Miniaturizzazione e aumento dell’efficienza. Una sfida aperta per i progettisti delle prossime vetture, soprattutto con l’introduzione progressiva dell’alimentazione e celle a combustibile.

Le celle a combustibile svolgono un ruolo chiave nella transizione verso le energie rinnovabili in termini di energia e mobilità. Ma la loro efficienza energetica rappresenta una sfida importante, in particolare nel settore dell’ingegneria automobilistica. I singoli componenti devono essere il più leggeri e piccoli possibile, pur attestandosi su fattori di alta efficienza. Uno di questi componenti è il convertitore CC/CC che modula la tensione della cella a combustibile per adattarsi all’azionamento, controllando il flusso di energia. Le competenze tecniche tradizionali sostenevano che sarebbe stato impossibile sviluppare un convertitore più piccolo dotato di maggiore efficienza. I ricercatori del Fraunhofer institut for Integrated Systems and Device Technology IISB hanno sfidato questi concetti, rendendo possibile l’impossibile sviluppando una nuova generazione di convertitori CC/CC che soddisfano esattamente questi requisiti. Questo passo verso il futuro ha fatto vincere ai ricercatori il Premio Joseph von Fraunhofer.

Una breve gita al supermercato o in città? I veicoli elettrici a batteria svolgono bene il loro lavoro quando si tratta di brevi distanze. Un motore a celle a combustibile, tuttavia, che converte l’idrogeno in elettricità, sembra essere la prospettiva più promettente per veicoli commerciali, aerei e navi. Tuttavia, questo richiede l’utilizzo di un gran numero di componenti che devono essere tutti più piccoli e più leggeri per rendere il veicolo il più efficiente possibile dal punto di vista energetico. Uno di questi componenti è il convertitore di alimentazione CC/CC . Esso adatta la tensione della cella a combustibile all’azionamento e controlla il flusso di energia.

Efficienza aumentata, perdite dimezzate

Bernd Eckardt e Stefan Matlok del Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB di Erlangen hanno sviluppato un convertitore CC/CC che raggiunge un’efficienza molto elevata nonostante il suo ingombro estremamente compatto; per la realizzazione di questo dispositivo hanno ottenuto il Premio Joseph von Fraunhofer. La giuria ha salutato il risultato di questo sforzo per la sua rilevanza futura e per il successo delle possibili applicazioni commerciali. “Mentre i convertitori CC/CC convenzionali hanno un’efficienza compresa tra il 97 e il 98%, il nostro raggiunge la soglia del 99%”, afferma Eckardt. “All’inizio potrebbe sembrare non eccezionale, ma ciò significa che le perdite sono più che dimezzate e ogni decimo di percentuale è importante”. Dopo tutto, ben 200.000 watt di potenza fluiscono attraverso il convertitore. Un tasso di perdita dell’uno percento significherebbe che due kilowatt di potenza vengono dissipati sotto forma di calore.

Controcorrente

Mentre i convertitori elettrici odierni per celle a combustibile occupano circa dieci litri di spazio di installazione, il convertitore del Fraunhofer IISB occupa solo la metà dello spazio. In combinazione con il suo fattore di alta efficienza, questo è un progresso sensazionale dato che si dice generalmente che le elevate frequenze di commutazione e i componenti di dimensioni ridotte causano le perdite maggiori. Sfidando questo concetto tradizionale, i due ingegneri hanno sviluppato nuove tecnologie che consentono ai convertitori di essere altamente efficienti, ma molto piccoli. “Quello che abbiamo ottenuto era ritenuto impossibile”, afferma Matlok. “Ciò che ha reso possibile il superamento di questo concetto è stato l’approfondimento degli effetti fisici di circuiti e componenti. È questa attenzione ai dettagli che ci ha permesso di comprendere e sfruttare i nuovi effetti fisici. Ciò, tra le altre cose, ha portato a nuovi metodi di commutazione. Inoltre, nuove tecnologie emergono costantemente: i nostri colleghi e le aziende specializzate dei settori interessati stanno sviluppando componenti sempre più potenti, che noi come team possiamo combinare per creare convertitori di potenza sempre maggiore. Dopo tutto, Fraunhofer IISB copre tutte le tecnologie chiave nell’elettronica di potenza e dispone delle apparecchiature di misurazione e produzione necessarie nei vari campi d’applicazione”. Proprio a questo proposito, Fraunhofer IISB si prende cura dell’intera catena del valore, dallo sviluppo dei materiali alla produzione di chip e alla tecnologia di confezionamento, fino ai sistemi elettronici di potenza.

Il trasferimento all’industria

I ricercatori hanno installato il convertitore di tensione su un’auto per testarne l’efficienza funzionale utilizzando una camera climatica presente in loco, con temperature variabili comprese fra -25 a +50 °C. Anche un test invernale effettuato in una gelida Norvegia da una casa automobilistica è andato molto bene. I due vincitori del premio intendono costituire una società prima della fine del 2020, con un piccolo team centrale per commercializzare i convertitori CC/CC.