Che sia autonomo, semi-autonomo o elettrico, il veicolo moderno consuma più energia: l'evoluzione verso un data center su ruote apre la strada a molte opportunità per migliorare l'efficienza energetica senza compromettere l'intelligenza.
Quanto più il veicolo è intelligente, tanto più l'efficienza energetica è una necessità. Una sfida continua per i veicoli a guida autonoma è l'immensa quantità di corrente necessaria per l'autonomia: i sensori di bordo assorbono una notevole quantità di energia mentre i computer di bordo effettuano costantemente calcoli per supportare decisioni di guida istantanee.
I molti gigabyte di dati generati al secondo richiedono energia. Quindi, proprio come un server o uno smartphone, il veicolo moderno deve avere un consumo energetico intelligente. Questo perché, a differenza di un server o di uno smartphone, il consumo energetico nell'automotive influisce sul risparmio di carburante e sull'autonomia dei veicoli elettrici.
Ogni funzione dell'auto richiede energia
Il consumo di corrente dell'automobile tipica è aumentato sempre di più nel corso dei decenni. Sono finiti i giorni delle semplici autoradio o dei mangianastri per l'intrattenimento a bordo: serrature e alzacristalli elettrici ora sono di serie. Persino il sistema avanzato di assistenza alla guida (ADAS) di base con telecamera per la retromarcia è ora di serie, se non addirittura obbligatorio. Ciò significa che anche il cruscotto di una modesta auto nuova somiglia più alla console di un controllo missione della NASA.
Se a questo aggiungiamo il GPS, la radio satellitare e l'archivio multimediale di bordo, i requisiti energetici di un veicolo medio aumentano rapidamente; senza contare la minore autonomia, oltre a tutti i contenuti elettronici e la capacità di calcolo necessari per un veicolo a guida autonoma. L'architettura dell'auto è piena di sistemi elettronici integrati necessari per supportare il motore, il telaio, le funzioni di sicurezza e l'intrattenimento dei passeggeri.
L'elettronica del motore, sotto forma di unità di controllo del motore (ECU), viene distribuita nell'auto moderna per controllare funzioni quali le emissioni, l'accensione, il raffreddamento, l'accelerazione e l'iniezione di carburante. Queste ECU devono comunicare con i sottosistemi elettronici del telaio, che comprendono il controllo della trazione, la ripartizione elettronica della forza frenante, il sistema di frenatura antibloccaggio e l'assistenza al parcheggio. Anche i sistemi di sicurezza passiva richiedono componenti elettronici: per il controllo e l'apertura degli airbag, la frenatura d'emergenza e il controllo automatico della velocità in discesa, in caso di collisione o altro incidente stradale.
Meno fondamentali, ma comunque di serie, sono le funzioni pensate per il comfort dei passeggeri, come il climatizzatore automatico, la regolazione elettronica dei sedili, i controlli automatici ambientali e i tergicristalli automatici, nonché i sistemi di intrattenimento e di navigazione: tutti rientrano nell'ambito dei sistemi di "infotainment".
Tutti questi contenuti elettronici si evolvono e proliferano man mano che i veicoli diventano più intelligenti, mentre i sistemi come l'ADAS dipendono sempre di più dall'elettronica, incorporando display HUD e il riconoscimento dei gesti nell'abitacolo. Più elettronica e capacità non significano necessariamente più corrente: anche sulle auto, come sugli smartphone, è possibile aumentare le funzionalità e anche l'efficienza energetica.
Trasferimento e memorizzazione efficienti dei dati delle auto
Le opportunità per ridurre il consumo di energia nell'auto si possono trovare in molti componenti elettronici necessari per rendere il veicolo moderno più intelligente e autonomo: dispositivi di memoria e archiviazione, sensori e connettività, sia cablata che wireless.
Anche se per raggiungere la piena autonomia di livello 5 ci vorrà del tempo, l'autonomia di livello 2 e livello 3 sotto forma di sistemi di monitoraggio del conducente, cruise control adattivo, mantenimento della corsia e frenata automatica si traducono in una maggiore quantità di dati: vale a dire più memoria e archiviazione dati. È qui che la memoria ad alta efficienza energetica svolge un ruolo importante nella riduzione del consumo energetico complessivo del veicolo, anche se i sistemi diventano sempre più complessi e l'elaborazione avviene sempre più all'interno dell'auto.
Le funzioni che richiedono una memoria con maggiore capacità e un'elaborazione rapida possono utilizzare LPDDR4X/5X per bilanciare prestazioni e potenza, mentre ci avviciniamo alla realizzazione di veicoli autonomi di livello 4 e 5 che eseguono applicazioni abilitate all'intelligenza artificiale, che devono anche soddisfare elevati livelli di sicurezza funzionale. La memoria flash NOR è ideale per l'archiviazione di piccole quantità di dati attraverso i dispositivi presenti nel veicolo e per supportare i requisiti di "accensione istantanea", che permettono di non consumare energia fino a quando non viene girata la chiave nell'accensione.
Per l'archiviazione ad alta capacità, i dispositivi basati su flash NAND che sono stati ottimizzati in altri casi di utilizzo, ad esempio con l'uso di eMMC o Universal Flash Storage (UFS), possono archiviare i dati di infotainment. È anche possibile utilizzare unità SSD per consolidare un dispositivo di archiviazione delle informazioni con intelligenza integrata che dia priorità alla disponibilità e all'affidabilità dei dati mission-critical. La loro affidabilità è dovuta in parte alla mancanza di parti mobili, che contribuisce anche a migliorare il profilo di consumo energetico.
A parte la memoria e l'archiviazione, connettività e sensori sono ovunque nei veicoli moderni: non si tratta semplicemente di data center su ruote, ma di veri e propri ecosistemi Internet of Things (IoT) con dispositivi di bordo che devono comunicare tra loro e con l'ambiente circostante, soprattutto se il veicolo è completamente autonomo.
Anche i piccoli sensori vanno alimentati e, quando ce ne sono molti, il consumo energetico aumenta: l'auto moderna è piena di sensori che permettono di monitorare le condizioni del veicolo, di rilevare ostacoli durante la guida e il parcheggio e persino di monitorare la salute del guidatore: un sensore di temperatura a infrarossi a bassa potenza richiede circa 15 mW di potenza, che non sembra molto. Tuttavia, una delle sfide principali della progettazione automobilistica è che l'energia viene inevitabilmente dispersa sotto forma di calore. Una parte dell'energia dispersa può essere recuperata raccogliendo il calore di scarto con generatori termoelettrici (TEG), che fungono da fonti di energia, soprattutto nei sistemi integrati. Essendo a stato solido, richiedono pochissima manutenzione e migliorano le prestazioni complessive del sistema contribuendo all'alimentazione dei sensori.
Anche l'Ethernet per il settore automobilistico svolge un ruolo fondamentale nell'efficienza energetica, perché permette di spostare i dati dove necessario all'interno del veicolo. L'alimentazione Power over Ethernet elimina la necessità di fonti di corrente aggiuntive, riduce il cablaggio necessario e consente il trasferimento di dati tra i dispositivi del veicolo alla velocità consueta. L'Ethernet ad alta efficienza energetica, invece, riduce il consumo energetico spegnendo i segmenti di rete quando il motore è spento e utilizzando l'Ethernet ad alta efficienza energetica quando il motore è acceso.
Dissipazione del calore nelle applicazioni automobilistiche
Un'altra strada per migliorare il consumo energetico nel settore automobilistico è rappresentata dai semiconduttori ad ampia banda proibita, o wide band gap (WBG), che utilizzano materiali come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), entrambi con una banda proibita energetica relativamente ampia. Rispetto al silicio, il carburo di silicio e il nitruro di gallio possono offrire significativi miglioramenti delle prestazioni e una migliore efficienza e affidabilità operativa in ambienti difficili, incluso il settore automobilistico.
Anche la tecnologia dei resistori ha un ruolo nell'efficienza energetica del settore automobilistico. I resistori con terminale largo, ad esempio, hanno un eccellente rapporto energia/dimensioni in quanto dissipano gran parte del calore attraverso i terminali larghi del dispositivo, mentre la progettazione "a zone calde ridotte" dei resistori a tolleranza di impulso implica che possono dissipare più energia allo stato stabile.
Più strade per la gestione della potenza nel settore automobilistico
L'efficienza energetica nei veicoli moderni è ormai un fattore importante e non è più possibile prescindere dal consumo energetico nella scelta del calcolo, della memoria, dell'archiviazione o della connettività necessari per il trasferimento dei dati nel settore automobilistico. Quanto più il veicolo è intelligente, tanto più l'efficienza energetica deve essere prioritaria e gestita attraverso la riduzione del consumo di corrente, la raccolta di energia e una migliore gestione termica.
