Simulazione nell'elettrificazione: guidando il futuro energetico

Il processo di elettrificazione si riferisce alla transizione da fonti di energia tradizionali, spesso basate su combustibili fossili, a soluzioni che utilizzano l'elettricità come principale forma di energia. Questa transizione può avvenire in vari settori, inclusi i trasporti, l'industria e la produzione di energia. Nel seguito è elencata una panoramica generale di come il processo di elettrificazione si manifesta in diversi contesti.

Trasporti: Veicoli elettrici

Sostituzione dei veicoli a motore a combustione interna con veicoli elettrici che utilizzano motori elettrici alimentati da batterie o altre fonti di elettricità. Ciò riduce le emissioni di gas serra e l'inquinamento atmosferico nelle aree urbane.

Produzione di energia: Energia rinnovabile

Aumento dell'uso di fonti di energia rinnovabile, come energia solare, eolica, idroelettrica e geotermica, per la produzione di elettricità. Queste fonti sono sostenibili e generano meno emissioni rispetto ai combustibili fossili.

Industria: Processi industriali elettrificati

Utilizzo dell'elettricità nei processi industriali al posto del gas naturale o di altri combustibili. Questo può includere il riscaldamento elettrico, la produzione di idrogeno e altre applicazioni industriali.

Tecnologia: Apparecchi elettronici

Utilizzo di apparecchi elettronici e dispositivi alimentati da elettricità, riducendo la dipendenza da combustibili fossili anche a livello individuale.

Ricerca e sviluppo: Innovazioni tecnologiche

Sostituzione dei veicoli a motore a combustione interna con veicoli elettrici che utilizzano motori elettrici alimentati da batterie o altre fonti di elettricità. Ciò riduce le emissioni di gas serra e l'inquinamento atmosferico nelle aree urbane.

Come emerge chiaramente da quanto descritto uno degli obiettivi principali del processo di elettrificazione è ridurre l'uso di combustibili fossili, per mitigare i cambiamenti climatici e promuovere un sistema energetico più sostenibile e a basse emissioni di carbonio. Questo processo richiede una combinazione di innovazioni tecnologiche, investimenti infrastrutturali e cambiamenti nelle abitudini e pratiche industriali per avere un impatto significativo a livello globale.

Nell’industria dei trasporti il processo di elettrificazione è molto rilevante, rivestendo un ruolo fondamentale e portando a trasformazioni significative e visibili a tutti. Questo cambiamento è guidato principalmente dalla transizione da veicoli tradizionali a motore a combustione interna a veicoli elettrici alimentati da batterie o altre fonti di energia elettrica.

La simulazione ingegneristica nel processo di elettrificazione

La simulazione ingegneristica svolge un ruolo cruciale nel processo di elettrificazione, offrendo numerosi vantaggi e apportando valore in diverse fasi di progettazione, sviluppo ed ottimizzazione.
Il processo di elettrificazione nell’industria dei trasporti è fortemente guidato dalla simulazione, che quindi contribuisce in maniera significativa all’innovazione tecnologia, principalmente nei seguenti ambiti:

Progettazione ed ottimizzazione di motori elettrici ed attuatori elettromeccanici

La simulazione consente agli ingegneri di modellare virtualmente veicoli elettrici, inclusi motori ed attuatori lineari. Ciò permette di ottimizzare il design, valutare le prestazioni e prevedere il comportamento e l’efficienza del motore in diversi scenari e regimi di funzionamento.

Analisi termica delle batterie

Le simulazioni termiche sono essenziali per valutare le prestazioni termiche delle batterie nei veicoli elettrici. Aiutano a prevenire il surriscaldamento, ottimizzare la gestione termica e garantire la sicurezza delle batterie.

Simulazione dell’intero powertrain

La simulazione del powertrain consente di studiare il comportamento dinamico di motori elettrici, trasmissioni e altri componenti del sistema di propulsione. Questo è cruciale per ottimizzare l'efficienza del powertrain e migliorare le prestazioni generali del veicolo.

Analisi dell'aerodinamica e dell'eficienza energetica

Simulazioni aerodinamiche permettono di ottimizzare la forma dei veicoli elettrici, riducendo la resistenza dell'aria e migliorando l'efficienza energetica. Ciò contribuisce ad aumentare l'autonomia del veicolo.

Simulazione della guida autonoma

La simulazione è essenziale per testare e ottimizzare algoritmi di guida autonoma. Consente di simulare virtualmente il comportamento del veicolo in varie condizioni stradali e di traffico, contribuendo a garantire la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi autonomi.

Valutazione del sistema di ricarica e delle infrastrutture

Simulazioni possono essere utilizzate per valutare le infrastrutture di ricarica, ottimizzare la distribuzione delle stazioni di ricarica e prevedere l'impatto sull'infrastruttura elettrica esistente.

Sicurezza e simulazioni di collisione

La simulazione di crash contribuisce a valutare la sicurezza dei veicoli elettrici. Consente di prevedere e studiare gli impatti in caso di collisione, migliorando la progettazione delle strutture di sicurezza.

Ottimizzazione dell'usabilità e dell'integrazione di sistemi

La simulazione può essere utilizzata per valutare l'usabilità dei veicoli elettrici e per ottimizzare l'integrazione di sistemi, inclusi display digitali, sistemi di infotainment e connettività.,

Elettrificazione automobilistica e innovazione

Tutti i produttori originali (OEM) stanno affrontando grandi sfide nel loro ciclo di progettazione, poiché il ciclo per un veicolo elettrico è molto più breve rispetto a prima. Per chi operi ancora su un ciclo più tradizionale, tutto deve accelerare. Per rimanere al passo, si devono affrontare nuove sfide nell’ambito della progettazione, della riconversione e della produzione, mentre si passi dalla produzione di motori a combustione interna (ICE) a veicoli elettrici (EV).

Di tutti i fattori che giocano un ruolo nell'elettrificazione, il più grande è il costo. Come si riducono i costi di produzione di un veicolo e si accelera il ciclo di sviluppo rimanendo avanti rispetto alla concorrenza? Allo stesso tempo, come si rende il prodotto più affidabile?

Gli strumenti di simulazione Ansys danno risposte a queste tematiche. Si può affermare con sicurezza che, nel settore automobilistico per esempio, ingegneri e progettisti ritengano che l'ingegneria digitale e l'innovazione digitale siano la strada da seguire. Dalle progettazione secondo specifiche alla verifica e alla validazione dell’intero sistema, Ansys aiuta gli innovatori della mobilità come BMW, Porsche Motorsport e Volkswagen a evolvere le loro strategie di elettrificazione.

Di fatto l'ingegneria digitale, attraverso la simulazione, aiuta le aziende a innovare più velocemente, in modo migliore ed a costi inferiori.

Impatti dell'efficienza sull'elettrificazione automobilistica

In questo nuovo contesto, i produttori originali (OEM) e i fornitori automobilistici di primo livello affrontano nuove sfide nell’ambito della progettazione di componenti e sistemi. In questo senso la valutazione e l’ottimizzazione dell’efficienza energetica è un esempio calzante. Pensiamo ad esempio ad un motore a combustione che ha un’efficienza di circa il 40%. Se un progettista volesse aumentare l’autonomia del veicolo potrebbe cercare di aumentare l’efficienza di qualche decimo ma anche, più semplicemente, incrementare la capacità del serbatoio.

Per i veicoli elettrici il discorso è diverso. Le batterie hanno infatti una densità di potenza inferiore rispetto al carburante, per cui le batterie EV immagazzinano meno energia e richiedono moduli aggiuntivi per competere con l’autonomia di un motore a combustione interna. In questo scenario è fondamentale massimizzare l’efficienza delle macchine elettriche, così come dell’intero powertrain, perché ogni bit di energia sprecata può comportare un grande svantaggio nel mercato attuale.

Per questo motivo ingegneri e progettisti stanno facendo tutto il possibile per ottimizzare prodotti e processi di progettazione. Se un certo motore elettrico ha un'efficienza massima del 98%, diventa importante trovare un modo per sviluppare qualcosa che porti quell’efficienza anche solo al 98,1%.

La simulazione riveste un ruolo crociale in questo processo di ottimizzazione perché i progettisti non potranno mai fare abbastanza prototipi o abbastanza test per aumentare , anche di poco, l’efficienza energetica dei loro componenti e sistemi.

Come vincere la corsa verso l'elettrificazione nel settore dei trasporti: i cinque pilastri dell'elettrificazione

L'elettrificazione guiderà la mobilità futura e i fornitori stanno cambiando rotta per investire pesantemente nei veicoli elettrici (EV). La gara è aperta per conquistare quote di mercato. I produttori devono completamente riprogettare i loro veicoli per soddisfare la autonomia di guida e la durata della batteria, la sicurezza e i costi, richiedendo un livello senza precedenti di innovazione in un breve periodo di tempo. Solo la simulazione consente di accelerare lo sviluppo dei veicoli elettrici e vincere sul mercato globale.

Ansys fornisce soluzioni software che permettono agli ingegneri di integrare la simulazione nel processo di progettazione per ciascuno dei  cinque "pilastri" dell'elettrificazione: batterie, elettronica di potenza, motori elettrici,  integrazione del powertrain elettrico ed NVH.

Settore dei trasporti: I cinque pilastri dell’elettrificazione.

• Le batterie devono essere progettate a livello elettrochimico, e devono essere considerate le performance termo-meccaniche dei pacchi di batteria per garantire affidabilità e sicurezza.
• L'energia dalla batteria deve essere gestita da circuiti di controllo di potenza e poi distribuita attraverso busbar e cablaggi di cui garantirne l’affidabilità termica e strutturale.
• La progettazione delle macchine elettriche si concentra sull'efficienza, sul silenziosità e sulla affidabilità termica sull’intero range di funzionamento previsto.
• Infine, è necessario raggiungere un'integrazione completa fra le varie parti che compongono il sistema del powertrain, considerando anche il software di controllo integrato nel veicolo.
  
  

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Il processo di elettrificazione si riferisce alla transizione da fonti di energia tradizionali, spesso basate su combustibili fossili, a soluzioni che utilizzano l'elettricità come principale forma di energia. Questa transizione può avvenire in vari settori, inclusi i trasporti, l'industria e la produzione di energia. Nel seguito è elencata una panoramica generale di come il processo di elettrificazione si manifesta in diversi contesti