Tecnologia

#emobility

Pompa d'iniezione per elettroni

minuti durante la lettura il tempo
Tags: Emobility

L'elettronica di potenza è essenziale anche per la portata dei veicoli elettrici. Pertanto ZF ha sviluppato una generazione particolarmente efficiente che fa uso di semiconduttori in carburo di silicio: un componente importante per l'elettromobilità.
Johannes Winterhagen, novembre 21, 2018
author_image
Johannes Winterhagen Quando le cose si fanno davvero difficili il giornalista che si occupa di temi dell'energia e della mobilità è nel suo elemento. Preferisce incontrare gli ingegneri in laboratorio.
Una breve pressione sull'acceleratore basta per avviare il veicolo con una potente spinta dalla posizione di fermo. Spesso chi guida per la prima volta un veicolo elettrico si meraviglia ed è entusiasta di un tale assetto sportivo. L'entusiasmo degli ingegneri del settore automobilistico invece è decisamente più contenuto. Dopo tutto sanno che il carburante di cui necessita un motore a combustione viene prima pompato nell'iniettore e poi ad alta pressione nel cilindro del motore.

In un veicolo elettrico invece la batteria sostituisce il serbatoio. La fonte di energia o la corrente che accumula si compone di elettroni, particelle elementari pressoché prive di massa che possono muoversi all'incirca alla velocità della luce, proprio come riferito dalla teoria della relatività di Einstein. In realtà tuttavia la resistenza all'interno dei cavi rallenta la corrente, che però viaggia ugualmente molto più velocemente di qualsiasi carburante liquido o gassoso. Questa differenza spiega perché un motore elettrico possa raggiungere la velocità desiderata in frazioni di secondo. Finché la tensione rimane costante, l'energia meccanica generata dipende esclusivamente dal numero di elettroni che genera negli avvolgimenti del motore elettrico.

L'elettronica di potenza controlla il flusso di elettroni

L'elettronica di potenza controlla il flusso di elettroni

Cosa vuol dire questo nella pratica? Il flusso di elettroni deve essere controllato con precisione per adattare la potenza del motore elettrico alla situazione di guida. Anche un veicolo elettrico ha bisogno di un sistema d'iniezione che in questo caso viene comandato dall'elettronica di potenza collegata al motore elettrico. In più l'elettronica di potenza svolge anche un altro compito importante. La batteria del veicolo, una batteria agli ioni di litio, può emettere e ricevere esclusivamente corrente continua. Tuttavia le moderne trazioni elettriche dei veicoli usano sempre corrente alternata la cui generazione viene controllata dall'elettronica di potenza. Se il veicolo frena e il motore elettrico funziona da alternatore, la corrente alternata generata deve essere raddrizzata prima che possa essere accumulata nella batteria. "Poiché nella vita di tutti i giorni la corrente nell'elettronica di potenza si muove continuamente in entrambe le direzioni, l'efficienza dell'elettronica di potenza è decisiva per determinare la portata di un veicolo elettrico con una carica della batteria" spiega il Dott. Marco Denk, responsabile dell'Ingegneria avanzata dei conduttori di potenza alla ZF. Le elettroniche di potenza moderne, come i sistemi sviluppati da ZF nella sede di Auerbach in Baviera, raggiungono già un'efficienza superiore al 95% nel ciclo WLTP.

I semiconduttori dell'elettronica di potenza: gli iniettori di carburante del motore elettrico

I semiconduttori dell'elettronica di potenza: gli iniettori di carburante del motore elettrico

Nell'elettronica di potenza i semiconduttori sono componenti decisivi per la determinazione del livello di efficienza. Come l'apertura e la chiusura degli iniettori di carburante regolano il volume del carburante, questi semiconduttori bloccano il percorso degli elettroni nello stato di riposo. A seconda della sua struttura, il semiconduttore libera il percorso – o creando tensione su di esso o generando un campo elettrico. Questi processi possono anche essere combinati. Tale scenario comprende un transistore bipolare a gate isolato, detto in breve IGBT. Tutti i semiconduttori di potenza usati oggi nei veicoli elettrici hanno un aspetto in comune: sono di silicio puro. Ciò comporta molti vantaggi incluso il fatto che i cristalli di silicio possono essere prodotti e ulteriormente lavorati secondo gli stessi processi usati per i chip per computer.
Con la stessa prestazione della batteria, l'elettronica di potenza con chip in carburo di silicio consente una portata del veicolo elettrico dal cinque al dieci percento superiore a quella dell'elettronica di potenza in silicio.

Gli svantaggi del silicio economico

Gli svantaggi del silicio economico

La tensione inversa di un semiconduttore in silicio – in altre parole la pressione a cui la valvola elettronica deve resistere – dipende quasi completamente dal suo spessore. Ciò implica che se la tensione aumenta, aumentano anche le dimensioni dei semiconduttori, a discapito del livello di efficienza se il veicolo è in moto. "Mentre i motori di tutti i veicoli elettrici finora hanno funzionato a 400 volt, nel 2019 verranno introdotti sul mercato i primi veicoli con motori a 800 volt. La ragione del raddoppio della tensione non sono i vantaggi alla guida ma piuttosto la riduzione del relativo tempo di carica alla metà" spiega Denk. Nel prossimo futuro saranno necessari solo 15–20 minuti per caricare corrente sufficiente per percorrere 400 chilometri.

Nuovo materiale, più efficienza

Nuovo materiale, più efficienza

Alla luce di ciò, ZF ha sviluppato una nuova generazione di elettronica di potenza basata su semiconduttori in carburo di silicio. In questo materiale ogni atomo di silicio è legato a quattro atomi di carbonio – e viceversa. "La struttura del silicio è simile a quella di un diamante" afferma il Dott. Marco Denk, aggiungendo: "Gli atomi di carbonio non sono solo più piccoli di quelli di silicio, ma i legami reciproci degli elettroni liberi sono più stretti." Su questo materiale più resistente possono essere generati forze di campo dieci volte superiori e fino a tre megavolt al centimetro, prima che la struttura a rete si rompa.
"A parità di dimensioni della batteria, questi nuovi semiconduttori possono aumentare la portata dal cinque al dieci percento."
— Dott. Marco Denk, responsabile dell'Ingegneria avanzata dell'elettronica di potenza

Portata maggiore con chip di carburo di silicio

Portata maggiore con chip di carburo di silicio

Nella pratica ciò vuol dire poter usare la stessa tensione con chip dieci volte più sottili. Per un motore di 800 volt sono sufficienti semiconduttori di circa 100 micrometri di spessore. L'altezza ridotta implica anche una minore resistenza interna. Di conseguenza meno elettroni si perdono lungo il percorso fino al motore – aumentando il livello di efficienza. Anche i conducenti notano questo miglioramento anche se non conoscono la fisica dei semiconduttori perché: "A parità di dimensioni della batteria, questi nuovi semiconduttori possono aumentare la portata dal cinque al dieci percento" spiega Denk. Lui e i suoi colleghi stanno ancora lavorando alla possibilità di produrre in serie il nuovo materiale dei semiconduttori. Tuttavia, più o meno entro i prossimi cinque anni ZF si propone di offrire i primi sistemi di elettronica di potenza con semiconduttori in carburo di silicio.

In breve: Per la portata di un veicolo elettrico, la capacità della batteria non è il solo fattore decisivo, ma anche l'efficienza dell'elettronica di potenza, in quanto quest'ultima è responsabile dell'intera gestione dell'energia. Le elettroniche di potenza odierne si servono di semiconduttori in silicio puro. Anche se già raggiungono un alto livello di efficienza, ci sono anche degli svantaggi per quanto riguarda la loro altezza e la resistenza interna. Quanto maggiore la tensione che alimenta il motore elettrico, tanto maggiore lo svantaggio. Pertanto ZF sta lavorando su un sistema di elettronica di potenza in carburo di silicio. Questo materiale riduce gli svantaggi descritti sopra e potrebbe consentire un aumento della portata su strada dal cinque al dieci percento senza dover modificare le dimensioni della batteria.