quando sono a vuoto e possono anche presentare rapide diminuzioni quando sono scariche.

I convertitori CC/CC Plug & Play per veicoli elettrici sono inoltre soggetti a specifici requisiti dettati dal mercato e dalle norme.

Alcuni requisiti tipici sono:

  • Ampio intervallo di tensione di ingresso CC per batterie di trazione da 48 V, 80 V o 96 V (24 V – 140 V CC)
  • Uscita 13V o 24V DC completamente protetta adatta per la ricarica di batterie al piombo
  • Alta efficienza
  • Montabile su telaio (per supporto e raffreddamento a contatto)
  • Robusta capacità di resistenza agli urti e alle vibrazioni
  • Ampio intervallo di temperature di esercizio (da -30°C a +85°C) con solo raffreddamento della piastra di base senza ventola IP65 o meglio antipolvere e impermeabile, resistente alla corrosione da nebbia salina
  • Protetto contro l’inversione di polarità
  • Connettori plug and play
  • Testato secondo ISO 7637-2: Transitori elettrici condotti da veicoli stradali
  • Certificato EMC secondo EN 12895: Carrelli industriali

Per soddisfare questi requisiti RECOM mette a disposizione una vasta gamma di on-board converters adatti al mercato Off-Highway, in particolare dei DC/DC isolati che garantiscono la separazione elettrica tra il circuito di trazione ad alta tensione ed circuiti ausiliari, per evidenti ragioni di sicurezza.

In particolare sono disponibili, o saranno a breve sul mercato, i seguenti prodotti:

RMOD300/360

Questi convertitori DC/DC sono moduli Plug & Play estremamente robusti da 300 e 360 Watt, che generano un tensione di 24,5V DC isolata rispetto al circuito della batteria di trazione. L’intervallo molto ampio di tensione di ingresso 18-106 V copre tutte le comuni tensioni della batteria in questo segmento fuoristrada.

Figura 2: convertitore RMOD300/360

Le principali caratteristiche sono:

  • Gamma di input extra ampia (6:1): 18-106 V CC (batterie 24/36/48/80/96 V)
  • Uscita singola: 13 V @ 23 A (300 W) o 24,5 V @ 15 A (360 W)
  • Fino al 91,0% di efficienza Isolamento: 2250 V CC/1 minuto
  • Temperatura ambiente da -40 a +75°C, senza declassamento
  • Certificazione UL 62368-1 e EN12895, marcata CE
  • IP67 impermeabile e antipolvere
  • Fan less
  • Connettori Plug & Play con pin di controllo
  • Diodo OR-ing integrato per funzionamento in parallelo o ridondante

RMOD500

Questo convertitore DC/DC è un modulo Plug & Play estremamente robusto da 500 Watt, che genera tensioni di uscita da 12,4 / 13,7 / 24,5 V DC isolate dalla batteria di trazione. L’ampio intervallo di tensione di ingresso 32-96 V copre le comuni tensioni delle batterie da 48 V e 80 V in questo segmento fuoristrada.

Figura 3: convertitore RMOD500

Le principali caratteristiche sono:

  • Ampia gamma di input (3:1): 32-96 V CC (batterie 48/80 V)
  • Uscita singola: 13,7 V @ 36,5 A (500 W) o 24,5 V @ 19 A (500 W)
  • Fino al 91,5% di efficienza Isolamento: 2250 V CC/1 minuto
  • Temperatura ambiente da -40 a +90°C, senza declassamento
  • Certificazione UL 62368-1 e EN12895, marcata CE
  • IP67 impermeabile e antipolvere
  • Fan less
  • Connettore Plug & Play con pin di controllo
  • Diodo OR-ing integrato per funzionamento in parallelo o ridondante

RMOD400 e RMOD600

Questi convertitori sono moduli Plug & Play estremamente robusti che vengono utilizzati per generare una rete di tensione separata galvanicamente dalla batteria di trazione di un veicolo. L’ampio intervallo di tensione di ingresso fino a oltre 120 V CC copre tutte le comuni tensioni della batteria nel segmento dei veicoli fuoristrada.

Figura 4: convertitori RMOD400 e 600
  • Gamma di input extra ampia (fino a 5:1): 1
    • 6-60 V DC (batterie 24/36/48V)
    • 24-125 V CC (batterie 48 V/80/96 V)
  • Uscita singola:
    • 13V @ 30A o 46A
    • 24V @ 15A o 25A
  • Isolamento: 1200 V CA/1 minuto
  • Temperatura ambiente da -30 a +85°C, senza declassamento
  • Certificazione UL 62368-1 e EN12895, marcata CE
  • IP69k impermeabile e antipolvere
  • Fan less
  • Connettori Plug & Play

Conclusioni

I veicoli fuoristrada sono tradizionalmente alimentati da motori a combustione interna, il che ne limita l’uso ad aree esterne o ben ventilate. Tuttavia, c’è una tendenza crescente a sostituirli con versioni elettriche pulite, rispettose dell’ambiente e senza emissioni.

Per supportare questo importante mercato futuro sono necessarie soluzioni Plug & Play per i convertitori CC/CC di bordo per alimentare le apparecchiature ausiliarie e per caricare le batterie a bassa tensione 12V/24V.

Gianluca Angelone
Ingegnere elettronico con la passione per l’elettronica fai da te, Gianluca ha approfondito la sua passione con un Dottorato in Automatica ed un assegno di ricerca post-doc su tecnologie innovative per veicoli a trazione elettrica. Ha iniziato la sua attività professionale in una nota multinazionale nel settore dei semiconduttori, dedicandosi alla prototipazione rapida di algoritmi di controllo per motori diesel common rail. Ha collaborato a vario titolo con aziende come ABB, AnsaldoBreda e STmicroelectronics su progetti relativi a modellistica, simulazione e controllo di circuiti elettronici. Attualmente freelance, si occupa di progetti hardware e firmware per applicazioni IoT, oltre a fornire consulenza come innovation manager.