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Con il progressivo sviluppo dell’elettrificazione e dell’intelligenza automobilistica, i motori sono diventati componenti fondamentali di propulsione e di controllo nei veicoli. Essi sono ampiamente utilizzati nei sistemi di trazione (motori di trazione per veicoli a energia nuova), nelle applicazioni di controllo della carrozzeria (motori per portellone elettrico, motori per alzacristalli, motori per regolazione sedili) e nei sistemi ausiliari (motori per ventole di raffreddamento, motori per sterzo elettrico). In quanto unità centrale che controlla l’avviamento/arresto, la velocità e il senso di rotazione del motore, il sistema di azionamento motore automobilistico deve fornire un’erogazione di potenza efficiente, stabile e affidabile anche in condizioni ambientali severe a bordo veicolo, quali alte temperature, vibrazioni, forte interferenza elettromagnetica (EMI) e ampie fluttuazioni di tensione. Come componente passivo fondamentale nei sistemi di azionamento motore, l’induttore svolge funzioni chiave quali l’immagazzinamento di energia, il filtraggio, la soppressione di correnti indesiderate (choking) e la limitazione degli impulsi di corrente. La sua scelta determina direttamente l’efficienza di conversione, la stabilità operativa, la compatibilità elettromagnetica (EMC) e la durata di servizio.
La funzione principale di un sistema di azionamento motore per autoveicoli consiste nel ricevere comandi dall'unità di controllo veicolo (VCU) o da un'unità di controllo locale, convertire l'energia elettrica proveniente dall'alimentazione di bordo in energia meccanica e azionare il motore per ottenere un avvio/arresto preciso, la regolazione della velocità e il controllo del senso di rotazione (avanti/indietro). Contestualmente, utilizza segnali di retroazione di corrente e velocità per implementare un controllo a ciclo chiuso e garantire un funzionamento fluido e sicuro del motore. Il circuito include tipicamente un modulo di gestione dell'alimentazione, un modulo di controllo MCU, un modulo di azionamento di potenza, un modulo di rilevamento di corrente/velocità e un modulo di filtraggio EMI.
Figura 1. Diagramma a blocchi del sistema di azionamento motore per veicoli a nuova energia
Altri dispositivi montati sul veicolo; Batteria di trazione; Scatola di controllo ad alta tensione; Connettore DC ad alta tensione P/N; VCU; Batteria a bassa tensione; Relè di controllo; Fusibile; Motore di trazione (DM); Cavi di alimentazione trifase U/V/W; Cavi di segnale (risolutore, temperatura); Controllore del motore (MCU); Pompa dell'acqua; Liquido refrigerante; Radiatore.
Gli azionamenti per motori automobilistici utilizzano comunemente il controllo PWM (modulazione della larghezza d'impulso). Commutando gli interruttori di potenza (MOSFET/IGBT) in modalità ON/OFF, regolano la tensione e la corrente in uscita per controllare la velocità e la coppia del motore. Gli induttori svolgono un ruolo fondamentale nel circuito di azionamento elettrico, principalmente nei seguenti modi:
Soppressione degli impulsi di corrente: Quando il motore si avvia o si arresta, varia la velocità oppure quando i dispositivi di potenza commutano, si generano picchi istantanei di corrente. Questi picchi possono sollecitare i dispositivi di potenza (MOSFET/IGBT) e i circuiti integrati di pilotaggio e potrebbero persino danneggiare i componenti. L’induttore limita la velocità di variazione della corrente (di/dt) grazie alla sua reattanza induttiva, sopprimendo efficacemente i picchi di corrente, proteggendo i dispositivi principali nel circuito di comando e prolungando la vita utile dei componenti.
Livellamento della corrente del motore: Il controllo PWM provoca un’ondulazione della corrente in uscita. Se tale corrente viene immessa direttamente nel motore, ciò può causare un aumento delle vibrazioni, un maggiore rumore e perdite maggiori negli avvolgimenti. Immagazzinando e rilasciando continuamente energia, l’induttore livella l’ondulazione della corrente, rendendo più stabile la corrente di ingresso al motore e migliorando la stabilità operativa.
L'alimentazione nei sistemi di azionamento motore per autoveicoli è suddivisa in due categorie: alimentazioni a bassa tensione di bordo (12 V/24 V) per i moduli di controllo e i circuiti integrati di pilotaggio, e alimentazioni ad alta tensione nei veicoli a energia nuova per i moduli di azionamento della potenza. Gli induttori svolgono i seguenti ruoli principali nella gestione dell’alimentazione e nella filtrazione:
Conversione CC-CC: Nei circuiti di alimentazione a bassa tensione è necessario un convertitore step-down CC-CC per trasformare la tensione di bordo da 12 V/24 V nei livelli di 5 V e 3,3 V richiesti dalle unità di controllo elettronico (MCU) e dai sensori. In quanto elemento fondamentale di accumulo energetico nel circuito CC-CC, l’induttore immagazzina e rilascia energia, mantiene la stabilità della tensione di uscita e impedisce che le fluttuazioni di tensione influenzino il normale funzionamento del modulo di controllo.
Suppressione delle EMI: Quando il sistema di azionamento del motore è in funzione, la commutazione dei dispositivi di potenza genera interferenze ad alta frequenza. Queste interferenze possono propagarsi attraverso le linee di alimentazione ad altri sistemi elettronici di bordo, come il sistema di navigazione o la radio, compromettendone il normale funzionamento. Gli induttori comuni, insieme ai condensatori X e Y, formano un circuito filtro EMI che elimina le interferenze ad alta frequenza dalle linee di alimentazione, sopprime le radiazioni elettromagnetiche e riduce l’impatto delle interferenze esterne sul sistema di azionamento del motore.
2. Requisiti per gli induttori nei sistemi di azionamento del motore automobilistico
I sistemi di azionamento motore per autoveicoli sono spesso installati in ambienti severi, come i vani motore e le zone del telaio, dove sono esposti per lunghi periodi a elevate temperature e umidità, vibrazioni ad alta frequenza e forte interferenza elettromagnetica. Devono soddisfare i requisiti di affidabilità di classe automobilistica e adattarsi a forti fluttuazioni di tensione e picchi di corrente elevata, il che impone rigorosi requisiti prestazionali, strutturali e di affidabilità sugli induttori.
3. Soluzioni di induttori CODACA per sistemi di trazione motore
1. Induttore di potenza ad alta corrente di grado automobilistico
Nei sistemi di azionamento motore, gli induttori di potenza ad alta corrente sono utilizzati principalmente nei convertitori DC-DC e nei circuiti di filtraggio. Gli induttori di potenza ad alta corrente per applicazioni automotive di CODACA offrono basse perdite e un’elevata corrente di saturazione, fino a 422 A, con un intervallo di temperatura operativa compreso tra -55 °C e +155 °C, rendendoli adatti agli ambienti elettronici complessi dei veicoli.
2. Induttore di potenza modellato per applicazioni automotive
L’induttore di potenza modellato per applicazioni automotive di CODACA utilizza materiali magnetici in polvere a basse perdite e una tecnologia innovativa degli elettrodi per risolvere sfide tecniche quali il disallineamento delle bobine e la formazione di crepe nel prodotto durante la modellatura. Riduce le perdite complessive dell’induttore di oltre il 30%, supporta temperature operative fino a 170 °C, raggiunge un’efficienza energetica fino al 98% ed migliora efficacemente l'affidabilità dei sistemi di azionamento motore e l'efficienza di conversione dei circuiti DC-DC.
3. Induttore a barra per applicazioni automotive
CODACA dispone di un team R&S esperto in grado di fornire rapidamente soluzioni personalizzate di induttori a barra per applicazioni automotive, con caratteristiche e strutture diverse in base alle esigenze del cliente.
4. Componenti EMI
I filtri comuni (common mode chokes), le perle (beads) e altri componenti magnetici sono ampiamente utilizzati nei sistemi di azionamento motore automotive e nei circuiti di filtraggio dell’alimentazione per sopprimere le interferenze rumorose sulle linee di segnale e sulle linee di alimentazione.
