Risolto il Rimbombo durante la Marcia Lenta di un EV con Ottimizzazione del Controllo
Nel panorama in rapida evoluzione della mobilità elettrica, dove il silenzio e la fluidità di marcia sono parametri fondamentali di qualità percepita, emerge un nuovo e sottile sfida ingegneristica: il rimbombo a bassa frequenza durante la marcia di strisciamento, o “creep”. A differenza dei veicoli a motore endotermico, che beneficiano di componenti come convertitori di coppia e giunti flessibili in grado di assorbire le vibrazioni del gruppo propulsivo, i veicoli elettrici puri (BEV) operano con un gruppo propulsivo caratterizzato da un’elevata rigidità e da un bassissimo smorzamento intrinseco. Questa caratteristica, sebbene estremamente efficiente dal punto di vista energetico, può trasformarsi in un’insidia per il comfort acustico, innescando fenomeni di rumore, vibrazione e rigidità (NVH) inattesi, specialmente in condizioni di carico ridotto e velocità ridotta, come appunto la marcia di strisciamento.
Un recente studio pubblicato sulla rivista Noise and Vibration Control ha portato alla luce questo fenomeno, offrendo una soluzione pratica ed efficace che non richiede alcuna modifica hardware. La ricerca, condotta da un team di ingegneri di Zhejiang Smart Automobile Intelligence Technology Co., Ltd. e Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., si concentra su un caso reale: un SUV elettrico a trazione posteriore che presentava un fastidioso rimbombo a 36 Hz durante la marcia di strisciamento su strada pianeggiante a circa 7 km/h. Questo problema, assente in salita o in discesa, era sufficientemente marcato da compromettere il comfort dei passeggeri e la qualità percepita del veicolo.
Il team, guidato dall’ingegnere NVH senior Shen Long, ha identificato la causa radice non in un difetto meccanico o in un’errata assemblatura, ma nell’instabilità del sistema di controllo dello smorzamento attivo, una strategia software progettata per sopprimere le fluttuazioni di coppia. I loro risultati sfidano le assunzioni convenzionali e mettono in luce la crescente complessità dei sistemi di controllo dei veicoli elettrici, dove le impostazioni software possono avere conseguenze acustiche profonde.
Il Dilemma della Marcia di Strisciamento
La marcia di strisciamento—il movimento lento e controllato di un veicolo quando il conducente solleva il piede dal freno—è uno scenario di guida comune, soprattutto negli ambienti urbani con frequenti fermate. Nei veicoli endotermici, le vibrazioni del motore al minimo e il rumore di fondo spesso mascherano le piccole oscillazioni del gruppo propulsivo. Nei veicoli elettrici, tuttavia, il funzionamento pressoché silenzioso del motore elettrico rimuove questo effetto di mascheramento. Di conseguenza, anche le più sottili vibrazioni diventano udibili, trasformando ciò che in un’auto a benzina sarebbe una fluttuazione impercettibile in un rimbombo a bassa frequenza chiaramente avvertibile.
Il veicolo oggetto dello studio era equipaggiato con un sistema di trazione integrato “tre-in-uno” dotato di un motore sincrono a magneti permanenti con 8 poli e 48 cave. Durante la marcia di strisciamento su superficie piana, gli occupanti segnalavano un distinto rimbombo a bassa frequenza, valutato soggettivamente come fastidioso. Le misurazioni oggettive hanno confermato un picco predominante a 36 Hz sia nel rumore dell’abitacolo che nelle vibrazioni del gruppo propulsivo. Il livello di rumore raggiungeva i 42 dB(A), un valore facilmente rilevabile nell’ambiente altrimenti silenzioso di un BEV.
Ciò che rendeva il problema particolarmente enigmatico era la sua natura condizionata: il rimbombo scompariva quando il veicolo strisciava in salita o in discesa. Questo comportamento suggeriva una forte dipendenza dal carico e dalla dinamica del gruppo propulsivo, piuttosto che da una risonanza meccanica fissa.
Approccio Diagnostico e Approfondimenti Basati sui Dati
Per individuare la fonte, il team di ingegneri ha condotto un’ampia campagna di test su strada. Hanno strumentato l’unità di trazione elettrica con accelerometri triassiali in punti chiave: la carcassa del motore, i supporti di sospensione sinistro e destro e il mozzo anteriore. Un microfono è stato posizionato sul sedile del conducente e segnali critici del veicolo—compresi la velocità del motore, la coppia richiesta alle ruote e la coppia effettiva alle ruote—sono stati registrati tramite il bus CAN.
L’analisi spettrale ha rivelato un picco coerente a 36 Hz in tutti i punti di misurazione, con le ampiezze più elevate sulla carcassa del motore e sul supporto sinistro. Questo schema indicava che la vibrazione aveva origine nel gruppo propulsivo e veniva trasmessa attraverso il sistema di montaggio al telaio e all’abitacolo.
L’analisi nel dominio del tempo ha fornito ulteriori chiarimenti. Mentre la velocità del veicolo e la coppia richiesta rimanevano stabili, la coppia effettiva alle ruote mostrava oscillazioni significative—con picchi intorno a 70 N·m. Questo era un netto contrasto con l’input del conducente, che richiedeva una coppia minima. La periodicità di queste fluttuazioni di coppia corrispondeva precisamente a una frequenza di 36 Hz, allineandosi perfettamente al rumore osservato.
Un’ulteriore indagine ha rivelato un’intuizione cruciale: il motore, con quattro coppie di poli, produce naturalmente un’eccitazione di ordine 4°. Alla velocità di strisciamento di 550 giri/min, la frequenza dell’ordine 4° si calcola come (4 × 550) / 60 = 36,67 Hz—quasi identica ai 36 Hz misurati. Questo ha confermato che il rimbombo era legato alla fluttuazione della coppia elettromagnetica intrinseca nel design del motore, amplificata dalla mancanza di smorzamento del gruppo propulsivo.
Lo Smorzamento Attivo: Una Doppia Lama
Per mitigare tali fluttuazioni di coppia, molti produttori di veicoli elettrici impiegano il controllo dello smorzamento attivo—una strategia di retroazione che utilizza la rapida risposta in coppia del motore per contrastare le oscillazioni indesiderate. Il principio è semplice: rilevare le deviazioni di velocità o coppia, calcolare una coppia correttiva e applicarla in tempo reale per smorzare l’oscillazione.
Tuttavia, il team di Geely ha scoperto che, in determinate condizioni di coppia ridotta e velocità ridotta, questo stesso sistema poteva diventare instabile. Invece di sopprimere le fluttuazioni di coppia, le stava amplificando.
Per testare questa ipotesi, hanno disattivato la funzione di smorzamento attivo e ripetuto il test. I risultati sono stati sorprendenti. Con lo smorzamento attivo disattivato, il picco di vibrazione a 36 Hz sulla carcassa del motore è sceso da oltre 1,0 m/s² a soli 0,1 m/s². Il rumore a 36 Hz nell’abitacolo è diminuito da 42 dB(A) a 35 dB(A), e la fluttuazione della coppia effettiva alle ruote è scesa da 70 N·m a 20 N·m. Sebbene rimanesse un rumore e una vibrazione residui—indicando la presenza di una fluttuazione di coppia intrinseca—la riduzione più significativa si è verificata quando lo smorzamento attivo è stato disattivato.
Questo risultato controintuitivo ha portato a una conclusione critica: il sistema di smorzamento attivo, concepito come una soluzione, era diventato il principale contributore al rimbombo. Il ciclo di controllo non stava stabilizzando il sistema, ma lo stava destabilizzando, probabilmente a causa di un ritardo di fase, di parametri non corrispondenti o di non linearità nel gruppo propulsivo (come il gioco o l’isteresi) che l’algoritmo di controllo non riusciva a considerare adeguatamente in condizioni di carico ridotto.
Ridefinire la Logica di Controllo: Una Strategia Più Sicura e Robusta
Armato di questa comprensione, il team si è rivolto all’ottimizzazione della strategia di controllo. Piuttosto che abbandonare lo smorzamento attivo—uno strumento prezioso in altri scenari di guida—hanno cercato di renderlo più robusto e adattabile.
Il nucleo del loro miglioramento è stata una logica di controllo riveduta che introduceva limiti superiori sull’uscita della coppia di smorzamento, in particolare durante le condizioni di strisciamento. La logica era semplice: in un sistema già incline alle oscillazioni, consentire al controller di applicare coppie correttive elevate potrebbe esacerbare il problema. Limitando la coppia massima di smorzamento, hanno impedito al sistema di controllo di reagire eccessivamente a piccole fluttuazioni.
Sono state implementate due modifiche chiave:
- Una riduzione del 60% del guadagno di smorzamento attivo nell’intervallo di velocità del motore tipico dello strisciamento.
- Una riduzione dell’80% della coppia massima anti-oscillazione consentita quando venivano rilevate le condizioni di strisciamento.
Questi parametri non sono stati scelti arbitrariamente, ma derivati da un’iterazione di calibrazione sul veicolo reale, bilanciando la soppressione del rumore contro la stabilità del sistema. L’obiettivo non era eliminare tutte le fluttuazioni di coppia—che sono fisicamente intrinseche—ma assicurarsi che qualsiasi fluttuazione decadessero rapidamente piuttosto che crescere o sostenersi.
Verifica e Impatto nel Mondo Reale
Dopo aver implementato la nuova strategia di controllo, il team ha condotto un altro ciclo di test. I risultati sono stati trasformativi. La fluttuazione della coppia effettiva alle ruote è scesa da 70 N·m a soli 2 N·m—una riduzione del 97%. Il picco a 36 Hz nel rumore dell’abitacolo è scomparso, con il livello che è diminuito di 20 dB(A), eliminando efficacemente la sensazione di rimbombo. Le misurazioni di vibrazione sulla carcassa del motore, sui supporti e sul mozzo hanno mostrato la mancanza di picchi significativi a 36 Hz, confermando che la fonte di eccitazione era stata neutralizzata.
Le valutazioni soggettive da parte degli ingegneri NVH e dei collaudatori hanno confermato i dati oggettivi: il veicolo ora strisciava in modo fluido e silenzioso, indistinguibile dai veicoli elettrici di fascia alta in termini di raffinatezza. La correzione è stata ottenuta interamente tramite software—nessun cambiamento al design del motore, all’allineamento dell’ingranaggio o alla rigidità dei supporti era richiesto.
Questo risultato sottolinea una tendenza più ampia nell’ingegneria automobilistica: mentre i veicoli diventano sempre più elettrificati e definiti dal software, la linea tra prestazioni meccaniche e comportamento del sistema di controllo si sfuma. Ciò che appare un difetto hardware potrebbe, in realtà, essere un problema di taratura del software. La capacità di diagnosticare e risolvere tali problemi a distanza, tramite aggiornamenti over-the-air, rappresenta un vantaggio significativo per i produttori.
Implicazioni per il Settore dei Veicoli Elettrici
Lo studio di Shen Long e dei suoi colleghi offre più di una soluzione a un singolo problema acustico—fornisce un quadro di riferimento per diagnosticare e risolvere problemi simili in tutto il panorama dei veicoli elettrici. Mentre i produttori gareggiano per offrire veicoli elettrici più silenziosi e più fluidi, devono fare i conti con le dinamiche uniche dei gruppi propulsivi rigidi e a basso smorzamento. Gli strumenti NVH tradizionali—come l’aggiunta di massa o l’irrigidimento delle strutture—sono spesso insufficienti o controproducenti.
Lo smorzamento attivo, quando correttamente tarato, rimane uno strumento potente. Ma come mostra questa ricerca, deve essere applicato con cautela. Aumentare ciecamente i guadagni di smorzamento può portare all’instabilità, specialmente in sistemi non lineari o a carico ridotto. Il concetto di “limitare il limite superiore” dello sforzo di controllo introduce una filosofia orientata alla sicurezza nella progettazione del controllo, che dà priorità alla stabilità rispetto alla massima prestazione.
Inoltre, la natura condizionata del rimbombo—presente su strade piane ma assente in pendenza—evidenzia l’importanza di testare in condizioni del mondo reale diverse. Le simulazioni di laboratorio o i cicli di guida standard potrebbero non catturare tali casi limite, sottolineando la necessità di una validazione completa su strada.
I risultati suggeriscono anche che i futuri sistemi di controllo dei veicoli elettrici dovrebbero essere più adattivi. Invece di parametri di smorzamento fissi, algoritmi intelligenti potrebbero regolare la forza di smorzamento in base alla pendenza della strada, al carico, alla temperatura e allo stile di guida. Le tecniche di apprendimento automatico potrebbero persino imparare dal comportamento del conducente e dalle condizioni ambientali per ottimizzare proattivamente le prestazioni NVH.
Guardando al Futuro: Da Correzioni Reattive a una Progettazione Proattiva
Sebbene la strategia di smorzamento attivo ottimizzata abbia risolto con successo il problema immediato, gli autori sottolineano l’importanza di affrontare tali problemi in una fase precedente del ciclo di sviluppo. Fare affidamento su correzioni software post-lancio, sebbene possibile, è meno ideale che progettare sistemi di controllo robusti fin dall’inizio.
I lavori futuri, suggeriscono, dovrebbero concentrarsi sul miglioramento della comprensione teorica della generazione e soppressione delle fluttuazioni di coppia, sul perfezionamento degli algoritmi di controllo a basso livello e sullo sviluppo di strumenti di simulazione migliori in grado di prevedere queste interazioni prima della costruzione di prototipi fisici. L’integrazione delle considerazioni NVH nelle fasi iniziali della progettazione del motore e dell’inverter potrebbe prevenire molti problemi fin dall’inizio.
Inoltre, con l’adozione di funzioni più avanzate—come la vettorizzazione della coppia, la coordinazione della frenata rigenerativa e la gestione energetica predittiva—la complessità dei sistemi di controllo aumenterà solo. Garantire che questi sistemi non interferiscano tra loro o creino effetti collaterali NVH indesiderati sarà una grande sfida.
Il caso illustra anche il valore della collaborazione interdisciplinare. Risolvere il problema del rimbombo richiedeva competenze in acustica, dinamica meccanica, teoria del controllo e software embedded. Non era sufficiente misurare il rumore; era necessario comprendere l’intera catena dall’eccitazione elettromagnetica alla trasmissione strutturale fino alla percezione umana.
In conclusione, la risoluzione del problema del rimbombo durante la marcia di strisciamento in questo veicolo elettrico rappresenta un’importante conquista nell’ingegneria automobilistica applicata. Dimostra che anche di fronte a problemi complessi, guidati dal software, un’analisi sistematica e un’intelligente progettazione del controllo possono offrire soluzioni eleganti ed economiche. Mentre l’industria automobilistica continua la sua transizione verso l’elettrificazione, studi come questo serviranno da riferimenti essenziali per gli ingegneri che si sforzano di offrire l’esperienza di guida silenziosa e raffinata che i consumatori si aspettano.
La ricerca non solo migliora la qualità di un veicolo specifico, ma contribuisce anche alla base di conoscenza più ampia dell’ingegneria NVH per i veicoli elettrici. Ricorda che nella ricerca dell’innovazione, l’attenzione ai dettagli e una profonda comprensione delle interazioni di sistema rimangono fondamentali.
Shen Long, Zhang Jun, Zhao Mingbin, Qin Bin, Fang Zhen, Zhejiang Smart Automobile Intelligence Technology Co., Ltd. and Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., Noise and Vibration Control, DOI: 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.06.033