Având în vedere că multe țări vor să interzică vânzarea de vehicule noi echipate cu motoare pe benzină și diesel începând cu anul 2030, dezvoltarea vehiculelor electrice (EV) va înregistra o creștere extraordinară. Această situație generează necesitatea unor modele EV mai eficiente și mai rentabile, cu o autonomie mai mare și costuri mai mici, pentru a încuraja consumatorii să facă trecerea. Cu toate acestea, impactul general al vehiculelor electrice (EV) asupra lumii este subestimat. Tendința este de a crede că tranziția va fi la fel de ușoară ca și cum ai schimba rezervoarele și motoarele pe benzină cu baterii și motoare electrice, însă realitatea este mult mai complexă.
Tehnologii emergente pentru grupul motopropulsor
Noile tehnologii MOSFET de putere reprezintă un element cheie al trecerii către regimul de operare electrică al invertoarelor de tracțiune pentru vehiculele electrice, cu scopul de a susține o eficiență sporită și tensiuni mai mari. Se vorbește mult despre utilizarea noilor tehnologii cu bandă interzisă largă (WBG − Wide Bandgap), cum ar fi carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN) pentru grupul motopropulsor al vehiculelor electrice. Apar noi modele SiC pentru a satisface cerințele tot mai mari de putere ridicată pentru vehiculele electrice. Tehnologia GaN este în creștere, dar mai trebuie, în continuare, să câștige încredere în fiabilitatea dovedită și să determine scăderea prețurilor pentru a pătrunde pe piața invertoarelor pentru vehicule electrice. Atât SiC, cât și GaN sunt mai scumpe decât soluțiile tradiționale, dar oferă caracteristici convingătoare, cum ar fi o eficiență mai mare datorită pierderilor de comutare mai mici, precum și dimensiuni și greutate mai reduse ale sistemului, grație frecvențelor de comutare mai mari și sistemelor de răcire mai mici. Proiectele cu aceste noi tehnologii se pot dovedi mai complicate în vederea asigurării unei funcționări sigure și robuste. Probabil că va exista o tranziție îndelungată de la dispozitivele de putere pe siliciu la tehnologiile emergente, soluțiile convenționale fiind în continuare utilizate în aplicațiile cu costuri mai sensibile.
Creșterea tensiunilor în cazul încărcătoarelor de bord
În viitor, se va da o bătălie tehnologică extraordinară în ceea ce privește încărcătoarele de la bord (OBC − On-board Chargers), utilizate pentru a reîncărca bateria de tracțiune de înaltă tensiune de la rețeaua electrică, în timp ce vehiculul este parcat. Există o mare tendință de trecere de la sistemele de 400V la cele de 800V, ceea ce avantajează tehnologia SiC, dar viteza de comutare superioară a GaN face ca încărcătorul să fie mai eficient. În cele din urmă, ambele tehnologii vor câștiga, probabil, în diferite părți ale lumii și ambele vor coexista. Ceea ce este sigur, însă, este că tensiunile pentru încărcarea vehiculelor electrice vor continua să crească. Noua tehnologie dezvoltată, acum, pentru stațiile de încărcare de mare putere va ajunge, ulterior, la încărcătoarele de la bord pentru a accelera timpul de încărcare.
Valorificarea conceptelor utilizate în centrele de date
O mare parte din expertiza pentru proiectarea sistemelor de alimentare provine din industria centrelor de date. Proiectanții pot profita de topologiile dezvoltate pentru centrele de date de mare anvergură, pot adăuga siguranță funcțională și securitate și pot realiza un încărcător sau un convertor DC-DC de la 48V la 400V sau 800V destul de bun pentru sistemul de alimentare. Cea mai mare diferență între proiectarea pentru un centru de date și cea pentru alimentarea unui vehicul electric este că abordarea pentru centrele de date, care utilizează dispozitive dsPIC33, folosește o buclă de control digitală, mai degrabă decât filtre analogice și o buclă de reacție. Acest lucru permite o proiectare a platformei în domeniul digital, care detectează tensiunea și curentul de ieșire, convertește în digital, apoi ajustează PWM-ul pentru a comanda toate FET-urile de putere cu bucle de reacție cu latență redusă. Această expertiză din centrele de date a fost cea care a contribuit la controlul complexității cerințelor pentru o putere mai mare în vehiculele electrice. Pentru a asocia un controler de semnal digital cu dispozitive cu comutație de mare viteză GaN este necesară o performanță de 250 MHz, iar obiectivele strategice controlerului nostru dsPIC33 au fost gândite pentru a satisface această nevoie în viitorul apropiat. În plus, oferta dsPIC33 include controlere multi-nucleu pentru a separa algoritmii optimizați de control de restul software-ului necesar pentru aplicațiile EV. Caracteristici cum ar fi cerințele pentru automobile, siguranța funcțională, straturile de abstractizare, driverele și Autosar conduc rapid la cerințe de memorie de peste 1MB, cu un avantaj clar pentru dispozitivele multi-nucleu care utilizează un nucleu pentru bucla de control și un alt nucleu pentru funcțiile legate de automobile/întreținere. Aceste cerințe atrag după sine cipuri de controlere mai complexe, cu instrumente software asociate și cu un suport de siguranță ASIL de nivel corespunzător, pentru a sprijini proiectanții de sisteme EV.
Infrastructura de încărcare
Implicațiile mai largi provocate de popularitatea tot mai mare a vehiculelor electrice nu se limitează la mașinile în sine. Întreaga infrastructură a rețelei electrice va trebui să se schimbe. Vom asista la dezvoltarea unei energii mai sustenabile și a unor micro-rețele locale de distribuție amplasate în diverse zone unde nu ar fi posibilă dublarea cantității de energie electrică provenită de la furnizori, astfel încât consumatorii vor genera o parte din energie acasă, prin intermediul energiei solare sau prin alte mijloace.
Datorită mobilității unor cantități importante de energie pentru a permite încărcarea rapidă, este posibil să fie introduse modele de afaceri la care nu ne-am gândit încă. Poate că, în loc ca fiecare locuință să dispună de posibilități de încărcare rapidă, vom asista la un schimb rapid de baterii, lăsând mai mult timp pentru încărcarea completă a bateriei “de rezervă”.
S-ar putea ca, pe termen lung, încărcarea să fie generalizată și să nu mai avem nevoie atât de mult de baterii. În Coreea și Suedia există deja bobine inductive încorporate în drumuri pentru a încărca un vehicul în timp ce acesta circulă. Astfel, se reduc dimensiunile bateriei și cerințele de putere, diminuând cererea de încărcătoare.
Concluzie
Având în vedere că vehiculele electrice vor deveni tendința dominantă în domeniul transporturilor în următorul deceniu, furnizorii de tehnologie sunt foarte atenți la arhitecturile de sistem pe care le folosesc dezvoltatorii. Dispozitivele flexibile, care oferă performanțele necesare generației următoare, vor fi esențiale pentru a permite inovarea pe măsură ce piața EV se extinde. Totuși, trebuie să se acorde o atenție deosebită și inovării în ceea ce privește proiectarea infrastructurii, atât în cazul sistemelor de încărcare de-a lungul drumurilor, cât și al celor încorporate, pentru a evita limitările de autonomie de care se tem consumatorii în prezent.
Autor: Joseph A. Thomsen, Vice President, MCU16 Business Unit, Microchip
Microchip Technology | https://www.microchip.com
