Nell’era dell’elettrificazione automobilistica, la ricerca sulla gestione efficiente dell’energia assume un ruolo cruciale per migliorare le prestazioni, l’autonomia e la durata delle batterie dei veicoli elettrici puri (VEP). Un recente studio pubblicato sulla Journal of Guangxi University of Science and Technology propone soluzioni innovative per ottimizzare il sistema di alimentazione a bassa tensione, concentrandosi sulla riduzione del consumo energetico e sull’aumento dell’efficienza di ricarica. La ricerca, condotta da Peng Fan e Luo Wenguang della Guangxi University of Science and Technology, potrebbe rivoluzionare il modo in cui i produttori affrontano la gestione energetica nei veicoli elettrici, offrendo risultati concreti e applicabili nella pratica.
Perché la gestione a bassa tensione è fondamentale
Sebbene l’attenzione si concentri spesso sui sistemi ad alta tensione responsabili della propulsione, il sistema a bassa tensione (generalmente alimentato da una batteria 12V agli ioni di litio) è essenziale per il funzionamento di numerosi componenti: sistemi di sicurezza (freni, luci, airbag), dispositivi legati alla guida (assistenza di sterzo, controllo di trazione), comfort (climatizzazione, riscaldamento sedili) e intrattenimento (sistemi multimediali, connettività). Con l’aumento del numero di accessori elettronici nei veicoli moderni, il consumo energetico di questo sistema è cresciuto significativamente, rendendo necessarie strategie intelligenti per evitarne il spreco e garantire la stabilità operativa.
“La gestione tradizionale dell’energia a bassa tensione spesso non tiene conto delle variazioni dinamiche delle condizioni di guida e delle diverse richieste di consumo”, spiega Peng Fan, uno dei ricercatori del progetto. “Il nostro lavoro si basa su un approccio olistico: classificare i carichi elettrici per importanza, ottimizzare i parametri di carica delle batterie e sviluppare una strategia di ricarica più efficiente. Tutto questo senza compromettere la sicurezza o il comfort del conducente.”
Classificazione dei carichi: priorità per la sicurezza e le prestazioni
Una delle innovazioni chiave dello studio è la classificazione dettagliata dei carichi elettrici presenti nel veicolo, suddivisi in quattro categorie principali:
- Carichi di sicurezza: Componenti essenziali per il funzionamento sicuro del veicolo, come luci, freni, sistemi di controllo di stabilità e airbag. Questi carichi hanno la massima priorità e devono funzionare anche quando la batteria è a basso livello di carica (SOC, State of Charge).
- Carichi di guida: Dispositivi legati alle prestazioni di movimento, come l’assistenza di sterzo elettrica, il controllo di trazione e i sistemi di gestione del motore. Essi sono fondamentali per la conduzione e vengono prioritari in situazioni critiche, come accelerazioni brusche o salite ripide.
- Carichi di comfort: Climatizzazione, riscaldamento sedili, riscaldamento dei specchi e altri dispositivi che migliorano l’esperienza del conducente e dei passeggeri. Questi possono essere ridotti o disattivati temporaneamente quando la batteria è scarsa.
- Carichi di intrattenimento: Sistemi audio, navigazione, connettività e accessori come i prese USB. Essi hanno la priorità più bassa e possono essere sospesi per risparmiare energia.
Per valutare il consumo in diverse condizioni ambientali, i ricercatori hanno introdotto coefficienti ponderati, analizzando scenari estremi come notti di neve in inverno o piogge intense in estate, quando l’uso di wiper, riscaldamento o climatizzatori è massivo. Questo approccio permette al sistema di adattare dinamicamente la distribuzione dell’energia, garantendo che i componenti critici ricevano sempre l’alimentazione necessaria.
Ottimizzazione con algoritmi genetici: rafforzare i limiti di SOC
Per minimizzare il consumo energetico, i ricercatori hanno utilizzato un algoritmo genetico per ottimizzare i limiti di SOC della batteria a bassa tensione. Il SOC rappresenta la percentuale di carica residua rispetto alla capacità totale e è un parametro chiave per decidere quando ridurre i carichi non essenziali o iniziare la ricarica.
L’algoritmo genetico, ispirato al processo di selezione naturale, ha iterato 300 volte per definire quattro limiti ottimali di SOC, corrispondenti a diversi livelli di sicurezza. Ad esempio, quando il SOC scende al di sotto del 30%, i carichi di comfort vengono gradualmente ridotti; al di sotto del 20%, solo i carichi di sicurezza rimangono attivi. Questo metodo ha permesso di bilanciare la conservazione energetica con la funzionalità del veicolo, evitando situazioni di emergenza come la scarica completa della batteria.
“L’algoritmo genetico è stato fondamentale per trovare una soluzione efficiente a un problema complesso”, spiega Luo Wenguang. “Mediante l’ottimizzazione dei limiti di SOC, abbiamo ridotto il consumo in modo intelligente, senza compromettere la sicurezza o le prestazioni di base.”
Strategia di ricarica a quattro fasi: meno tempo, più efficienza
Oltre alla gestione dei carichi, lo studio si concentra anche sulla ricarica delle batterie a bassa tensione, un processo che spesso risulta lento e inefficiente con i metodi tradizionali. La tecnica comunemente usata, la ricarica a corrente costante e tensione costante (CC-CV), infatti, rallenta notevolmente quando la batteria è quasi piena e genera perdite energetiche per via del calore.
Per superare questi limiti, i ricercatori hanno sviluppato una strategia di ricarica a quattro fasi a corrente costante, basata sul SOC. Invece di mantenere una tensione costante nella fase finale, questa metodologia utilizza quattro livelli di corrente decrescenti: correnti elevate nelle fasi iniziali (quando la batteria può assorbire energia rapidamente) e correnti più basse nelle fasi finali (per evitare surriscaldamenti eccessivi).
Le simulazioni hanno dimostrato che questo approccio riduce significativamente il tempo di ricarica: una batteria 12V da 22Ah, ricaricata da un SOC del 35% a quello del 95%, ha impiegato 410 secondi con la nuova strategia, rispetto ai 490 secondi della tecnica CC-CV, con un risparmio del 16%. Inoltre, l’efficienza di ricarica è aumentata, poiché meno energia viene persa come calore.
Validazione tramite simulazioni: risultati concreti in diverse condizioni
Per verificare l’efficacia delle nuove strategie, i ricercatori hanno utilizzato software di simulazione come AVL-Cruise e MATLAB-Simulink, creando un modello virtuale di un VEP che include dinamica veicolare, prestazioni della batteria e flusso energetico. Il modello è stato testato in quattro cicli di guida standard:
- NEDC (New European Driving Cycle), ciclo europeo per veicoli leggeri.
- CLTC (China Light-Duty Vehicle Test Cycle), ciclo cinese per veicoli urbani e suburban.
- WLTC (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle), ciclo internazionale adattivo a diverse condizioni di guida.
- Crociera a 60 km/h, scenario con consumo stabile.
I risultati hanno confermato una riduzione del consumo energetico in tutti i cicli. La maggiore improvement è stata registrata nel ciclo CLTC (-3,34%), seguito dal NEDC (-1,30%). Anche nella crociera a 60 km/h, dove il consumo è generalmente stabile, il risparmio è stato del 0,81%.
“Questi dati dimostrano che le nostre strategie funzionano non solo in teoria, ma anche in condizioni reali di guida”, sottolinea Peng Fan. “Ogni percentuale di risparmio si traduce in maggiore autonomia e minor frequenza di ricarica per il conducente, un fattore cruciale per l’acceptazione dei veicoli elettrici.”
Implicazioni per l’industria automobilistica
I risultati di questo studio offrono alle case automobilistiche una via concreta per migliorare l’efficienza dei VEP senza investimenti eccessivi in modifiche ai sistemi ad alta tensione. L’ottimizzazione della gestione a bassa tensione, infatti, può essere integrata in modelli esistenti con minori costi, offrendo vantaggi immediati in termini di prestazioni e sostenibilità.
“Spesso si sottovaluta l’importanza del sistema a bassa tensione nella discussione sull’efficienza dei veicoli elettrici”, spiega Luo Wenguang. “La nostra ricerca mostra che piccoli interventi in questo settore possono portare a miglioramenti significativi, rendendo i VE più competitivi rispetto ai veicoli a combustione interna.”
I ricercatori prevedono di proseguire le ricerche, testando le strategie in veicoli reali e esplorando l’uso di intelligenza artificiale per adattare automaticamente la gestione dei carichi alle abitudini di guida individuali. Inoltre, hanno intenzione di studiare l’impatto di queste tecniche su batterie più grandi e su veicoli commerciali, ampliano l’applicabilità delle loro scoperte.
Conclusione
Nell’evoluzione verso l’elettricità sostenibile, la gestione intelligente dell’energia a bassa tensione emerge come un elemento chiave per superare le sfide dell’autonomia e della durata delle batterie. Lo studio di Peng Fan e Luo Wenguang combina classificazione dei carichi, algoritmi genetici e strategie di ricarica innovative, offrendo una soluzione completa che migliora l’efficienza senza compromettere sicurezza o comfort.
Per i consumatori, questo significa veicoli più affidabili, con meno tempi di attesa per la ricarica e una vita utile delle batterie prolungata. Per l’industria automobilistica, rappresenta un passo avanti verso veicoli elettrici più efficienti e competitivi, accelerando la transizione verso un futuro più sostenibile.
Autori:
Peng Fan e Luo Wenguang sono affiliati alla School of Automation e al Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology della Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou, Cina.
Rivista e DOI:
Peng Fan, Luo Wenguang. “Study on optimal strategy of low-voltage power supply management for pure electric vehicles.” Journal of Guangxi University of Science and Technology, Vol. 35, N. 2, giugno 2024. DOI: 10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.02.008.