Elettronica di potenza migliorata per i veicoli elettrici del futuro
Il progetto SCAPE(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, sta adottando un approccio standardizzato, modulare e scalabile ai convertitori di potenza dei veicoli elettrici (EV). La sua soluzione innovativa contribuirà a ridurre i costi, migliorare le prestazioni e abilitare funzionalità avanzate, contribuendo a promuovere l’obiettivo dell’UE di eliminare gradualmente la vendita di veicoli con motore termici nel prossimo decennio. SCAPE punta a raggiungere un’efficienza di conversione dell’energia pari al 97,5 %. Si propone inoltre di raddoppiare la densità di potenza e di dimezzare il costo per kilowatt rispetto agli standard attuali. Questi progressi porterebbero a autonomie di guida maggiori, veicoli elettrici più accessibili e un’industria automobilistica europea più forte.
Modulare e scalabile
Il nuovo approccio progettuale di SCAPE si basa su un sistema modulare e scalabile. Come spiega il ricercatore senior Alber Filba-Martinez del coordinatore del progetto, l’Istituto di ricerca sull’energia della Catalogna, in Spagna, nel suo articolo(si apre in una nuova finestra) pubblicato su «Innovation News Network», il fulcro di questo approccio è qualcosa chiamato «cella di commutazione». Si tratta di un elemento costitutivo di base standardizzato e compatto che incorpora la tecnologia avanzata dei semiconduttori di potenza e circuiti ausiliari. «Più celle di commutazione si interconnettono per formare “gambe del convertitore”, che poi si combinano in convertitori di potenza completi», spiega. Questo approccio modulare rende possibile una scalabilità flessibile, consentendo di utilizzare la stessa tecnologia per diversi tipi di veicoli elettrici, dalle piccole city car ai veicoli pesanti. Sfruttando le economie di scala e riducendo significativamente la complessità ingegneristica, questo approccio potrebbe ridurre notevolmente i costi di produzione. Il progetto prevede inoltre di combinare un inverter di trazione e un caricabatterie di bordo in un’unica unità. Ciò dovrebbe semplificare la progettazione e la produzione dei veicoli, aumentare la capacità del gruppo propulsore, ridurre i costi e aumentare l’affidabilità attraverso la tolleranza ai guasti. L’innovazione di SCAPE si basa anche sulla tecnologia di integrazione del chip, in cui i chip semiconduttori di potenza non vengono montati sulla superficie del circuito stampato, come avviene di norma, ma sono invece integrati all’interno del circuito stampato. Questo approccio «riduce sostanzialmente l’induttanza parassita e migliora la gestione termica, aumentando l’efficienza e la densità di potenza», osserva l’autore. SCAPE ha già sviluppato un primo lotto di celle di commutazione con integrazione del chip. Le convalide sperimentali confermano che la tecnologia funziona con successo anche in condizioni difficili. I risultati mostrano una riduzione del 45 % della resistenza termica tra lo strato barriera e il dissipatore di calore e una riduzione dell’85 % dell’induttanza parassita nel circuito di potenza rispetto a un’implementazione convenzionale. «Pertanto, l’integrazione del chip non solo riduce le dimensioni del convertitore, ma ne migliora anche le prestazioni elettriche e termiche e l’affidabilità», afferma il ricercatore. Per monitorare lo stato di salute generale del sistema, SCAPE ha sviluppato un gemello digitale del gruppo propulsore, ovvero una replica virtuale esatta del sistema fisico, che funziona in parallelo. Il sistema di monitoraggio emette avvisi di manutenzione predittiva e ridistribuisce i carichi tra celle di commutazione, stringhe di convertitori e moduli batteria per mantenere il funzionamento fino all’esecuzione della manutenzione. Esegue inoltre misurazioni online dell’impedenza interna del modulo batteria, un parametro direttamente collegato allo stato di salute della batteria. Consentendo un rapido adattamento della tecnologia a tutte le categorie di veicoli, il design del progetto potrebbe contribuire a creare economie di scala all’interno del mercato europeo e a ridurre al minimo la dipendenza dell’UE da componenti e competenze importate. SCAPE (Switching-Cell-Array-based Power Electronics conversion for future electric vehicles) terminerà nel 2026. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto SCAPE(si apre in una nuova finestra)