Miglioramento dell'efficienza energetica nei contattori e nei relè per applicazioni mobili

Contattori e relè sono interruttori elettromagnetici essenziali per la gestione del flusso elettrico nelle applicazioni mobili. La loro funzione principale è controllare correnti e tensioni elevate, garantendo al contempo sicurezza ed efficienza operativa.

Per gli OEM che sviluppano componenti per veicoli industriali, questi interruttori svolgono un ruolo fondamentale nel funzionamento del veicolo, consentendo il collegamento e lo scollegamento della batteria sia in condizioni normali che in caso di guasto.

Una sfida fondamentale nell'utilizzo di contattori e relè, tuttavia, è il loro consumo energetico. Le grandi bobine necessarie per gestire questi dispositivi ad alta corrente possono assorbire energia in modo continuo, scaricando la batteria e riducendo l'autonomia del veicolo. Risolvere questo problema è essenziale per migliorare le prestazioni.

Innovazioni nell'efficienza energetica

Fortunatamente, l'industria ha sviluppato tecnologie avanzate di economizzazione che riducono significativamente l'assorbimento di potenza di contattori e relè, mantenendone l'affidabilità. Tra queste, alcune innovazioni chiave.

Una spazzatrice stradale elettrica che utilizza il relè Durakool DG86M. (Foto: Durakool)

Una di queste è la tecnologia a modulazione di larghezza di impulso (PWM). Modulando la larghezza di impulso elettrico, la PWM riduce il consumo energetico della bobina di circa il 50%. Ciò consente al contattore di rimanere inserito consumando meno energia, prolungando la durata della batteria e migliorando l'efficienza del veicolo.

C'è poi l'economizzatore a doppia bobina, che impiega una bobina ad alta potenza per l'attivazione iniziale e una a bassa potenza per il mantenimento del funzionamento. Ridurre il consumo energetico durante l'uso prolungato in questo modo migliora l'efficienza energetica. I modelli a doppia bobina offrono anche costi inferiori e meno punti di guasto grazie al minor numero di componenti utilizzati sul circuito stampato (PCB).

Tra i due, il PWM offre una migliore efficienza rispetto al design a doppia bobina e fornisce un controllo più preciso del consumo energetico, pur utilizzando un circuito elettronico più complesso. Tuttavia, la pulsazione può generare interferenze elettromagnetiche (EMI), il che richiederebbe una schermatura aggiuntiva per evitare di interferire con i circuiti elettronici esterni. L'economizzatore a doppia bobina, al contrario, non genera EMI, il che lo rende più affidabile.

Un terzo approccio per risparmiare sulla bobina consiste nel ridurre la tensione una volta che i contatti sono innestati. Sebbene efficace, questo metodo richiede un circuito esterno. Inoltre, sussiste il rischio di sottoalimentare la bobina, con conseguenti problemi di affidabilità.

In ogni caso, quando si seleziona la tecnologia appropriata per l'applicazione, gli OEM devono valutare attentamente questi compromessi.

Tecnologia a bobina sensibile

Un altro progresso nel campo è la tecnologia delle bobine sensibili. Questo approccio riduce il consumo energetico incorporando bobine ad alta resistenza che richiedono una corrente significativamente inferiore per funzionare. Ciò lo rende particolarmente adatto alle applicazioni dei veicoli elettrici (EV), dove contribuisce a ridurre i costi operativi, prolungare la durata della batteria e ridurre l'impatto ambientale complessivo riducendo al minimo l'energia richiesta per le funzioni di commutazione. Tuttavia, lo svantaggio è che il design può comportare una pressione di contatto leggermente inferiore, che a sua volta riduce la capacità di trasportare corrente.

Indipendentemente dalla tecnologia scelta dagli OEM, è necessario assicurarsi che ci sia un tempo minimo per il completo inserimento dei contatti, in genere compreso tra 100 e 200 ms.

Avanzamenti dei materiali di contatto

Un altro fattore cruciale per migliorare l'efficienza è la scelta del materiale giusto per i rivetti di contatto. La resistenza elettrica di questi materiali influisce direttamente sul consumo energetico, sulla generazione di calore e sulla durata del componente.

Il contattore Durakool DLVC300 viene utilizzato in alcuni carri attrezzi aeroportuali. (Foto: Durakool)

Esiste una gamma di materiali avanzati in grado di ottimizzare le prestazioni in diverse applicazioni. Il nichel-argento (AgNi), ad esempio, offre una bassa resistenza e riduce al minimo la perdita di energia nei relè che rimangono chiusi e trasportano correnti elevate per periodi prolungati. Al contrario, l'ossido di stagno-argento (AgSnO₂) offre un'elevata resistenza alla saldatura durante la commutazione sotto carico, riducendo l'accumulo di calore e lo spreco di energia.

Un'altra variante dell'argento è l'ossido di indio e ossido di stagno e argento (AgSnOInO), un materiale specializzato progettato anche per resistere alla saldatura, rendendolo ideale per applicazioni con frequenti commutazioni nei motori elettrici. AgSnOInO migliora l'affidabilità del sistema a lungo termine nelle applicazioni mobili riducendo significativamente il degrado dei contatti.

Due opzioni di rame includono il rame privo di ossigeno (Cu. C10200) e la lega di rame e argento (T2+Ag). Il Cu. C10200 offre una minore resistenza di contatto e prestazioni superiori quando si trasportano correnti elevate per lunghi periodi. Il T2+Ag è un materiale più duro che eccelle nella commutazione sotto carico, offrendo caratteristiche prestazionali diverse per applicazioni specifiche.

Sfide dell'adozione

Prima che gli OEM possano adottare e integrare tali miglioramenti nei loro progetti, devono affrontare alcune sfide chiave.

Un ostacolo è la gestione termica. Poiché le applicazioni ad alta corrente generano calore significativo, è necessario disporre di soluzioni di raffreddamento efficaci per mantenere le prestazioni e prevenire guasti prematuri.

Inoltre, la rapida crescita della produzione di veicoli elettrici ha portato a vincoli nella catena di approvvigionamento. Questi possono compromettere la disponibilità dei componenti da parte dei produttori, creando potenzialmente colli di bottiglia nei programmi di produzione.

Infine, la complessità di integrazione è dovuta alla mancanza di design standardizzati per i relè, che può portare a problemi di compatibilità. Ad esempio, diversi produttori potrebbero presentare variazioni nelle configurazioni dei pin, nelle modalità di montaggio o nell'assegnazione dei terminali. Gli OEM devono tenere conto di questa complessità durante la fase di progettazione per garantire un'integrazione fluida.

Applicazioni nel mondo reale

Carlos Mendes è product manager per il cambio di prodotto presso Durakool (Foto: Durakool)

L'impatto di queste tecnologie avanzate per l'efficienza energetica è particolarmente evidente nei componenti dei veicoli di nuova generazione che richiedono efficienza, durata e affidabilità. Ad esempio, queste tecnologie sono già state implementate con successo su autobus elettrici, veicoli postali, trattori da traino e macchine edili, come terne e sollevatori telescopici.

Con l'avanzare del settore, possiamo aspettarci di vedere altre innovazioni. Queste includono un'ulteriore miniaturizzazione dei componenti senza sacrificare le capacità ad alta corrente, soluzioni di gestione termica migliorate per migliorare l'affidabilità in ambienti difficili e una maggiore standardizzazione per semplificare le sfide di integrazione. Inoltre, materiali più sostenibili ridurranno l'impatto ambientale e consentiranno il riciclo dei componenti.

Il settore supererà le sfide dell'efficienza energetica attraverso l'innovazione continua e l'ingegneria strategica, dirigendosi verso un futuro più sostenibile ed elettrificato.