di Pat Kowalyk* |
Guarda sotto il cofano di un veicolo elettrico: potresti essere sorpreso di trovare una batteria al piombo da 12V convenzionale o una batteria aggiuntiva da 48V. Perché anche una batteria convenzionale quando c’è già una batteria da 400V o 800V per alimentare i motori?
Oggi le batterie da 12V o 48V sono necessarie per alimentare tutti gli altri sistemi del veicolo, ma aggiungono costi e peso e occupano spazio prezioso. Perché allora non eliminare la batteria da 12 V e utilizzare la batteria da 400 – 800 V per alimentare tutto? La risposta più semplice è che molti sistemi automobilistici, in particolare quelli di sicurezza, devono rispondere rapidamente a improvvisi cambiamenti di potenza e le batterie hanno tempi di risposta molto migliori rispetto ai convertitori di potenza Dc-Dc. Fino a poco tempo fa, quindi, gli ingegneri non avevano opzioni disponibili per convertire in modo sicuro e affidabile 800V o 400V fino ai 48V, o persino 12V senza aggiungere volume o peso indesiderati. Inoltre, i nuovi veicoli elettrici consumano fino a 20 volte più energia (da 3kW a oltre 50kW) rispetto ai motori a combustione, mettondo a dura prova la rete di erogazione della potenza quando si utilizzano così intensamente topologie di convertitori Dc-Dc switching, aumentando l’elettronica di potenza convenzionale, che consuma spazio, aumenta il peso e limita la gamma.
Ma come fornire al meglio la potenza necessaria? Utilizzando i tradizionali convertitori di potenza Dc-Dc, i veicoli elettrici non possono gestire l’aumento di potenza senza compromettere prestazioni e funzionalità. I progressi raggiunti verso l’elettrificazione sono stati guidati dall’aggiunta di batterie sempre più potenti, pesanti e grandi. Gli ultimi modelli propongono batterie da 800V, ma lo stesso veicolo trasporta anche una batteria da 12V e forse anche da 48V. Con lo spazio e il peso del package, ad un prezzo premium, tre batterie appaiono inefficienti e inutili. Laddove gli approcci convenzionali aggiungono batterie, un approccio innovativo ne rimuove una, libera lo spazio del package relativo e riduce il peso, aumentando anche la risposta ai transienti.
Batterie da 12V al capolinea?
La conversione di potenza ad elevate prestazioni è essenziale per poter rimuovere una delle batterie. Più specificatamente, la variabile più importante è la risposta rapida ai transienti da un convertitore. Se un convertitore di potenza ad alte prestazioni è in grado di fornire una risposta rapida uguale o migliore di una batteria da 12V (250 A/ms), la rimozione della batteria da 12V diventa plausibile. Il ruolo più essenziale della batteria da 12V è stato di fornire un serbatoio di alimentazione per carichi che richiedono molta potenza. Il carico tipico in un veicolo avrà due tipi di assorbimento di corrente: uno per l’avvio e uno per il funzionamento allo stato stazionario.
Quando la potenza viene inizialmente applicata a un particolare carico, viene applicata potenza grezza o la potenza è già presente ed è necessario solo un segnale di abilitazione. I carichi che utilizzano la potenza grezza assorbiranno una grande quantità di corrente per caricare un condensatore o attivare un’armatura. Quindi, dopo che il carico viene eccitato, la corrente scende e il carico funziona in modo continuativo. Questo assorbimento di corrente iniziale è ciò che rende la batteria una buona opzione per un veicolo ICE, ma non per un veicolo elettrico in cui il peso influisce sull’autonomia e sulle prestazioni. Ha quindi senso eliminare la pesante batteria al piombo acido o al litio 12V e sostituirla con un convertitore Dc-Dc più leggero, compatto e ad alte prestazioni che offre una risposta transitoria molto veloce.
Batteria 12V vs moduli ad alte prestazioni
La sostituzione della batteria a 12V con un convertitore tradizionale può causare la caduta della tensione di carico, abbastanza bassa da spegnere il carico, causando così un riavvio del veicolo. Un parametro chiave è la deviazione della tensione di carico durante una variazione di corrente rispetto al tempo, indicata come risposta ai transienti: minore è la deviazione di tensione, maggiori sono le prestazioni.
Un approccio di potenza modulare combinato con topologie, come quello SAC (Sine Amplitude Converter) proprietario di Vicor, consente di superare la velocità di rotazione di una batteria al piombo-acido da 12V. Tale approccio può elaborare migliaia di ampere dalla batteria ad alta tensione al carico eliminando eventuali riduzioni o caduta dei carichi fuori controllo. I test mostrano che la potenza modulare può fornire una risposta tre volte più veloce di una tipica batteria da 12V. I produttori di automobili in genere richiedono 250A/ms per i carichi più veloci, che le batterie 12V sono in grado di raggiungere (75A/30µs). L’approccio modulare di Vicor è in grado di fornire una risposta ai transienti più rapida (75A/10µs), creando una “batteria virtuale” che risponde tre volte più velocemente dei 12V.
Da Vicor un convertitore veloce, leggero e piccolo
La potenza modulare combinata con SAC fa parte di ciò che rende questa soluzione ottimale per l’alimentazione automobilistica. SAC ha un rapporto di spire, chiamato fattore K, tra le spire primarie e secondarie. Un vantaggio chiave di questa topologia è che qualsiasi capacità del lato primario viene moltiplicata per il fattore K al quadrato. Per una conversione 12V-to-48V, il fattore K è ¼, il che significa che la capacità secondaria effettiva è quattro al quadrato, o 16 volte la capacità primaria. L’NBM di Vicor è un convertitore ideale per trasferire il carico di energia da una fonte meccanica a una fonte elettrica di energia, che ciclicamente si accende e si spegne, consentendo un migliore controllo e una migliore efficienza. L’NBM in combinazione con il SAC consente di creare una batteria virtuale che replica le proprietà essenziali di una batteria fisica, ma senza i limiti di peso, dimensioni o temperatura di una batteria.
I moduli di potenza Vicor in bundle con filtro Emi, un numero minimale di componenti e un contenitore potrebbero sostituire una batteria al piombo da 12V o agli ioni di litio. Inoltre, invece di avere un’architettura di potenza centralizzata, il progettista può posizionare un NBM nel cruscotto, nel bagagliaio o sulle quattro ruote. Avere la fonte di alimentazione più vicina al carico riduce le induttanze parassite e le resistenze in serie. Lo stesso approccio vale anche per la conversione HV-to-48V che mostrerebbe prestazioni simili, creando una batteria virtuale a 48V. Un’architettura decentralizzata offre una maggiore flessibilità di progettazione e permette di ridurre il cabalaggio. Ha senso utilizzare la batteria del motore di trazione, che è la più grande fonte di energia nel veicolo, per convertire riducendo a diverse tensioni di sicurezza. Un approccio modulare elimina qualsiasi induttanza sull’ingresso o sull’uscita e può elaborare facilmente 700.000 ampere al secondo o 700 ampere al millisecondo. L’NBM in teoria è solo termicamente limitato in termini di capacità di potenza e se adeguatamente raffreddato può elaborare una quantità molto elevata di potenza.
- Pat Kowalyk, Field Application Engineer di Vicor.
