Sistemi Elettrici di Autoveicoli
Introduzione
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Introduzione
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Potenza ed energia dei S.E.B.: La tendenza
Grafico: da [4], del 2007
(Considerare solo gli andamenti della potenza)
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Costo del sistema elettrico/elettronico
(fonte: Ricardo)
<= Dati relativi a 2007
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Una possibile risposta: il 42 V
La grossa crescita delle potenze mostra sempre più il limiti degli attuali livelli di tensione:
3 kW/14V=> 250 A
Correnti così alte portano inevitabilmente a grandi quantità di rame, con grossi pesi e ingombri, o
ad aumenti di perdite nel cablaggio.
Anche gli apparecchi utilizzatori risultano appesantiti.
Quale nuovo livello? Gli attuali sistemi di bordo, basati sulla batteria da 12 V nominali vengono
gestiti a 14 V (2,33 V/cella). La tensione di sistema è quindi 14 V
Il nuovo sistema è bene che sia:
multiplo intero dell’attuale
il più alto possibile compatibile con la sicurezza.
Perché proprio 42 V:
la massima tensione continua considerata a sicurezza intrinseca è 60 V.
3x14=42 è il più alto multiplo intero che garantisce tensioni inferiori a 60 V anche in transitorio.
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Uno studio degli anni ‘90 relativo al 42 V
Un esempio dei risultati
NOTE
1) Prevista una fase
intermedia di
coesistenza dei due
livelli di tensione
2) l’introduzione
massiva inizialmente
prevista per il 20052015 è in ritardo.
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Schema di massima dei sistemi attuali
Switches di plancia
+
-
V*=14V
Carichi
Scelta del vettore elettrico Si sceglie la DC perché è necessario l’accumulo, perché la DC è
conveniente per la sicurezza e per l’alimentazione dei carichi, perché le dimensioni fisiche
del sistema tendono a scoraggiare sistemi a vettori multipli (ma si consideri il Dual Voltage)
Scelta dello schema di distribuzione La struttura di un autoveicolo è tale che il posto di
comando è unico. Ecco un radiale semplice con pilotaggio centralizzato. La complessità
crescente del sistema tende però a mettere in discussione questa struttura (v. lucidi seguenti).
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Introduzione delle Cassette di Distribuzione
Comandi
di plancia
bus di potenza
bus di segnale
+
-
cassetta di
distribuzione
linee di
alimentazione
carichi
Problema di partenza L’incremento dell’elettrificazione di bordo ha portato da schemi radiali molto
semplici (la prima Volvo nel 1927 aveva 4 linee protette da fusibili per un totale di 30 m di cavi) a
schemi estremamente complessi (una Volvo di punta del 1997 aveva 54 fusibili e 1200 m di cavi).
Questo porta lo schema radiale puro a risultare insufficiente per le necessità moderne.
Radiale composto con bus di segnale e bus di potenza Per realizzare un radiale composto a
pilotaggio centralizzato si utilizza l’accoppiamento di bus di segnale e bus di potenza. Oggi i veicoli
hanno al loro interno una o più reti di comunicazione per lo scambio di informazioni fra le ECU, che
costituisce ottimo supporto anche alla commutazione dei carichi elettrici
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Reti di comunicazioni intraveicolari (richiamo)
• Le necessità di comunicazione sono tali che oggi sono presenti più reti interconnesse, dotate di diverse
bande trasmissive Ad es. powertrain (motore e trasmissione), chassis (sospensioni, sterzo, frenatura),
body (comfort), infotainment.
• La rete più diffusa è la CAN (Controller Area Network): ha grande flessibilità e può essere scelta a
diverse velocità trasmissive; più reti CAN a diverse velocità possono dialogare fra loro mediante
interposizione di gateway. Dal 1993 è standard ISO(*) e standard de facto in Europa
• TTCAN (Time-Triggered CAN): quando la coordinazione temporale degli eventi temporizzazione sincrona
è essenziale (es. sistemi critici come X-By-Wire)
• SAE J1850
SAE ha classificato i protocolli di rete veicolistici in classi: A (fino a 10 kbps), prevalentemente per sensori e
attuatori; B (fino a 100 kbps), per trasmettere dati fra i nodi per eliminare alcune duplicazioni di sensori; C (fino a
1 Mbps) per applicazioni real-time.
I protocolli SAE J1850 sono di Classe B:
• protocollo a due fili da 41,6 kbps
• protocollo a singolo filo da 10,4 kbps
• Reti differenti possono coesistere se separate da opportuno Gateway.
(*) ISO 11519-1 Generalità e definizioni; ISO 11519-2 CAN fino a 125 kb/s; ISO 11898
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CAN fino a 1 Mb/s
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Introduzione dei sistemi Dual Voltage
Comandi
di plancia
bus di potenza
bus di segnale
+
-
42 V
14 V
cassetta di
distribuzione
linee di
alimentazione
carichi
Sistemi dual-voltage. Le potenze oggi richieste, e il trend di crescita prevedibile a breve ha portato a
considerare l'introduzione di un secondo livello di tensione: 42 V in aggiunta all’attuale 14 V.
Siccome il mercato è ricco di componentistica attualmente ottimizzata (e quindi conveniente) per il 14
V, è prevedibile che per molti anni saranno presenti sul mercato sistemi Dual-Voltage.
Il livello di tensione fa riferimento al normale esercizio del sistema: quelli attuali, con le batterie in
tampone a 2,33 V/elemento sono in realtà a 14 V non a 12 V.
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Introduzione dei sistemi Dual Voltage
Comandi
di plancia
bus di potenza
bus di segnale
+
-
42 V
14 V
cassetta di
distribuzione
linee di
alimentazione
carichi
Una batteria o due? E’ possibile concepire sistemi con una sola batteria a 42 V, o con due. Nel
secondo caso si ha maggiore affidabilità per via della ridondanza. In particolare si evita che i keyoff loads arrivino a scaricare l’unica batteria fino a impedire l’avviamento del veicolo (ma il
convertitore deve essere bidirezionale se si vuole che ogni batteria faccia da riserva all’altra)
Le prime realizzazioni commerciali di sistemi a 14/42 V sono previste su autovetture di lusso a
breve; taluni esempi sono già presenti nei sistemi con ISA (v. slide seguente).
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Introduzione di dispositivi ISA
Comandi
di plancia
bus di potenza
bus di segnale
ISA
42 V
14 V
cassetta di
distribuzione
linee di
alimentazione
carichi
Sistema integrato di avviamento-generazione (Integrated Starter-Alternator: ISA) Il crescere della
potenza elettrica in relazione alla potenza meccanica del veicolo comporta la necessità di alternatori sempre più
grossi; inoltre la progressiva riduzione dei costi dell’elettronica di potenza rende la conversione AC/DC
bidirezionale sempre più conveniente. Si prevede quindi un’unica macchina elettrica con funzioni di avviamento e
generazione.
Prelievo di potenza Il limite pratico per fornire la potenza all’alternatore attraverso cinghia di gomma è stimato
intorno ai 6 kW. Questa potenza risulta insufficiente in molti casi; molti costruttori pensano quindi di montare l’ISA
direttamente sull’albero motore, e addirittura di integrarne il progetto con il volano.
L’ISA è presente in alcuni veicoli in associazione con Dual Voltage (sinergia fra le due innovazioni)
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Sistemi con dispositivi ISA come veicoli ibridi
I veicoli ibridi elettrici sono veicoli nei quali sono presenti più sorgenti di energia per la propulsione , di cui
almeno una in forma elettrica.
combust.
convertitore
di energia
primaria
P1
Pu
Σ
Interfaccia
P2
Sistema di
accumulo
Controllo dell’ISA
ruote
motrici
42 V
14 V
ISA
Un ISA da 10 kW oltre a
effettuare frenatura a recupero
può funzionare anche da
booster di potenza, ad es. per le
accelerazioni nel traffico.
Consente una realizzazione
efficace della funzione
start/stop (anche se esistono
realizzazioni semplificate
basate sull’usuale motorino di
avviamento)
MCI
Somma delle potenze
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Honda Civic Hybrid (fonte: C. Chan)
Inverter
Engine:
1.34L 85 HP (63 kW) /119 Nm
Motor:
PM DC Brushless
10 kW / 62 Nm Assist
12.6 kW / 108 Nm Regen
Battery 144 V
NiMH
(Panasonic)
Engine
4-cyl. Gas
EM
10 kW PM
CVT or 5Speed MT
Front
Wheels
EPA MPG
AT BL
CVT
HEV
Gain
(%)
City
29
48
66
Highway
38
47
24
Note BL Engine:
Trans:
1.7L 115 HP/110lb-ft
4-Speed AT
IMA ---- Integrated Motor Assist
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Honda Civic Hybrid (fonte: C. Chan)
Engine:
1.34L 85 HP (63 kW) /119 Nm
Motor:
PM DC Brushless
10 kW / 62 Nm Assist
12.6 kW / 108 Nm Regen
144 V
ISA
14 EPA
V
MCI
12V
Starter
Inverter
Somma delle potenze
Engine
4-cyl. Gas
EM
10 kW PM
CVT
Battery 144
V NiMH
(Panasonic)
CVT or 5Speed MT
Front
Wheels
MPG
AT BL
CVT
HEV
Gain
(%)
City
29
48
66
Highway
38
47
24
Note BL Engine:
Trans:
1.7L 115 HP/110lb-ft
4-Speed AT
IMA ---- Integrated Motor Assist
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Citroen C3 con ISA (fonte: Ricardo)
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Esempio di distribuzione elettrica pilotata via CAN
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Sviluppo prevedibile
ISA
Progressiva eliminazione delle cassette di distribuzione E’ ipotizzabile che con l’evoluzione
tecnologica si abbia una riduzione di costi dell’elettronica di segnale tale che in molti casi il singolo
carico potrà essere dotato di proprio microcontrollore in grado di prelevare informazioni dalla linea di
segnale e connettersi o sconnettersi
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Classificazione dei sottosistemi
SISTEMA DI GENERAZIONE E ACCUMULO
• Sistema di generazione dell’energia e carica accumulatore
• Accumulatore elettrochimico di bordo
+
-
CARICHI
Switches di plancia
Sistemi per il funzionamento del motore di propulsione
• Sistema di avviamento motore
• Sistema di accensione della miscela (ciclo Otto)
• Sistema iniezione del combustibile
Sistemi per l’ausilio alla guida
• Illuminazione anteriore e posteriore
• Sistema antibloccaggio dei freni (ABS)
• Sistema di controllo della trazione (TCS)
• Sistema elettronico per la stabilità e sospensioni attive (ESP)
• Ausilio elettronico alla navigazione e al parcheggio
Carichi
Sistemi per il comfort
• Vetri elettrici, portiere elettriche, regolazioni elettriche del posto guida e degli specchietti, ecc.
• Sistema di climatizzazione (riscaldamento elettrico, controllo elettronico del condizionatore)
Altre utenze elettriche
• Sistema antintrusione
• Preriscaldo catalizzatore
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BIBLIOGRAFIA
[1] D. J. Holt: “Electronics: changing the shape of the automobile”, Automotive Engineering International,
October 2000
[2] J. Kassakian et al: “Automotive electronics power up”, IEEE spectrum, May 2000
[3] S. Barsali: “Sistemi di propulsione ibrida per autoveicoli” Giornata di studio Sistemi elettrici di bordo:
attualità e prospettive, Pisa, 14 giugno 2002
[4] M. A. Shrud et al: “42V power system architecture development”, 3rd Institution of Engineering and
Technology Conference on Automotive Electronics, IET Conferences, 2007.
E, riguardo alle reti di comunicazione intraveicolari:
[5] N. Navet, Y. Song, F. Simonot-Lion, C. Wilwert: “Trends in Automotive Communication systems,”
Proceedings of the IEEE, Vol. 93, No 6, June 2005.
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