I veicoli elettrici autonomi traggono energia da due fonti: batterie a tensioni elevate e da una batteria convenzionale da 12 volt che alimenta il veicolo al minimo o in situazioni di carico elevato durante la guida. Sistemi critici per la sicurezza come i freni e lo sterzo possono quindi essere collegati a due fonti di alimentazione. Ma cosa succede quando uno di questi subisce un guasto, ad esempio un cortocircuito? Al fine di proteggersi da guasti totali e quindi da una situazione potenzialmente pericolosa, i ricercatori del Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM si sono uniti ai partner del progetto HiBord per sviluppare un dispositivo di disconnessione elettronica in grado di isolare tali guasti nei sistemi elettrici dei veicoli. Questo modulo è già stato testato con successo su una BMW i3.
Un problema di notevole entità
Secondo una valutazione ottimistica, l’organizzazione automobilistica tedesca ADAC prevede che entro il 2050 fino al 70% di tutti i nuovi veicoli sarà dotato di tecnologie che consentano ai conducenti di dedicarsi ad altre attività durante la guida in autostrada. Eppure i critici sono preoccupati da una serie di questioni irrisolte. Un sistema automatico rimarrà affidabile in caso di emergenza e cosa succede se si questo guasta per il manifestarsi improvviso di un cortocircuito?
Nelle odierne architetture di sistemi elettrici per veicoli parzialmente e completamente automatizzati, è prassi standard che le aree interessate da un guasto siano isolate per mezzo di un sistema di protezione da sovraccarico. Questa configurazione significa che il componente interessato viene spento completamente in caso di guasto. Per i veicoli parzialmente e completamente automatizzati, tale approccio è praticabile solo a condizione che vi sia ridondanza per tutti i componenti e per l’impianto elettrico di bordo; cioè, se questi siano presenti in duplicato. Eppure si tratta di dispositivi costosi, di grande peso e di notevole spazio, in particolare per quello che riguarda l’impianto elettrico di bordo. Nel progetto HiBord, i ricercatori del Fraunhofer IZM hanno collaborato con i partner dell’industria e con il Fraunhofer Institut per sviluppare un dispositivo di disconnessione che spenga i componenti difettosi nel sistema elettrico di bordo, pur salvaguardando l’alimentazione di sicurezza e quella dei componenti critici. Ciò garantisce una guida sicura senza la necessità di installare un doppio impianto elettrico di bordo.
Il momento giusto per portare a bordo passeggeri in tutta sicurezza
Sebbene possa sembrare una misura semplicemente economica, questo approccio rappresenta in realtà un miglioramento significativo in termini di sicurezza per la guida autonoma. Come spiega Phillip Arnold, ricercatore associato presso il Fraunhofer IZM: “Nei sistemi convenzionali, qualsiasi sottotensione durante la marcia può provocare un guasto improvviso e incontrollato dell’intera elettronica di bordo, compresi i sistemi di frenata e di sterzo. Ciò presenta un rischio inaccettabile, in particolare quando si viaggia ad alta velocità. Ma con il nostro nuovo modulo, parte del sistema elettrico di bordo continua a funzionare come prima, in modo che un veicolo completamente automatizzato abbia ancora tempo sufficiente per portare i passeggeri al sicuro, ad esempio sulla corsia di emergenza dell’autostrada o in un parcheggio.” Nel campo dell’elettronica di potenza, gli ingegneri utilizzano i cosiddetti MOSFET – transistor ad effetto di campo – per commutare o bloccare correnti elettriche di grande intensità. Dotato di 16 di questi interruttori MOSFET, il dispositivo di disconnessione di nuova concezione è in grado di commutare fino a 180 ampere di corrente. Se questo valore di soglia viene superato, ad esempio in caso di cortocircuito, l’interruttore elettrico si apre interrompendo così l’alimentazione. Inoltre, dato che gli interruttori MOSFET sono in grado di gestire fino a 300 ampere e quindi funzionano ben al di sotto del loro carico massimo consentito, hanno una durata notevolmente maggiore rispetto alle soluzioni convenzionali.
Sessanta volte più veloce dei sistemi convenzionali a fusibili
In occasione dei test in cui i ricercatori hanno provocato intenzionalmente dei cortocircuiti, i risultati hanno mostrato che il modulo è in grado di isolare in modo affidabile una corrente fino a 700 ampere senza che si verifichi alcuna propagazione del cortocircuito iniziale. Ci sono anche evidenti vantaggi rispetto ai sistemi convenzionali in termini di velocità di commutazione. Mentre un fusibile convenzionale impiega circa 20 millisecondi per scattare, il dispositivo di disconnessione rileva un guasto entro 10 microsecondi e richiede solo altri 300 microsecondi prima di scattare. Questo lo rende 60 volte più veloce degli attuali sistemi a fusibili.
Il modulo è già stato testato con successo in un veicolo dimostrativo BMW i3 ad alimentazione elettrica ed è progettato in modo da poter essere utilizzato, in linea di principio, in qualsiasi veicolo elettrico. Proteggendo da guasti elettrici improvvisi il sistema di alimentazione di bordo, questo nuovo sistema segna un passo rivoluzionario verso una guida autonoma, sicura e affidabile.
