Tecnologia rivoluzionaria di boost multiplexato per l’auto elettrica: un ponte tra architetture ad alta tensione e colonnine di ricarica a bassa tensione
L’industria automobilistica è in procinto di un trasformazione profonda, spinta dalla necessità di ridurre le emissioni e l’impegno verso una mobilità sostenibile. Le automobili elettriche (EV) sono al centro di questa rivoluzione, ma la loro evoluzione incontra un ostacolo cruciale: l’incompatibilità tra le nuove architetture ad alta tensione (800 V), che offrono prestazioni e velocità di ricarica superiori, e l’infrastruttura di ricarica esistente, dominata da colonnine a bassa tensione (400 V). Una squadra di ricercatori ha sviluppato una soluzione innovativa che permette alle auto ad alta tensione di utilizzare le colonnine tradizionali, aprendo una nuova frontiera nella mobilità elettrica.
La sfida della transizione all’alta tensione
Con la scarsità di combustibili fossili e il crescente degrado ambientale, i paesi di tutto il mondo stanno cercando stili di vita più ecologici. Le auto elettriche, come strumento chiave per la transizione energetica e la mobilità a basse emissioni di carbonio, hanno ricevuto un forte sostegno politico, in particolare in Cina, dove il governo le considera una via obbligata per trasformare il Paese in una potenza automobilistica. Tuttavia, la loro adozione su larga scala deve affrontare ostacoli come l’autonomia limitata, la difficoltà di ricarica e la lentezza dei processi di ricarica.
Per superare questi problemi, l’industria si sta muovendo verso architetture a 800 V. Questi sistemi non solo permettono ricariche più veloci, ma migliorano anche l’efficienza energetica, aumentano la potenza e riducono il peso dei cavi, ottimizzando il design del veicolo. Modelli come il Porsche Taycan, l’Hyundai Ioniq 5, nonché marchi cinesi come Xpeng, Li Auto, BYD e GAC, hanno già introdotto modelli con questa tecnologia. Tuttavia, l’infrastruttura di ricarica non ha avanzato allo stesso passo: oltre il 93,3% delle colonnine DC esistenti operano a meno di 500 V. Le colonnine ad alta tensione richiedono investimenti maggiori nella rete elettrica e hanno un costo di costruzione più elevato, il che ritarda la loro diffusione. Di conseguenza, il problema critico da risolvere è garantire che le architetture ad alta tensione siano compatibili con le colonnine a bassa tensione durante questa fase di transizione.
Un approccio innovativo: il multiplexing del sistema di trazione
I ricercatori si sono concentrati su un’osservazione chiave: i sistemi di trazione e di ricarica di un’auto elettrica non operano simultaneamente. Mentre il veicolo è in movimento, il sistema di trazione (motore e controller) è attivo, e il sistema di ricarica è inattivo; quando si ferma per ricaricare, accade il contrario. Questa caratteristica ha permesso di progettare una soluzione che riutilizza i componenti del sistema di trazione come booster di ricarica quando il veicolo è fermo, eliminando la necessità di un caricabatterie on-board separato e riducendo costi, peso e spazio all’interno del veicolo.
La tecnologia proposta trasforma il motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) e il suo inverter in un convertitore Boost ad alta potenza in modalità ricarica. Nello specifico, i bobini del motore fungono da induttori di accumulo di energia, mentre il controller dell’inverter del motore viene riproposto come controller di interruttore chopper. Aggiungendo solo due interruttori relè e alcuni componenti passivi, il sistema può passare senza soluzione di continuità tra modalità di guida e ricarica.
In modalità ricarica, il sistema opera come un circuito Boost trifase interleaved (in parallelo staggerato). Questa configurazione permette una conversione efficiente della tensione di uscita della colonnina (450 V) a quella richiesta dalla batteria ad alta tensione (880 V). L’uso della tecnologia interleaved aiuta a minimizzare l’ondulazione di corrente, garantendo un trasferimento di energia stabile ed efficiente.
Superando le sfide tecniche: modellazione e controllo
Una sfida chiave nello sviluppo di questa tecnologia è la comprensione e la gestione delle complesse caratteristiche elettromagnetiche dei bobini del motore quando utilizzati come induttori. I ricercatori hanno condotto un’analisi dettagliata delle relazioni di accoppiamento tra i bobini trifase di un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) incorporato, comunemente usato nelle auto elettriche.
Hanno sviluppato modelli matematici per descrivere come l’induttanza di ogni bobina varia con la posizione del rotore. Questa analisi ha rivelato che i valori di induttanza presentano variazioni periodiche, che possono influenzare le prestazioni del convertitore Boost. Per affrontare questo problema, il team ha introdotto un induttore esterno per contrastare gli effetti negativi dell’induttanza mutua tra i bobini, garantendo un funzionamento consistente e affidabile in tutte le posizioni del rotore.
Altrettanto critico per le prestazioni del sistema è la strategia di controllo. I ricercatori hanno confrontato metodi di controllo tradizionali a doppio anello con un approccio più avanzato che combina il controllo proporzionale-integrale (PI) e il controllo predittivo basato su modello (MPC). Il controllo a doppio anello, sebbene efficace in alcuni scenari, presenta limiti in termini di velocità di risposta e complessità di regolazione dei parametri.
In contrasto, la strategia di controllo ibrido PI-MPC proposta ha offerto vantaggi significativi. Mantenendo il regolatore PI per il controllo di tensione per garantire precisione in regime stabile e incorporando l’MPC per il controllo di corrente per migliorare la risposta dinamica, il sistema ha raggiunto prestazioni rapide e stabili. La componente MPC predice gli stati futuri del sistema e seleziona le azioni di commutazione ottimali per minimizzare l’ondulazione di corrente e mantenere la stabilità di tensione, anche durante cambiamenti improvvisi di carico o fluttuazioni di tensione di input.
Validazione tramite simulazione e sperimentazione
Per verificare l’efficacia del loro approccio, i ricercatori hanno condotto simulazioni estese e esperimenti. Utilizzando Simulink, hanno costruito un modello dettagliato del sistema e testato le sue prestazioni in diverse condizioni. Le simulazioni hanno confrontato i metodi di controllo a doppio anello e la strategia ibrida PI-MPC in diverse posizioni del rotore, valutando metriche come ondulazione di corrente, tempo di risposta e stabilità.
I risultati hanno dimostrato che la strategia ibrida PI-MPC ha superato l’approccio tradizionale, in particolare in scenari dinamici. Ad esempio, quando il carico cambia improvvisamente, il sistema con controllo ibrido ha raggiunto il regime stabile in circa 8,66 ms, rispetto ai 12,03 ms del controllo a doppio anello. Allo stesso modo, in risposta a fluttuazioni di tensione di input, il sistema ibrido si è stabilizzato 80% più veloce, con un sovraccarico significativamente minore.
Per validare ulteriormente le loro scoperte, i ricercatori hanno costruito una piattaforma sperimentale da 50 kW. Questa piattaforma include un motore PMSM incorporato da 250 kW, un controller di potenza principale, induttori esterni e vari strumenti di misura. Gli esperimenti hanno confermato i risultati delle simulazioni, dimostrando che il sistema può aumentare la tensione da 250 V a 400 V (scala per l’impianto sperimentale) con un funzionamento efficiente e stabile.
I dati sperimentali hanno mostrato che il sistema mantiene un’ondulazione di corrente bassa in diverse condizioni operative, con l’ondulazione di corrente di input ben within limiti accettabili. La strategia di controllo PI-MPC si è nuovamente dimostrata superiore in test dinamici, con tempi di risposta più rapidi e fluttuazioni di tensione minori durante i cambi di carico rispetto al metodo a doppio anello.
Implicazioni per l’industria automobilistica e oltre
Lo sviluppo riuscito di questa tecnologia di boost multiplexato per trazione ha implicazioni significative per l’industria delle auto elettriche. Permettendo alle auto ad alta tensione di utilizzare l’infrastruttura di ricarica a bassa tensione esistente, rimuove una barriera principale all’adozione massiva di architetture EV avanzate. Questo, a sua volta, può accelerare la transizione verso auto elettriche più efficienti e con maggiore autonomia, senza richiedere investimenti massivi in nuova infrastruttura di ricarica.
La tecnologia offre anche vantaggi economici sostanziali. Eliminando la necessità di un caricabatterie on-board separato, riduce i costi, il peso e lo spazio richiesto per le auto elettriche. Ciò può rendere le auto elettriche più accessibili e attraenti per i consumatori, promuovendo ulteriormente la penetrazione di mercato. Inoltre, il miglior utilizzo di componenti e infrastrutture esistenti migliora la sostenibilità complessiva dell’ecosistema della mobilità elettrica.
Oltre alle automobili per uso privato, questa tecnologia potrebbe trovare applicazioni in altri settori della mobilità elettrica, come camion e autobus commerciali, dove le sfide dell’infrastruttura di ricarica sono ancora più pronunciate. I principi base del multiplexing di sistema e della conversione energetica efficiente potrebbero anche ispirare lo sviluppo di altri sistemi di conversione energetica, contribuendo a sforzi più ampi per migliorare l’efficienza energetica e la sostenibilità.
Conclusione: verso un futuro senza barriere per le auto elettriche
Mentre il mercato delle auto elettriche continua a crescere ed evolversi, la necessità di interoperabilità tra diverse generazioni di tecnologie diventa sempre più importante. La tecnologia di boost multiplexato per trazione sviluppata da questo team di ricercatori rappresenta un passo significativo verso l’indirizzo di soddisfare questa necessità, offrendo una soluzione pratica ed economica alla sfida della compatibilità dell’infrastruttura di ricarica.
Attraverso la riproposizione intelligente di componenti esistenti e lo sviluppo di strategie di controllo avanzate, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile superare le barriere tecniche all’adozione di auto elettriche ad alta tensione, senza attendere l’aggiornamento diffuso dell’infrastruttura di ricarica. Questa innovazione non solo beneficia produttori e consumatori, ma supporta anche la crescita e la sostenibilità dell’ecosistema più ampio della mobilità elettrica.
Con l’industria che si muove verso architetture ad alta tensione, soluzioni come questa joueranno un ruolo cruciale nel garantire una transizione fluida ed efficiente. Le auto elettriche non dipenderanno solo da modelli più avanzati, ma anche da tecnologie che rendano la ricarica accessibile per tutti, ovunque.
Questa ricerca è stata condotta da Hou Wenbo, Yang Ping, Chen Ke, Qu Bo e Wu Wenrong, della School of Electrical Engineering della Southwest Jiaotong University (Chengdu) e del Department of Power Consumption and Energy Efficiency della China Electric Power Research Institute (Beijing). I risultati sono stati pubblicati nella rivista “Transactions of China Electrotechnical Society” (Vol. 39, Sup. 1, Dicembre 2024) con DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L11033.