Come alimentare una rete a bassa tensione di un veicolo elettrico fuoristrada dalla batteria di trazione

Il mondo è affascinato dai veicoli elettrici (EV) introdotti dalle principali case automobilistiche. Ciò è dovuto in parte alla pubblicità accattivante, in parte perché queste auto sono la perfetta espressione dell'ingegneria contemporanea. Nel frattempo, una enorme schiera globale di "eroi elettrici" sconosciuti continua tranquillamente la sua attività.

I cosiddetti veicoli fuoristrada (OHV) sono alla base dell'economia mondiale, in quanto circolano nei magazzini, nelle fabbriche, negli aeroporti, nei porti e in molti altri luoghi in cui è necessario spostare merci, bagagli e persone. Anche se un muletto elettrico e impolverato che lavora negli angoli più bui di un magazzino non ha lo stesso fascino di un EV elegante e sportivo che sfreccia in autostrada, svolge un ruolo ugualmente importante (Figura 1). E le sfide progettuali dei veicoli OHV sono altrettanto difficili, se non più, di quelle che si incontrano nello sviluppo di veicoli stradali.

Figura 1: Gli OHV elettrici, come i carrelli elevatori, presentano sfide notevoli per la progettazione. (Immagine per gentile concessione di Komatsu)

Non c'è una soluzione onnicomprensiva

Una tendenza chiave nel settore dei veicoli elettrici su strada è il passaggio dalle batterie di trazione a 400 volt ai sistemi a 800 volt. Si tratta di una decisione ingegneristica sensata, perché la tensione più elevata riduce la corrente richiesta per la stessa potenza erogata ai motori di trazione. Questo, a sua volta, riduce la dissipazione di potenza, consentendo l'uso di cavi più leggeri e motori più piccoli, pur garantendo le stesse prestazioni. Ci sono alcuni compromessi, come i requisiti di isolamento per una tensione più elevata, ma il passaggio a 800 volt è complessivamente positivo.

Mentre la potenza di 800 volt è ottima per spostare quattro persone per centinaia di chilometri a velocità autostradali, non è certo necessaria per un carrello elevatore elettrico che passa la sua vita a girare in un magazzino per poche ore al giorno, o per un carrello portabagagli che trasporta le valigie dei viaggiatori in aeroporto. Questa è una buona notizia per i progettisti di veicoli elettrici OHV, perché trovare spazio su un veicolo compatto per le 200 celle agli ioni di litio (Li-ion) che compongono una batteria da 800 volt nominali sarebbe decisamente difficile.

Gli OHV elettrici utilizzano invece batterie di trazione più piccole. A seconda dell'applicazione, le tensioni di trazione più comuni per gli OHV sono 24, 36, 48, 80, 96 e 120 volt. Tuttavia, sebbene le tensioni possano variare negli OHV, ciò che accomuna la maggior parte di questi mezzi è una rete a bassa tensione a 12 volt che alimenta componenti come luci, tergicristalli, clacson e sistema di ventilazione.

Eliminazione della batteria da 12 volt

I veicoli elettrici su strada sono generalmente dotati di una batteria convenzionale al piombo/acido da 12 volt per alimentare le reti a bassa tensione, anche se si stanno diffondendo batterie da 48 volt. Questa soluzione ha la sua ragione di essere perché consente di isolare fisicamente il lato di trazione ad alta tensione dalla rete a bassa tensione. Ciò significa anche che le funzioni accessorie, come lo sterzo elettrico o i sedili riscaldati, non devono attingere energia direttamente dalla batteria di trazione e quindi non incidono sull'autonomia, poiché la batteria a basso voltaggio viene caricata dalla frenata rigenerativa.

Sebbene sia possibile aggiungere una batteria da 12 volt a un motore OHV, in molti casi non è la soluzione migliore. La batteria ha bisogno di spazio, aggiunge peso, costi e complessità e spesso nelle applicazioni OHV la frenata rigenerativa non è sufficiente a mantenerla carica. In molti casi, i progettisti scelgono di attingere direttamente dalla batteria di trazione dell'OHV per alimentare la rete a bassa tensione. Inoltre, poiché l'autonomia di funzionamento di questi mezzi da lavoro è meno importante rispetto a quella dei veicoli elettrici da strada, il consumo di energia della batteria di trazione non è un problema.

Senza dimenticare che le tensioni più basse delle batterie di trazione dei veicoli OHV rendono meno rigide le norme sull'isolamento tra i circuiti di trazione e quelli a bassa potenza.

I robusti moduli c.c./c.c. si prestano bene a tale scopo

L'alimentazione di una rete a bassa tensione dalla batteria di trazione richiede un convertitore c.c./c.c. per abbassare la tensione a 12 volt. Il convertitore deve essere efficiente per ridurre al minimo il consumo della batteria di trazione e facilitare i problemi di gestione termica, abbastanza compatto per adattarsi allo spazio disponibile in un piccolo OHV e sufficientemente robusto per funzionare in modo affidabile in condizioni difficili.

I moduli di potenza della serie RMOD di RECOM, pronti all'uso, fanno al caso nostro (Figura 2). I moduli sono progettati per generare una bassa tensione dalla batteria di trazione del veicolo e sono disponibili in versioni con potenza di 400 watt e 600 watt. Sono sigillati con classificazione IP69K contro l'ingresso di polvere e acqua e sono certificati secondo la norma EN60068 per la resistenza a cicli di temperatura, urti e longevità, cicli di umidità/calore, vibrazioni, urti meccanici e nebbia salina. Sono inoltre isolati fino a 2,5 kilovolt (kV) in corrente continua e sono certificati secondo la norma IEC/EN/UL/CSA 62368-1.

Figura 2: I moduli c.c./c.c. RMOD di RECOM sono soluzioni robuste per l'alimentazione di reti a bassa tensione sfruttando le batterie di trazione. (Immagine per gentile concessione di RECOM)

Il modulo RMOD400-28-13SW della linea da 400 watt può accettare una tensione d'ingresso c.c. da 16,8 a 56 volt e fornire 30,8 ampere (A) a 13 volt. Misura 20,3 x 11,5 x 6 cm e ha un'efficienza dell'85%. La Figura 3 mostra le curve di efficienza del modulo per varie tensioni. È disponibile anche una versione con uscita a 24 volt (RMOD400-60-24SW).

Figura 3: Sono raffigurate le curve di efficienza del modulo c.c./c.c. RMOD400-28-13SW su un intervallo di tensioni di ingresso. (Immagine per gentile concessione di RECOM)

Il modello da 600 watt RMOD600-80-13SEW accetta un intervallo di tensione di ingresso c.c. da 33,6 a 125 volt e fornisce 46,2 A a 13 volt. Il modulo ha le stesse dimensioni e la stessa efficienza della versione da 400 watt. La Figura 4 mostra la dissipazione di potenza del modulo in funzione del carico. Il modulo richiede un'adeguata gestione termica per regolare la temperatura in presenza di carichi in uscita elevati.

Figura 4: Sono raffigurate le curve di dissipazione di potenza per il modulo c.c./c.c. RMOD600-80-13SEW. (Immagine per gentile concessione di RECOM)

Smaltire il calore

Grazie alla struttura impermeabile e antipolvere dell'alloggiamento, i dispositivi possono essere fissati al telaio dell'OHV e funzionare in modo affidabile anche nelle condizioni più avverse. I moduli devono essere montati su uno strato termoconduttivo e quindi su un elemento del telaio che funga da dissipatore di calore. Possono essere utilizzati a pieno carico in applicazioni chiuse, a condizione che il raffreddamento sia sufficiente a mantenere la temperatura della piastra base al di sotto di 70 °C.

È possibile far funzionare più moduli in parallelo, purché abbiano la stessa tensione nominale di uscita. Tuttavia, poiché non c'è condivisione della corrente attiva, il progettista deve essere consapevole che le unità collegate in parallelo potrebbero contribuire in misura diversa alla corrente totale del carico (Figura 5).

Figura 5: I convertitori c.c./c.c. RMOD di RECOM possono funzionare in parallelo, a condizione che abbiano la stessa tensione nominale di uscita. (Immagine per gentile concessione di RECOM)

Conclusione

I progettisti di veicoli OHV non sono obbligati a prevedere una batteria a bassa tensione aggiuntiva dato che la rete a bassa tensione utilizzata per i sistemi ausiliari del veicolo può essere alimentata dalla batteria di trazione. I moduli c.c./c.c. RMOD di RECOM offrono una soluzione plug-and-play specifica per questo scopo. Accettano un ampio intervallo di tensione in ingresso dalla batteria di trazione e forniscono uscite regolate, a basso ripple, da 13 volt per i sistemi ausiliari.