La tendenza verso l'elettrificazione automotive

L'evoluzione del settore automotive attraverso l'elettrificazione - la sostituzione dei tradizionali sistemi ad azionamento meccanico con componenti e impianti elettrici - sta alterando profondamente la concezione dei veicoli odierni, da quelli con motori a combustione interna agli ibridi leggeri fino alle architetture completamente elettriche.

L'elettrificazione dei treni è avvenuta progressivamente nel corso degli anni. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Sebbene i sistemi si siano evoluti dai carburatori e dai semplici sistemi di scarico agli iniettori di precisione, ai sistemi di emissione e ai sistemi di controllo della trazione e della frenata, si sono compiuti analoghi progressi nell'elettrificazione con nuove architetture, componenti per i motori elettrici, gruppi di batterie ed elettronica di potenza avanzata. Insieme, questi progressi stanno spingendo gli ingegneri a reimmaginare il modo in cui i veicoli sono progettati e guidati per ottenere la massima efficienza, affidabilità e sicurezza.

Gli esperti di due aziende leader nel settore dell'elettronica - Matt McWhinney e Kirk Ulery, responsabili dello sviluppo commerciale presso Molex e Shawn Luke, responsabile di marketing tecnico per DigiKey - hanno fatto luce sullo stato attuale della tendenza verso l'elettrificazione e sulle considerazioni chiave per il futuro del settore automotive.

Panorama del modello di veicolo

Nonostante la domanda di veicoli elettrici e ibridi continui a crescere, negli ultimi mesi le vendite di nuovi veicoli elettrici sono rallentate a causa di molti fattori, tra cui il mercato e le politiche pubbliche. Gli esperti del settore citano i costi e la limitata infrastruttura di ricarica tra le ragioni principali.

"L'elettrificazione in Nord America finora è stato un processo discontinuo", ha dichiarato Ulery. "Se si percorrono più di 150 km, si sa che l'infrastruttura di ricarica non ha ancora una distribuzione così capillare sul territorio e questo problema deve essere affrontato".

I veicoli ibridi, invece, stanno superando le vendite di quelli elettrici. Secondo i dati di Edmunds, gli acquisti di veicoli ibridi hanno registrato la maggiore impennata nel 2023, passando da oltre 750.000 unità nel 2022 a oltre 1 milione di unità nel 2023.

Un'altra categoria emergente è quella degli ibridi leggeri, che utilizzano un motore elettrico alimentato a batteria per integrare il consumo di benzina o gasolio. La maggior parte degli ibridi leggeri funziona con un impianto elettrico a 48 V, una tensione più elevata rispetto a quella dei veicoli tradizionali con motore a combustione. Il sistema a 48 V alimenta componenti che non dipendono dal motore, per una migliore efficienza operativa.

Anche con il rapido ritmo dell'innovazione nella progettazione automotive, i veicoli a benzina dominano ancora sulle strade. Secondo una ricerca condotta da Edmunds, l'82% dei nuovi veicoli venduti oggi è alimentato a benzina. Tuttavia, la tendenza verso l'elettrificazione è ben avviata tra i veicoli tradizionali e i modelli elettrici high-tech più avanzati.

Vano motore elettrificato

Ulery osserva: "Una costante a cui assistiamo è l'aumento dell'elettrificazione. I sistemi meccanici passano all'elettrico in tutti i veicoli per molte ragioni, soprattutto per aumentare l'efficienza".

Un esempio è la tecnologia di avviamento-arresto, che spegne il motore quando il veicolo si ferma e lo riavvia automaticamente quando il conducente rilascia il freno o preme il pedale dell'acceleratore Sebbene questa caratteristica possa comportare una richiesta supplementare per alcuni componenti, punta a migliorare l'efficienza del consumo di carburante e a ridurre le emissioni di gas serra.

Altri esempi di elettrificazione nel vano motore sono le ventole del radiatore, il servosterzo, i sistemi HVAC e le pompe di raffreddamento. Tutti questi sistemi prima erano alimentati dalle cinghie di un motore a combustione interna (ICE). Le pompe dell'acqua elettriche stanno sostituendo quelle meccaniche del radiatore per efficientare le prestazioni e il controllo preciso del raffreddamento elettrico può prolungare la durata di questi componenti. Con la gestione estesa della batteria, fanno anche circolare il liquido di raffreddamento in tutto il veicolo per regolare la temperatura del gruppo di batterie, dei motori elettrici e dell'elettronica di potenza.

Passando a moduli ad alimentazione elettrica, come le pompe del servosterzo, il sistema non dipende più dal motore, riducendo i carichi parassiti e offrendo una maggiore potenza disponibile. Pertanto, le case automobilistiche possono installare motori più piccoli in alcuni veicoli e mantenere le stesse prestazioni di guida, ottenendo vantaggi in termini di efficienza e producendo emissioni inferiori.

"L'elettrificazione ha aperto le porte a nuovi concetti di veicoli innovativi", osserva Luke. "Senza la necessità di ospitare l'architettura della cinghia in un tradizionale motore a combustione interna, i produttori di automobili hanno maggiore flessibilità su dove collocare le batterie e le porte di ricarica, aumentando la quantità di spazio disponibile per i passeggeri o le merci".

In generale, la tendenza verso l'elettrificazione sta sostituendo i tradizionali sistemi meccanici con sistemi di precisione a controllo elettrico che possono essere più efficienti. Grazie ai progressi del software di controllo, i veicoli moderni sono più puliti, più efficienti dal punto di vista energetico e offrono prestazioni e sostenibilità sia per i passeggeri sia per i conducenti commerciali.

Progressi nelle batterie dei veicoli

Nell'ultimo decennio, i produttori di veicoli sono passati da 12 V a tensioni più elevate, come 24 V (soprattutto per i veicoli commerciali) e ora a batterie da 48 V per aumentare la potenza, ridurre il peso del veicolo, migliorare l'accelerazione e risparmiare sul carburante.

La ricarica di veicoli elettrici a 48 V richiede capacità di alimentazione della stazione di ricarica più sicure e affidabili. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

La legislazione statunitense ed europea ha posto le basi per la riduzione delle emissioni nei veicoli di nuova costruzione. La combinazione di forze normative e di mercato sta alla base del crescente passaggio ad architetture ibride leggere, che includono generatori di avviamento integrati; la tensione a 48 V sta crescendo non solo nei veicoli ibridi leggeri ma sembra destinata a emergere anche in un maggior numero di piattaforme ICE.

Il passaggio all'architettura a 48 V non comporta solo un aumento della tensione di sistema, richiede anche una modifica della base elettrica. I veicoli ricchi di funzioni e con prestazioni più elevate si affidano a componenti più leggeri e più piccoli che garantiscono la stessa efficienza elettrica di un modello a densità più elevata.

Ulery afferma: "L'aspetto comune è che sia i sistemi a 12 V sia quelli a 48 V spostano le tradizionali funzioni meccaniche da una cinghia a serpentina a una serie di motori elettrici". Ha condiviso l'esempio di un pick-up pesante che utilizza l'energia meccanica per il servosterzo. In molti veicoli, questa funzione sta diventando elettrica. "La quantità di energia necessaria per il servosterzo sottrae cavalli al motore quindi, spostandola su un impianto elettrico separato, i conducenti possono mantenere una maggiore potenza nella trasmissione".

Il passaggio del settore automotive a sistemi a tensione più elevata è graduale, dato l'impatto significativo sulla progettazione e sulla produzione. La transizione di ciascun produttore segue tempistiche diverse, in base ai prodotti, alla maturità tecnica e alle esigenze dei clienti. Inoltre, tutti sono tenuti a rispettare gli standard e le pratiche di progettazione relative alle tecnologie che utilizzeranno, tra cui:

• La norma ISO 21780 riguarda i requisiti e le prove per i componenti elettrici ed elettronici dei veicoli stradali dotati di un impianto elettrico funzionante a una tensione nominale di 48 V.
• La Raccomandazione VDA 320 è pubblicata e gestita da ZVEI, l'associazione tedesca dei costruttori elettrici ed elettronici, e copre un'ampia gamma di specifiche e requisiti di prova per i componenti elettrici ed elettronici dei veicoli a motore per sviluppare l'alimentazione a 48 V.

Attenersi allo standard per una gestione intelligente delle batterie è parte integrante del successo dell'architettura a 48 V. Con il giusto processo di progettazione, le case automobilistiche possono evitare un immagazzinaggio dell'energia inefficiente, un aumento dei costi e potenziali rischi alla sicurezza dei conducenti.

Nozioni di base sull'interconnessione per dare priorità alla sicurezza

Con i veicoli che richiedono più potenza che mai per supportare funzioni elettriche sempre più sofisticate, un connettore affidabile per i sistemi a 48 V si basa su diversi fattori fondamentali per soddisfare le prestazioni e gli standard di sicurezza del veicolo.

McWhinney afferma: "Per la sicurezza è essenziale disporre di elettronica, infrastruttura e delle interconnessioni per supportare il veicolo".

Poiché i sistemi a 48 V funzionano a una tensione più elevata (rispetto a quelli a 12 V), i connettori e gli impianti elettrici devono essere realizzati con materiali robusti e un isolamento adeguato per garantire prestazioni sicure e affidabili. Questo aspetto diventa ancora più importante se la tensione è superiore a 48 V.

I guasti ai connettori possono causare malfunzionamenti del sistema del veicolo o rischi per la sicurezza. Per prevenire le disconnessioni, i connettori devono prevedere meccanismi di bloccaggio e di scarico della trazione, oltre a ispezioni e controlli di manutenzione regolari.

"Il controllo della sicurezza e del monitoraggio dell'impianto elettrico non è mai stato più importante", afferma McWhinney.

Per le applicazioni a tensione più elevata, è fondamentale mantenere la qualità del segnale. Una scarsa integrità del segnale può causare malfunzionamenti, per cui i connettori devono ridurre al minimo la perdita di segnale e l'interferenza con cavi schermati, nonché una messa a terra adeguata e un posizionamento strategico. Affrontare queste considerazioni richiede innovazione e competenza, ed è qui che entrano in gioco le soluzioni di connettori avanzate.

"L'importanza dell'interconnessione nella progettazione automotive non è da sottovalutare, soprattutto nell'ottica della sicurezza", aggiunge Luke.

Tenere il passo con le modifiche e la certificazione dei componenti

Il rispetto dei requisiti di sicurezza è una priorità assoluta, ma McWhinney osserva che un'ulteriore sfida è data dal costante cambiamento dei requisiti dell'impianto elettrico dei veicoli, che spinge i produttori a tenere il passo e a rivedere costantemente i connettori e altri componenti.

I produttori possono sempre fare riferimento allo US Council for Automotive Research (USCAR) per tener traccia dei requisiti prestazionali ed esaminare attentamente e certificare i componenti approvati per un uso sicuro nel settore automotive.

I componenti che sono conformi alle qualifiche USCAR/LV214 o simili sono in genere parti di alta qualità, robuste e affidabili in grado di resistere ai colpi sulla strada senza sacrificare le prestazioni. Ad esempio, la serie di connettori MX150 di Molex offre componenti progettati per veicoli che affrontano ambienti difficili e resistono a temperature estreme, vibrazioni e umidità.

In figura è mostrato un connettore Molex su un CyberTruck. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Luke osserva: "Con le maggiori opportunità di innovazione nella progettazione dei veicoli, un numero crescente di case automobilistiche sta abbracciando le pratiche di elettrificazione. A causa del ciclo di innovazione iperveloce, esistono poche piattaforme standard in questo ambiente. Tuttavia, la maggiore varietà offre ai consumatori più opzioni e prevediamo che il costo dei veicoli probabilmente diminuirà con l'avanzamento della tecnologia e l'aumento della produzione".

Una considerazione sui veicoli commerciali

Sebbene si sia parlato molto di autovetture, tutto ciò che è stato discusso in questo articolo è già in atto da molto tempo nel settore dei veicoli commerciali (CV). I veicoli commerciali sono passati rapidamente da sistemi a 12 a 24 V per alimentare i motori diesel e alcuni sistemi elettrici, il che in passato ha permesso di utilizzare motorini di avviamento più piccoli. Da tempo anche gli impianti HVAC dei veicoli commerciali sono elettrici, in particolare negli autobus, nei veicoli per l'edilizia e l'agricoltura e negli autocarri pesanti.

In genere, i veicoli commerciali sono utilizzati per produrre introiti economici, quindi devono funzionare in modo affidabile. L'affidabilità per un CV è solitamente una necessità più impellente rispetto alle altre autovetture, quindi è necessaria una maggiore tenuta e robustezza.

Che si tratti di progettare veicoli per passeggeri o commerciali, oggi gli ingegneri devono prendere in considerazione numerosi sistemi e caratteristiche complesse e impianti energivori che non solo soddisfino la domanda dei consumatori e del commercio, ma siano anche altamente efficienti, durevoli e sicuri. Fortunatamente, i fornitori di tecnologia sono pronti a creare la tecnologia necessaria per risolvere questi problemi che rallentano l'innovazione.

Mentre gli ingegneri del settore automotive trasformano il futuro dei trasporti, fornitori come Molex e distributori come DigiKey sono pronti per questa trasformazione, fornendo componenti, servizi e competenze di alta qualità.