Oltre alle preoccupazioni ambientali ed economiche, le recenti crisi geopolitiche hanno aumentato anche l’attenzione sulla sicurezza energetica. Tutti questi fattori hanno accelerato l’adozione dell’elettrificazione nei trasporti in varie forme, dai microibridi e mezzi di trasporto individuale come scooter e biciclette, fino agli autobus urbani e ai camion pesanti alimentati a batteria.
In questo contesto, gli sforzi di sviluppo si sono concentrati sulle principali tecnologie abilitanti di questo nuovo paradigma: i propulsori elettrici e i pacchi batteria. Tuttavia, un’analisi più approfondita mostra che l’elettrificazione influenzerà, in misura maggiore o minore, l’intero ecosistema di fornitura dei sistemi veicolari, portando una serie di sfide tecnologiche, ma anche grandi opportunità per sviluppare sistemi più efficienti e competitivi sul mercato.
Motori a combustione interna (ICE) e dispositivi ausiliari
Nei veicoli alimentati da motori a combustione interna (ICE), i cosiddetti ausiliari o dispositivi aggregati (pompe, compressori, attuatori, ventole, ecc.) sono alimentati da motori elettrici collegati alla rete a bassa tensione. Attualmente, lo standard è di 12V per i veicoli leggeri e 24V per i veicoli commerciali, sebbene la tecnologia a 48V stia guadagnando sempre più importanza. Un secondo approccio prevede l’azionamento diretto tramite l’albero motore mediante un sistema di pulegge e cinghie.
In generale, questi dispositivi sono dimensionati per funzionare al di sopra del minimo necessario per compensare le variazioni di velocità e di rotazione. Nei veicoli elettrici, tali pulegge sono assenti, rendendo necessario l’uso di motori o attuatori elettrici per azionarli. Se da un lato ciò comporta una revisione di molte tecnologie consolidate e mature, dall’altro apre nuove possibilità per componenti e sistemi più compatti, efficienti e con un funzionamento più preciso.
La Bosch è un esempio di eccellenza nello sviluppo di pompe dell’olio elettriche in grado di soddisfare le principali esigenze del mercato nel settore dei veicoli elettrificati. Queste pompe ottimizzano le funzioni di raffreddamento, lubrificazione e attuazione delle trasmissioni automatizzate. Questo stesso approccio viene presentato in dettaglio nello studio di caso sviluppato in collaborazione con Ansys.
Figura 1: (A sinistra): pompa a pistoni assiali variabili Bosch. (A destra): Pressione variabile applicata alle superfici del pistone per adattarsi alle condizioni reali.
Sistema HVAC
I sistemi di aria condizionata sono un altro esempio di dispositivi ausiliari che, nei veicoli con motori a combustione, vengono azionati tramite accoppiamento all'albero motore. Nei veicoli elettrici, l’azionamento di compressori e ventole deve essere effettuato direttamente tramite motori elettrici dedicati. Inoltre, vi è un grande potenziale di sviluppo per i motori elettrici di questi componenti con valori di tensione significativamente superiori ai tradizionali 12V, consentendo design più compatti, un minore consumo di materiali, una maggiore efficienza e un migliore controllo termico.
Figura 2: Analisi del comfort termico
Negli autobus urbani, il sistema di aria condizionata è obbligatorio e il consumo di energia (in particolare quello assorbito dai compressori) può rappresentare fino alla metà del consumo totale di esercizio del veicolo.
Per rendere possibile questa applicazione, l'attenzione al sistema HVAC e agli aspetti di efficienza e isolamento termico è tanto rilevante quanto le prestazioni dei sistemi di batterie e di propulsione.
Un altro aspetto che richiede una maggiore attenzione è il comfort acustico, poiché, in assenza del rumore del motore a combustione, la percezione degli altri rumori diventa più evidente.
Raffreddamento dei motori
Le tecnologie sviluppate a partire dagli anni ‘90, come i progressi nei materiali magnetici, l’elettronica di potenza e le nuove metodologie di progettazione basate sul metodo degli elementi finiti, hanno portato a un’evoluzione senza precedenti dei drive elettrici, consentendo densità di potenza e di coppia sempre maggiori.
Tuttavia, il principale fattore limitante nella compattazione dei motori elettrici – ovvero la densità di corrente nei loro conduttori – dipende direttamente dal metodo e dall’efficienza del loro sistema di raffreddamento.
Figura 3: Concetto per la verifica della gestione termica del motore elettrico.
Con le attuali limitazioni in termini di costo e peso delle batterie, la chiave per rendere fattibili le applicazioni di elettrificazione è l’efficienza. L’efficienza globale è fondamentale per ridurre i costi di produzione dei veicoli, aumentare l’autonomia, abbassare i costi energetici e ridurre i tempi di ricarica.
Volkswagen è riuscita, grazie alla simulazione, a gestire le fluttuazioni termiche che avrebbero potuto sovraccaricare la batteria della ID.R Race Car, permettendole di battere il record sul circuito del Nürburgring. Scopri i dettagli di questo progetto nel video realizzato da Ansys.
Oggi, il raffreddamento dei motori elettrici rappresenta la frontiera dell’evoluzione tecnologica in questo settore. La prossima generazione di veicoli elettrici si distinguerà per lo sviluppo integrato degli aspetti termici ed elettromagnetici delle macchine elettriche.
Sistemi innovativi di raffreddamento, come il raffreddamento diretto degli avvolgimenti tramite spray d’olio, richiederanno nuove e più avanzate tecniche di analisi e progettazione.
Trasmissione per powertrain elettrico
Lo sviluppo delle trasmissioni per powertrain elettrico presenta caratteristiche e sfide specifiche: in molti casi, la velocità di ingresso della trasmissione (e quindi di uscita del motore) può raggiungere i 10.000 giri/min, e sono già in fase di studio motori con regimi superiori ai 15.000 giri/min. Inoltre, nella maggior parte dei casi, le scatole di trasmissione operano con rapporto costante o, al massimo, con due velocità.
Sebbene questa caratteristica possa sembrare semplificare il sistema, implica che la trasmissione debba operare con elevata efficienza, alte prestazioni e bassa rumorosità su una gamma di regimi molto più ampia rispetto ai tradizionali motori a combustione interna. Le alte velocità di rotazione pongono sfide significative nella costruzione di questi componenti, nonché nella loro lubrificazione e gestione termica.
L’approccio volto a migliorare l’integrità strutturale e a valutare i relativi fattori di degrado delle prestazioni è stato analizzato da SEW-Eurodrive Brasil. Al termine dello studio, condotto tramite simulazione numerica, è stato verificato un aumento della rigidità del sistema del 60%.
Sospensioni
L’aumento del peso dovuto al pacco batterie rappresenta una sfida considerevole per lo sviluppo e l’applicazione dei sistemi di sospensione, sia per i veicoli leggeri che per quelli commerciali.
Nei veicoli leggeri, il peso aggiunto dalle batterie può rappresentare fino alla metà del peso totale del veicolo. Inoltre, la distribuzione della massa viene completamente modificata dalla loro presenza.
Lo sviluppo di sospensioni che garantiscono comfort e sicurezza, senza compromettere la loro durabilità, deve necessariamente tenere conto di questi fattori.
Figura 4 e 5: Analisi dinamica del sistema di sospensione e smorzamento.
Per i veicoli commerciali, il peso aggiuntivo rappresenta una sfida ancora più grande: esistono rigide regolamentazioni sulla massa totale per asse per questa categoria di veicoli, al fine di limitare i danni al manto stradale.
Per compensare la massa extra dovuta al pacco batterie (che può arrivare a diverse tonnellate) senza ridurre la capacità di carico o il numero di passeggeri, spesso è necessario adottare nuove configurazioni degli assi.
Anche il comportamento dinamico del veicolo è influenzato dal peso aggiuntivo e dallo spostamento del baricentro. Valutazioni sulla maneggevolezza, la risposta in termini di rigidezza, stati di tensione e fatica del sistema sono possibili solo con una rappresentazione flessibile dei vari componenti che lo costituiscono. Gli strumenti di analisi dinamica multibody sono la soluzione ideale per creare una rappresentazione virtuale accurata di un modello fisico.
Freni
I freni sono un altro sistema fortemente influenzato dall’aumento di peso dei pacchi batteria: questo incremento di massa comporterà una maggiore sollecitazione meccanica, un’usura più elevata e una gestione termica più complessa per i sistemi frenanti. La simulazione consente un significativo aumento della produttività durante lo sviluppo di nuovi design di dischi freno. Ansys Workbench permette un approccio termo-strutturale per un’analisi completa.
D’altro canto, lo sviluppo dei freni deve essere strettamente integrato con lo sviluppo e il controllo del powertrain elettrico, per massimizzare il recupero di energia dalla frenata rigenerativa. In questa modalità, il motore elettrico agisce come un freno ausiliario, generando energia per ricaricare la batteria.
Modelli accurati del powertrain elettrico (motore, inverter e sistema di controllo) permettono di ridurre costi, tempi e sforzi nel dimensionamento e nella calibrazione dei freni per questi veicoli.
Tuttavia, il rumore dei freni (brake squeal) rimane un parametro fondamentale per garantire il comfort dei passeggeri e dei pedoni, oltre a soddisfare le normative tecniche sulla sicurezza e l’acustica ambientale.
Figura 6: (A sinistra): Modello mesh di un sistema frenante. (A destra): Simulazione dello stridio dei freni.
Struttura, sicurezza passiva e impatto
Lo sviluppo di componenti strutturali per veicoli elettrici presenta una serie di sfide specifiche: la massa aggiuntiva del pacco batterie può essere concentrata in una determinata area del veicolo (come nel caso di alcuni autobus elettrici), aumentando significativamente il carico statico dovuto al peso, ma introducendo anche sollecitazioni da fatica completamente diverse rispetto a quelle riscontrate nei veicoli convenzionali.
Oltre alle prestazioni in condizioni operative, lo sviluppo di componenti strutturali deve prestare particolare attenzione alle condizioni di collisione e impatto.
Anche con i vari meccanismi di protezione attiva del sistema batteria, l'intrusione o la frammentazione dell'alloggiamento del pacco batterie possono generare situazioni catastrofiche.
Inoltre, il progetto deve garantire che, in tali condizioni, la deformazione dei componenti strutturali non provochi il sezionamento o il cortocircuito di elementi ad alta tensione, evitando così di esporre i soccorritori al rischio di elettrocuzione.
Figura 7: Analisi della protezione degli occupanti del veicolo durante l'impatto.
Conciliando le sfide dell'integrità strutturale con la riduzione del peso necessaria per la fattibilità dell'applicazione è possibile solo con l'uso di tecniche computazionali di analisi strutturale e ottimizzazione.
Aerodinamica esterna
Che tu stia guidando un'automobile con motore a combustione interna o un'automobile con una fonte di energia completamente elettrica, tanto più lontano riuscirai ad andare con un pieno di benzina o una carica completa della batteria, tanto meglio. Pertanto, uno degli obiettivi degli ingegneri del settore automobilistico è migliorare la distanza percorsa con il consumo di benzina o la capacità della batteria. Ma non tutti i miglioramenti provengono da motori ottimizzati o batterie più grandi ed efficienti.
Miglioramenti delle prestazioni sono possibili, ma più difficili da ottenere. Per farlo, è necessario un lavoro combinato. Mentre il miglioramento dell'efficienza delle batterie dipende dai progressi meccanici e chimici, il miglioramento dell'aerodinamica esterna è un approccio parallelo con un ruolo fondamentale per migliorare l'efficienza energetica dei veicoli.
L'elettrificazione, combinata con standard di test più rigorosi, aumenta ulteriormente la necessità di previsioni aerodinamiche agili e precise per i nuovi progetti di veicoli.
Figura 8: Risultati della trasformazione della mesh e profilo di flusso simulato. I contorni nella parte superiore della figura mostrano rispettivamente la forma dello specchietto laterale e della parte superiore.
In applicazioni urbane con traffico intenso, caratterizzate da frequenti partenze e frenate a velocità relativamente ridotte, la maggior parte dell'energia consumata viene utilizzata per trasferire energia cinetica (accelerare) al veicolo.
Tuttavia, su strade ad alta velocità e autostrade, il parametro determinante nel consumo di energia è l'aerodinamica. D'altra parte, il calore da dissipare nei radiatori è estremamente ridotto rispetto ai veicoli a combustione interna, il che consente aree più piccole per le prese d'aria e un profilo più basso.
Questi elementi rendono la progettazione aerodinamica di questi veicoli un'area dinamica e promettente, con un fattore di competitività nel mercato. La Red Bull Racing utilizza queste analisi con maestria per raggiungere il gradino più alto del podio in Formula 1.
Illuminazione automobilistica
Insieme alle innovazioni nell'elettrificazione dei veicoli, le nuove tecnologie nell'illuminazione automobilistica stanno cambiando il design del veicolo come mai prima d'ora. Tecnologie di fari LED, OLED, fari intelligenti con illuminazione adattiva e pannelli digitali sono le nuove tendenze del mercato. Si notano design sempre più audaci e diversi da quelli abituali quando iniziamo a entrare nella nuova generazione di veicoli, portando con sé nuove sfide nell'illuminazione esterna e interna dei veicoli.
L'aspetto e il design del prodotto finale, combinati con l'efficienza energetica e le prestazioni ottiche, sono alcune delle grandi sfide nei progetti di illuminazione, insieme al rispetto delle normative governative e delle specifiche interne dei produttori.
Figura 9: Simulazione dell'aspetto nei fari.
Inoltre, tutti i test di validazione come vibrazione meccanica, affidabilità elettronica e condensazione della lente continuano a essere sfide nella fase di progettazione. All'interno dell'ambiente virtuale è possibile affrontare tutti questi temi in modo più rapido.
