Trasformare l’alimentazione dei veicoli pesanti per renderli elettrici
L’Europa si sta orientando verso modalità di trasporto ecologiche, come i veicoli elettrici, con l’obiettivo di ridurre le emissioni nocive e proteggere l’ambiente; tuttavia, il passaggio ai veicoli elettrici non è sempre semplice da mettere in atto. I veicoli pesanti, ad esempio, sono responsabili di quasi il 40% delle emissioni totali di anidride carbonica legate al trasporto stradale in Europa: mentre l’elettrificazione dei veicoli passeggeri ha registrato progressi significativi, la transizione del settore dei veicoli pesanti è tuttora ostacolata da vincoli tecnologici di sostanziale entità. «I convertitori elettronici di potenza sono l’interfaccia fondamentale per gestire il flusso di energia dalla batteria al motore elettrico», spiega David Lumbreras, membro del progetto RHODaS(si apre in una nuova finestra) e ricercatore presso l’università UPC(si apre in una nuova finestra), in Spagna. «Storicamente, questi sistemi si basano su semiconduttori a base di silicio; ciononostante, i nuovi semiconduttori con ampia banda proibita consentono di operare a frequenze di commutazione elevate, superiori a 100 kHz, permettendo di generare perdite significativamente inferiori rispetto a quelli costituiti da tale elemento. Queste proprietà consentono di realizzare convertitori ad alta densità di potenza, che risultano ideali per soddisfare le elevate esigenze di potenza del trasporto a lungo raggio.»
Potenza per applicazioni pesanti e a lungo raggio
Il progetto RHODaS, finanziato dall’UE, ha cercato di affrontare queste sfide sviluppando componenti per convertitori di potenza realizzati con materiali emergenti, come il carburo di silicio e il nitruro di gallio. L’innovazione principale è rappresentata da un motore integrato che è stato progettato specificamente pensando ad applicazioni pesanti e a lungo raggio. «Questa soluzione integra l’elettronica di potenza, la gestione termica e le tecnologie di controllo digitale direttamente in un corpo motore compatto e modulare», aggiunge Lumbreras. «Combinando il carburo di silicio, ideale per la solidità alle alte tensioni, e il nitruro di gallio, ottimo per la commutazione ad alta frequenza, siamo riusciti a ottenere un’efficienza superiore, a ridurre il volume del sistema e ad attenuare le interferenze elettromagnetiche.» Inoltre, l’adozione di un’architettura modulare del convertitore migliora la riparabilità e la tolleranza ai guasti, garantendo al contempo la scalabilità della potenza e consentendo di adattare lo stesso progetto di base a diversi requisiti di potenza, il che potrebbe aprire le porte a una serie di opportunità commerciali in futuro.
Dalla caratterizzazione a livello di materiale alla convalida
Le innovazioni proposte sono state convalidate in tre fasi. In primo luogo, i dispositivi e i driver sono stati sottoposti a una caratterizzazione a livello di materiale per valutare le sollecitazioni, l’integrità funzionale e l’immunità ai disturbi elettromagnetici, una tappa a cui ha fatto seguito il collaudo di un convertitore in scala di laboratorio. Infine, nell’ambito di un banco di prova si è realizzata la convalida di un azionamento motore integrato in scala reale accoppiato a un riduttore. «Abbiamo raggiunto con successo i nostri obiettivi tecnici», afferma Lumbreras. «Una lezione tecnica fondamentale ha riguardato l’instabilità osservata nei primi transistor al nitruro di gallio, che ha richiesto una riprogettazione completa dell’hardware per garantire la stabilità.»
Innovazioni per il settore della mobilità in Europa
Nel complesso, il progetto ha permesso di far progredire con successo lo sviluppo di convertitori di potenza ad alte prestazioni per il trasporto elettrico pesante. I prossimi passi comprendono la scalabilità e l’adattamento dell’azionamento modulare integrato per una gamma più ampia di classi di veicoli, nonché l’integrazione delle soluzioni concepite da RHODaS nelle tabelle di marcia tecnologiche di partner industriali come Valeo Siemens. Il consorzio continuerà inoltre a perfezionare i modelli commerciali circolari, come quelli del «prodotto come servizio» o del leasing, e i passaporti digitali dei veicoli (PDV) per facilitare la manutenzione a livello di componenti e le applicazioni di seconda vita. I PDV sono registrazioni digitali sicure, basate su cloud, dell’intero ciclo di vita di un veicolo. «Ci auguriamo che il progetto abbia un impatto duraturo, contribuendo direttamente agli obiettivi fissati dal Green Deal dell’UE e migliorando la qualità dell’aria», osserva Lumbreras. «La creazione di una solida catena di fornitura europea per l’elettronica di potenza contribuirà inoltre a ridurre la nostra dipendenza dai produttori extraeuropei.» RHODaS ha per di più promosso con successo le reti di innovazione(si apre in una nuova finestra) tra il mondo accademico e quello industriale, che contribuiranno a consolidare i risultati ricavati dal progetto e a continuare a fornire tecnologie e innovazioni all’avanguardia al settore della mobilità in Europa.
