Tecniche di simulazione di sistema per accelerare lo sviluppo di sistemi elettrificati

Nell'era dell'innovazione e della transizione verso forme di energia più sostenibili, i sistemi elettrificati stanno guadagnando sempre più terreno in vari settori, come l'automotive, l'industria manifatturiera e la produzione di energia. Con l'aumento della complessità di tali sistemi, diventa fondamentale sviluppare approcci efficaci per accelerare il processo di progettazione e ottimizzazione; in questo contesto, le tecniche di simulazione di sistema si sono rivelate uno strumento essenziale per ridurre i tempi di sviluppo e migliorare le prestazioni dei sistemi elettrificati.

La simulazione di sistema a supporto dello sviluppo di sistemi elettrificati

Le simulazioni di sistema assumono un ruolo centrale in questo panorama, perché consentono agli ingegneri di valutare, simulare, ottimizzare ed infine predire il comportamento di un sistema elettrificato nella sua interezza, considerando le interazioni tra diverse componenti. Ad esempio, nel caso di un veicolo elettrico, attraverso le simulazioni si possono modellare i singoli sistemi, quali: motori elettrici, batteria, sistema di ricarica e controllo dell'energia e persino l'interazione con l'ambiente circostante. A tali simulazioni di sistema poi possono essere anche affiancate le simulazioni di dettaglio che consentono di contemplare anche la fisica alla base del comportamento dei sistemi. Si parla appunto di Physics-based system simulation. Questo approccio olistico, di tipo Model-Based permette di analizzare l'efficienza energetica, l'autonomia, la stabilità e altre caratteristiche chiave del sistema quali per esempio durata, vita a fatica, etc.

Process Integration and Design Validation

Oltre al design, la simulazione di sistema permette anche l’ottimizzazione e validazione del sistema stesso. Infatti, accoppiando la siimulazione di sistema a strumenti di Process Integration and Design Optimization (PIDO) è possibile esplorare diverse configurazioni e scenari operativi al fine di ottimizzare il design e migliorare l'efficienza dei sistemi elettrificati. Ad esempio, sempre riflettendo sullo sviluppo di un powertrain elettrico per autovetture, è possibile valutare diverse combinazioni di batterie, motori e controllo del sistema per massimizzare l'efficienza e l'autonomia. Le simulazioni permettono di identificare i punti critici del sistema, individuare possibili miglioramenti e ridurre il numero di iterazioni di progettazione necessarie, con conseguenti vantaggi sia sul prodotto ma anche aziendali, garantendo un minore Time To Market.

Le simulazioni di sistema non solo consentono di valutare il comportamento dei componenti fisici, ma possono anche essere integrate con il controllo e la gestione dell'energia. Infatti, nei modelli possono essere inseriti i blocchi logici che governano il sistema durante il suo utilizzo. Questa integrazione permette di valutare come i sistemi di controllo influenzano le prestazioni complessive del sistema elettrificato. Ad esempio, è possibile simulare diverse strategie di controllo per ottimizzare il flusso di potenza tra i componenti, migliorare la reattività del sistema e garantire un funzionamento sicuro e stabile. Le simulazioni consentono di individuare eventuali inefficienze o problemi di controllo e apportare le modifiche necessarie prima della produzione.

Model Based System Engineering

L’approccio model-based system engineering (MBSE) porta anche ad una sensibile riduzione dei costi e dei rischi. Infatti, l'adozione di tecniche di simulazione di sistema comporta una serie di vantaggi significativi. Innanzitutto, riduce i costi associati alla realizzazione di prototipi fisici e ai test sperimentali; le simulazioni consentono di testare e ottimizzare il sistema virtualmente, riducendo la necessità di prototipi fisici costosi e accelerando il time-to-market. Inoltre, le simulazioni permettono di mitigare i rischi associati al funzionamento e alla sicurezza del sistema, identificando potenziali problemi prima che si verifichino nella realtà. Qualora poi il modello di sistema venisse utilizzato anche quando il prodotto è in esercizio, i vantaggi riguardano anche i costi di manutenzione: si parla quindi di predictive maintenance basata sul Digital Twin (un modello di sistema che comunica istante per istante con l’asset fisico).

Accellerare lo sviluppo di sistemi elettrificati con la simulazione di sistema

Scendiamo ora ancor più nel dettaglio al fine di comprendere appieno come le tecniche di simulazione di sistema possono accelerare lo sviluppo. Consideriamo nuovamente il sistema di propulsione elettrica di un veicolo, considerando componenti come la batteria, il motore elettrico, l'inverter e il sistema di controllo. Utilizzando software avanzati di simulazione, possiamo creare modelli di sistema virtuali accurati di ciascun componente e integrarli per formare un sistema completo.

Utilizzando modelli matematici o i ROM (Reduced Order Model) basati sulle caratteristiche della batteria, possiamo simulare il flusso di corrente, la temperatura e il degrado nel tempo. La simulazione ci consente di valutare l'autonomia della batteria, la durata delle cariche, l'impatto delle condizioni ambientali e il comportamento termico del sistema. Relativamente al motore elettrico, possiamo simulare il funzionamento dello stesso, considerando le perdite, l'efficienza e la coppia generata. Utilizzando modelli di controllo elettronico, possiamo simularne il comportamento e valutiare il flusso di potenza, l'efficienza di conversione e l'interazione con il motore e la batteria. Possiamo ottimizzare i parametri di controllo per garantire un funzionamento efficiente e stabile del sistema. Infine, il sistema di controllo generale. Utilizzando algoritmi di controllo avanzati, simuliamo il comportamento del sistema elettrico nel suo insieme, considerando input come l'accelerazione richiesta, la velocità del veicolo e le condizioni stradali. La simulazione ci consente di valutare la risposta dinamica del veicolo, la distribuzione della potenza tra i componenti e ottimizzare le strategie di controllo per una guida fluida e sicura.

Attraverso queste simulazioni, possiamo esplorare diverse configurazioni e scenari operativi. Ad esempio, possiamo valutare l'impatto di diverse dimensioni di batteria sull'autonomia del veicolo o esaminare come variazioni nei parametri di controllo influenzino le prestazioni complessive. Inoltre, la simulazione ci consente di identificare e risolvere eventuali problemi o inefficienze nel design del sistema prima di passare alla fase di prototipazione fisica.

In conclusione, le tecniche di simulazione di sistema si stanno rivelando un pilastro fondamentale nello sviluppo di sistemi elettrificati. Consentono di valutare, ottimizzare e validare il comportamento di tali sistemi in modo efficiente ed efficace, riducendo i tempi di sviluppo, i costi e i rischi associati. Le simulazioni virtuali consentono di esplorare diverse opzioni di progettazione, migliorare l'efficienza energetica, ottimizzare il controllo e garantire un funzionamento sicuro dei sistemi elettrificati. Con l'evoluzione continua della tecnologia di simulazione e la crescente complessità dei sistemi elettrificati, l'impiego di queste tecniche diventa indispensabile per accelerare l'innovazione e raggiungere soluzioni sostenibili nel campo dell'elettrificazione.