Con l'aumento della domanda di veicoli elettrici (EV) e di opzioni di ricarica avanzate per quest'ultimi, i progettisti sono costretti ad affrontare notevoli sfide per implementare più stazioni di ricarica. Questo articolo analizza le sfide principali, come una ricarica più rapida, i miglioramenti delle batterie e la gestione termica, e discute il ruolo delle soluzioni di connettività avanzate e dei progressi tecnologici nel supportare la transizione verso una ricarica più efficiente e affidabile dei veicoli elettrici.
Video chapters
- 2:04 Ricarica veloce
- 2:43 Miglioramenti batteria
- 3:11 Miniaturizzazione automotive
- 4:01 Ambienti difficili
- 4:20 Requisiti connettori
Esiste una crescente enfasi globale sull'energia di trasformazione che sta convergendo con le aspettative dei consumatori nel settore dei trasporti riguardanti sicurezza, comfort, praticità e funzionalità, e ciò stimola una rivoluzione nell'architettura del settore automotive e una transizione verso i veicoli elettrici (EV). Si prevede una sempre maggior diffusione dei veicoli elettrici sulle nostre strade e da questo dato consegue anche una crescente richiesta per una più ampia implementazione di stazioni di ricarica per tali veicoli, sia a livello commerciale sia residenziale, al fine di contribuire ad accelerare la ricarica delle batterie.
Di conseguenza, gli ingegneri di tutto il mondo sono alle prese con dinamiche di progettazione complesse e valutano le modalità per implementare più stazioni di ricarica EV lungo le strade, sulle autostrade, nelle case e nei luoghi di lavoro. Poiché i veicoli elettrici sono ancora un mercato emergente, la reputazione dei loro marchi dipende da queste decisioni cruciali. In questo contesto di maggiore consapevolezza, un'infrastruttura di ricarica estesa per veicoli elettrici deve affrontare questioni importanti come sicurezza, usabilità, affidabilità, gestione termica e standard normativi in evoluzione. Continua a leggere questo articolo per ricevere informazioni aggiornate sulle sfide e sulle opportunità legate alla ricarica dei veicoli elettrici.
Importanti sfide di progettazione
Man mano che le regioni di tutto il mondo scoprono i veicoli elettrici, i progetti diventano via via più avanzati e il mercato è destinato a guadagnare velocità. Di fatto, secondo UBS Investment Bank, si prevede che i veicoli elettrici rappresenteranno il 20% delle vendite di auto nuove in tutto il mondo entro il 2025 e il 50% entro il 2030. Analogamente, JP Morgan osserva che i veicoli ibridi a benzina rappresenteranno quasi un quarto delle vendite di automobili in tutto il mondo entro il 2025. Tuttavia, è necessario affrontare ancora diverse questioni chiave per far sì che le innovazioni di ricarica EV seguano la strada tracciata dai veicoli. Ad esempio:
Secondo un sondaggio S&P Global Mobility del 2023, il 40% dei proprietari di veicoli elettrici afferma che sarebbe disposto a pagare di più per una ricarica più rapida. Una critica che viene avanzata spesso è che la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici è più lenta rispetto al rifornimento dei motori a combustione interna (ICE). La velocità di ricarica dei veicoli elettrici è addirittura inferiore in condizioni climatiche rigide, poiché gli elettroni non si muovono più lentamente quando fa freddo.
Inoltre, il tempo di ricarica varia in genere in base al tipo di operazione: la ricarica di livello 1 richiede 40-50 ore, mentre la ricarica di livello 2 necessita di 4-10 ore. I diversi tipi di ricarica riflettono il fatto che i produttori hanno aumentato le prestazioni dei caricabatterie incrementandone la tensione per cercare di rispondere alle preoccupazioni dei consumatori. Sfortunatamente, la ricarica potenziata non è necessariamente una soluzione universale, poiché potrebbe causare danni alla batteria e ostacolarne le prestazioni. Dato che anche il tempo di ricarica aumenta intrinsecamente con l'invecchiamento della batteria, una maggiore potenza non sempre equivale a un riempimento rapido complessivo.
Oltre all'attenzione dedicata all'efficienza della ricarica, sarebbe bene riservare un maggior interesse anche alle batterie dei veicoli elettrici. Ad esempio, un metodo di ricarica più recente, noto come livello 3 o ricarica rapida in CC riempie le batterie dei veicoli elettrici in modo diretto, aggirando l'apparecchiatura di bordo che converte la corrente alternata (CA) fornita dalla rete in corrente continua (CC). La ricarica con questo metodo può spesso richiedere solo un'ora o anche meno. Sfortunatamente, alcuni veicoli non sono in grado di permettere la ricarica rapida in CC perché le configurazioni odierne delle batterie variano in modo significativo a seconda del produttore, della marca e del modello. Sebbene ulteriori perfezionamenti possano contribuire a risolvere questo problema, bisogna ricordare che le batterie sono dispositivi elettromeccanici complessi, quindi la ricerca e lo sviluppo possono risultare costosi.
È qui che approcci di connettività più avanzati possono aiutare a fare passi da gigante. Ad esempio, il sistema di contatto delle celle Volfinity di Molex utilizza una scheda a circuito stampato flessibile (FPC) che collega le celle della batteria alla scheda di controllo in un modulo batteria per veicoli elettrici. Quest'innovazione leggera elimina la necessità di pesanti collegamenti a margherita cablati manualmente, pur essendo più resistente al degrado dei singoli cavi. Ciò significa che le batterie possono essere costruite in modo più rapido ed economico, offrendo ai produttori maggiori opportunità di sperimentare nuovi progetti.
I moderni veicoli elettrici integrano più di 100 unità di controllo del motore (ECU) e una quantità esponenzialmente superiore di componenti elettronici rispetto ai tradizionali modelli con motore a combustione. Ciò crea vincoli di spazio che possono limitare il flusso d'aria e aumentare notevolmente i livelli di temperatura interna: una preoccupazione specifica per questi assemblaggi sigillati del settore automotive che sperimentano regolarmente condizioni estremamente difficili. Gli impianti elettrici surriscaldati creano problemi di sicurezza e possono persino spegnersi improvvisamente. Nessuno di questi scenari è auspicabile per dei veicoli che sfrecciano su un'autostrada.
Poiché un sottoprodotto di una ricarica più rapida è il calore, queste stesse dinamiche termiche influenzano le opzioni di ricarica dei veicoli elettrici. Una ricarica EV di scarsa qualità può portare a un ciclo di vita ridotto della batteria, ad autonomie di guida più brevi e a pericolosi runaway termici (un aumento incontrollato dell'energia che può causare incendi o guasti catastrofici).
In breve, i componenti dei veicoli elettrici devono essere compatti e progettati con cura, in modo da funzionare in modo affidabile e mitigare l'incremento termico incontrollato in spazi ristretti. È qui che i modelli di simulazione ad alta fedeltà stanno cambiando le regole del gioco. Ad esempio, Molex utilizza una tecnologia di simulazione basata sull'intelligenza artificiale (IA) per valutare le capacità di gestione termica dei connettori prima che un modello di veicolo venga prodotto in serie. Queste informazioni proattive contribuiscono ad accelerare e ottimizzare le modifiche tecniche e ciò, a sua volta, semplifica l'individuazione di soluzioni più efficaci per i clienti.
Un panorama di ricarica in evoluzione
Man mano che la necessità di maggiore accessibilità ed efficienza della ricarica dei veicoli elettrici diventa più imperativa, ulteriori progressi tecnologici e infrastrutturali offrono supporto a livello globale. Di seguito se ne riportano alcuni esempi.
Alimentazione a 48 V
Sebbene il modello di alimentazione a 12 V sia stato uno standard del settore automotive fin dagli anni '50, oggi le modifiche alle leggi sulle emissioni si stanno sovrapponendo alle dinamiche analizzate nei paragrafi precedenti, portando verso un passaggio all'alimentazione a 48 V. Di fatto, i veicoli mild hybrid integrano già dei sistemi a 48 V per supportare funzioni come la frenata rigenerativa. A differenza dei veicoli full hybrid, i sistemi mild hybrid non hanno bisogno di alcuna ricarica. Utilizzano sia un motore a benzina sia una piccola batteria elettrica e sono in grado di immagazzinare l'energia recuperata dalla frenata per un uso successivo.
L'alimentazione a 48 V consente la produzione di componenti più piccoli per ogni tipo di veicolo elettrico, permettendo ai progettisti del settore automotive di integrare più funzionalità in un determinato spazio. Ciò significa che i veicoli possono includere funzionalità avanzate di ricarica wireless, infotainment e sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Analogamente, poiché componenti più piccoli richiedono meno materiali, anche i costi di produzione e il consumo energetico complessivo possono diminuire.
Sistemi a 48 V più efficienti contribuiscono altresì a controllare le emissioni, creando al contempo veicoli più leggeri e con meno resistenza aerodinamica, in grado di funzionare meglio e percorrere distanze maggiori con un singolo rifornimento o una sola ricarica. Un altro vantaggio chiave dei sistemi a 48 V è che sono in grado di supportare tensioni più elevate, contribuendo a migliorare la distribuzione dell'energia e riducendo al tempo stesso il peso della batteria. In termini di ricarica dei veicoli elettrici, ciò può significare:
- Ottimizzazione del trasferimento di corrente tra la stazione di ricarica e la batteria
- Riduzione del tempo di ricarica con aumento della durata della batteria
- Miglioramento del supporto per i sistemi di ricarica ad alta potenza come i sistemi di ricarica rapida in CC
Per adottare definitivamente sistemi a 48 V per i veicoli full hybrid ed elettrici, tuttavia, sono necessari sistemi di controllo energetico in grado di gestire livelli di tensione più elevati, in modo da ottimizzare l'efficienza di ricarica, e connettori che contribuiscano a semplificare il passaggio a tale architettura di cablaggio.
Innovazioni nella connettività
Ecco perché innovazioni come i connettori di media tensione MX150 di Molex offrono importanti vantaggi. Basate sul design dei dispositivi MX150 di Molex già testati sul campo, queste soluzioni a fila singola e doppia supportano il passaggio all'architettura di cablaggio a 48 V, riducendo al minimo il lavoro di progettazione aggiuntivo.
Questo è solo uno degli esempi di come la progettazione di connettori all'avanguardia stia aprendo la strada a un futuro di veicoli elettrici più efficienti. Poiché le odierne soluzioni di interconnessione del settore automotive alimentano veicoli e caricabatterie, devono essere in grado di svolgere contemporaneamente quattro funzioni: supportare aggiornamenti efficienti, soddisfare i vincoli di spazio, mitigare la generazione di calore e resistere a condizioni difficili per garantire prestazioni sicure e affidabili.
Gli stessi veicoli elettrici necessitano di interconnessioni sigillate, miniaturizzate e rinforzate con passi maggiori e funzionalità più integrate. I caricabatterie avanzati per veicoli elettrici richiedono una gamma di dispositivi affidabili e accuratamente integrati come connettori filo-scheda, connettori scheda-scheda, morsettiere, morsettiere a barriera, connettori per schede di memoria e molto altro, tutti dispositivi che devono funzionare in modo continuo e prevedibile anche quando il livello della batteria è basso. Quando i conducenti si collegano alla rete di ricarica, è altrettanto imperativo evitare di mettere a rischio il veicolo, i suoi occupanti o le strutture circostanti.
Una posta così elevata richiede competenze ingegneristiche comprovate unite a una conoscenza approfondita del mercato, prospettive multidisciplinari e capacità di produzione integrata. Ad esempio, Molex collabora regolarmente con case automobilistiche di primo livello e fornitori affidabili del settore per diversificare le offerte ai clienti in modo sicuro, conforme agli standard e commercialmente attuabile. Molex utilizza inoltre la tecnologia dei gemelli digitali per ottimizzare in modo proattivo le prestazioni dell'intera gamma dei propri prodotti di connettività. La tecnologia dei gemelli digitali, basata su dati storici, algoritmi di apprendimento automatico e sugli ultimi progressi dell'IA, offre sia ai progettisti sia agli operatori informazioni tempestive sul mondo reale, per contribuire al miglioramento delle prestazioni.
Connettori PowerPlane Busbar
Questi connettori di alimentazione innovativi e adattabili offrono prestazioni ad alta corrente, molteplici configurazioni e svariate opzioni di funzionalità. La loro affidabilità progettata con precisione li rende ideali per una vasta gamma di applicazioni di distribuzione dell'alimentazione.
Prodotti EXTreme Power
Queste soluzioni, progettate appositamente per supportare applicazioni ad alta corrente con densità di potenza ottimali ed eccezionali capacità di gestione termica, sono disponibili anche in un'ampia gamma di configurazioni, per permettere ai clienti di continuare la propria evoluzione senza problemi.
Connettori Micro-Fit
La famiglia di connettori Micro-Fit può resistere a temperature d'esercizio fino a 125 °C. È possibile scegliere tra diverse dimensioni dei circuiti e lunghezze dei cavi in grado di supportare in modo efficace le configurazioni scheda-scheda, filo-scheda e filo-filo.
Connettori di media tensione MX150
I connettori di media tensione MX150 offrono il collaudato fattore di forma MX150 che consente aggiornamenti ai sistemi a 48 V con un impegno di progettazione minimo, supportando i miglioramenti di architettura con notevoli risparmi in termini di costi e peso.
Pin e presa Sentrality
Progettato con un gruppo presa conico compatto che supporta altezze di stack inferiori rispetto alla maggior parte degli equivalenti sul mercato (che utilizzano prese ben più grandi), il sistema di interconnessione pin e presa Sentrality offre connettori scheda-scheda, barra-scheda e barra-barra ad alta tensione e alta corrente. Fornisce inoltre una capacità di autoallineamento radiale leader del settore di +/-1,00 mm, per superare i problemi di accumulo di tolleranza.
Compactus
Questi connettori ibridi sigillati sono soluzioni di grado automotive innovative, robuste e ad alta densità, che aiutano i produttori a integrare maggiori capacità di trasmissione per alimentazione e segnale in spazi ristretti.
Man mano che la diffusa consapevolezza delle opzioni offerte dall'energia di trasformazione si combina alla crescente domanda dei consumatori in termini di maggiore sicurezza, comfort, praticità e dispositivi di infotainment sulle auto, i veicoli elettrici e le loro opzioni di ricarica potenziate iniziano a dominare la scena. In questo panorama di settore così sfaccettato, Molex collabora con Arrow Electronics per offrire soluzioni di interconnessione avanzate per svariate applicazioni dei veicoli elettrici. Le innovazioni di Molex, che includono connettori filo-filo, scheda-scheda e filo-scheda, oltre ad assemblaggi di cavi e sensori, riflettono decenni di comprovata esperienza nel settore automotive e forniscono prestazioni all'avanguardia che mantengono le continue novità per i clienti un passo avanti rispetto agli altri.
