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Così Porsche aumenta l’autonomia delle auto elettriche
Con una modulazione a larghezza d’impulso controllata dall’IA, i consumi diminuiscono
Foto di: Porsche
Di: Dr. Stefan Leichsenring
Tradotto da: Ezio Notte
10 feb alle 07:00
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Come aumentare ulteriormente l’autonomia delle auto elettriche? Ovviamente con batterie dalla capacità di accumulo maggiore, oppure riducendo i consumi. Porsche sceglie questa seconda strada e punta sull’intelligenza artificiale (IA) per incrementare il chilometraggio fino al 9%. A renderlo possibile sarebbe una gestione intelligente dell’inverter.
L’inverter, per chi non lo sapesse, trasforma la corrente continua proveniente dalla batteria in corrente alternata per il motore. In questo processo si generano delle perdite, che però possono essere ridotte da una gestione software evoluta. Secondo quanto riporta il portale specializzato BatteryTechOnline, che segnala una comunicazione ufficiale di Porsche, le perdite di commutazione potrebbero diminuire dal 70% al 95%, consentendo un aumento dell’autonomia fino al 9%. Nella nota originale si parla di un incremento “a una cifra alta” in termini percentuali.
Perché si perde energia
Nel convertitore esistono due tipi di perdite: le perdite di conduzione e le perdite di commutazione. Le prime sono una caratteristica fisica dei transistor di potenza, come i MOSFET (transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore) e gli IGBT (transistor bipolari a gate isolato). Questi componenti funzionano come interruttori, variando la resistenza del transistor: resistenza elevata significa “spento”, resistenza bassa significa “acceso”. Però, anche nello stato “acceso”, la resistenza non scende mai a zero, generando dispersioni sotto forma di calore.
Più interessanti sono le perdite di commutazione. Queste si verificano nel passaggio tra gli stati “acceso” e “spento”. Per un breve istante, sul transistor di potenza è presente una tensione mentre inizia già a scorrere una corrente, seppur ridotta. Questa corrente indesiderata provoca perdite di energia. La potenza dissipata è proporzionale alla corrente e alla tensione, poiché corrente (in ampere) moltiplicata per tensione (in volt) dà come risultato una potenza (in watt). Durante il passaggio tra “on” e “off” si generano quindi picchi caratteristici di perdita di potenza.
Un inverter non commuta una sola volta, ma migliaia di volte al secondo, attivando la corrente per intervalli più lunghi o più brevi. In pratica si lavora con impulsi di diversa ampiezza, un principio noto come modulazione di larghezza d’impulso (PWM). In questo modo si genera una corrente alternata di forma sinusoidale. Un video di Sven Stemmler spiega bene questo meccanismo.
Visto l’inverter deve commutare molto frequentemente, le perdite di commutazione sono elevate e aumentano ulteriormente con l’aumentare della frequenza di commutazione. Questo problema riguarda in particolare gli inverter al carburo di silicio, considerati molto efficienti, ma caratterizzati da velocità di commutazione particolarmente elevate. Allo stesso tempo, frequenze alte sono desiderabili perché permettono di ottenere una sinusoide più “pulita”, che il motore può gestire meglio.
La soluzione
La soluzione a questo dilemma si chiama Soft Switching. In questo caso, i punti di commutazione vengono scelti in modo tale da ridurre al minimo corrente e tensione durante il passaggio. Esistono fondamentalmente due approcci: lo Zero Current Switching (ZCS) e lo Zero Voltage Switching (ZVS). Nel primo caso, il transistor viene commutato quando la corrente che lo attraversa è quasi nulla; nel secondo, quando la tensione ai suoi capi è prossima allo zero.
Porsche utilizza lo ZVS per ridurre le perdite di commutazione dell’inverter. Secondo l’azienda, questa soluzione comporta minori dispersioni rispetto allo ZCS negli inverter al carburo di silicio, particolarmente rapidi nella commutazione, e riduce anche le interferenze elettromagnetiche. Inoltre, lo ZVS è più adatto alle cosiddette cariche induttive, ovvero componenti che generano campi elettromagnetici tramite bobine, come i motori elettrici. Questi elementi causano uno sfasamento tra corrente e tensione, con la corrente che segue la tensione, e sono caratterizzati da elevate correnti di spunto e picchi di tensione allo spegnimento.
«Inseriamo attorno ai transistor di potenza un circuito elettronico aggiuntivo composto da transistor, bobine e condensatori», spiega l’ingegnere Porsche Souhaib Touati. «Questa topologia di inverter è da tempo nota come Auxiliary Resonant Pole Converter, o ARCP».
Tensione (U) e corrente (I) durante la commutazione "dura" tra acceso e spento, nonché la potenza di perdita P che ne risulta
Foto di: Porsche
Soft Switching: Zero Current Switching e Zero Voltage Switching
Foto di: Porsche
ACRP: La spiegazione di Porsche
Foto di: Porsche
Il segreto di Porsche
La novità dell’approccio Porsche è l’impiego dell’intelligenza artificiale per la gestione dell’ARCP: un algoritmo di IA preaddestrato elabora in tempo reale diverse decine di dati attuali, come carico, coppia e temperatura, calcolando così i momenti di commutazione ottimali.
Poiché un’auto elettrica viene guidata con carichi in continua variazione, le condizioni operative cambiano molto rapidamente. Per questo motivo, finora il Soft Switching ha trovato un impiego limitato. L’uso dell’intelligenza artificiale può cambiare questo scenario, secondo Porsche.
Un ulteriore vantaggio del Soft Switching è la riduzione della produzione di calore, che consente di diminuire le esigenze di raffreddamento. Inoltre, possono essere eliminati diversi filtri, con un conseguente risparmio di spazio. Nel complesso, il volume dell’inverter a impulsi potrebbe ridursi dal 20% al 50%. A ciò si aggiunge un aumento della durata dei transistor, grazie a una commutazione meno stressante.
Secondo Porsche, la nuova tecnologia si trova già in una fase avanzata di sviluppo. Il software definitivo sarà offerto anche a clienti esterni. Le modifiche hardware dovrebbero essere contenute, ma il Soft Switching basato su IA risulterebbe più facile da implementare nell’ambito di un restyling di modello o di un progetto completamente nuovo.
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Fonte: Porsche via BatteryTechOnline
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