Sistemi a due velocità e avvolgimento variabile migliorano l’efficienza dei veicoli elettrici
La continua ricerca di prestazioni superiori ed efficienza energetica nei veicoli elettrici a batteria (BEV) spinge l’innovazione nella progettazione dei powertrain. Uno studio recente condotto da ricercatori dell’Università Chang’an e dell’Istituto di Comunicazioni di Zhejiang ha effettuato un confronto esaustivo tra tre diversi sistemi di propulsione per BEV, rivelando differenze significative nelle prestazioni che potrebbero influenzare le future strategie di sviluppo dei veicoli. La ricerca, pubblicata sul Chinese Journal of Automotive Engineering, valuta sistemi di trasmissione monomarcia, a due marce con trasmissione meccanica automatizzata (AMT) e sistemi con motore sincrono a magnete permanente (PMSM) ad avvolgimento variabile, utilizzando parametri del veicolo identici, fornendo così un benchmark chiaro per i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna configurazione.
Lo studio affronta una sfida cruciale nel settore dei BEV: bilanciare le esigenze spesso contrastanti di prestazioni dinamiche ed efficienza economica. Sebbene le trasmissioni monomarcia siano diventate lo standard di fatto grazie alla loro semplicità, basso costo ed elevata efficienza meccanica, impongono un compromesso. Un rapporto di trasmissione fisso non può ottimizzare contemporaneamente il veicolo per un’accelerazione rapida da fermo e per una guida efficiente ad alta velocità. Questa limitazione deriva dal fatto che il motore elettrico deve operare su un’ampia gamma di velocità e coppia, e un rapporto di trasmissione fisso significa che il motore spesso opera al di fuori della sua zona di efficienza massima, in particolare durante i cicli di guida urbana con frequenti fermate e ripartenze. Di conseguenza, nonostante l’efficienza intrinseca dei motori elettrici, una parte significativa dell’energia della batteria può andare persa a causa di un funzionamento subottimale del motore, influenzando direttamente l’autonomia del veicolo. Questo compromesso fondamentale ha spinto i costruttori automobilistici a esplorare soluzioni di powertrain più complesse per recuperare ogni possibile punto percentuale di efficienza e prestazioni.
Il team di ricerca, guidato da Liu Yongtao dell’Università Chang’an, ha selezionato un camion leggero puramente elettrico da 4,5 tonnellate come veicolo di riferimento per la propria analisi. Questa scelta fornisce un caso di studio rilevante, poiché i veicoli commerciali hanno requisiti rigorosi sia per la capacità di carico utile che per l’autonomia operativa, rendendo l’efficienza primaria. Lo studio si è concentrato su tre sistemi di propulsione con un singolo motore per garantire un confronto equo, isolando l’impatto della tecnologia della trasmissione e del motore. Il primo sistema è l’AMT monomarcia convenzionale, che utilizza un’unica riduzione fissa per collegare il motore alle ruote. Il secondo è un AMT a due marce, che incorpora una trasmissione a due velocità in grado di passare da un rapporto più basso per una coppia elevata a basse velocità a un rapporto più alto per una guida efficiente ad alte velocità. Il terzo sistema è un innovativo PMSM ad avvolgimento variabile, che mantiene una trasmissione monomarcia ma presenta un motore con due distinte configurazioni di avvolgimento dello statore che possono essere commutate elettronicamente.
Il motore ad avvolgimento variabile rappresenta un approccio sofisticato allo stesso problema. Invece di cambiare il rapporto di trasmissione, cambia le caratteristiche elettriche fondamentali del motore stesso. Nella modalità di “avvolgimento completo”, il motore è ottimizzato per un’elevata coppia a basse e medie velocità, ideale per la partenza e la salita in salita. Nella modalità di “mezzo avvolgimento”, il motore viene riconfigurato per un funzionamento ad alta velocità, consentendogli di raggiungere una velocità massima più elevata e di operare all’interno di una regione di potenza costante più efficiente. Questa tecnologia fornisce effettivamente al motore due profili di prestazione distinti all’interno di una singola unità fisica, ampliando il suo intervallo di funzionamento ad alta efficienza senza la complessità meccanica di una trasmissione multi-marcia. Il passaggio tra gli avvolgimenti è progettato per avvenire in millisecondi, minimizzando qualsiasi interruzione nella trasmissione della potenza.
Per condurre un confronto rigoroso e realistico, i ricercatori hanno impiegato tecniche di ottimizzazione avanzate. Hanno utilizzato l’algoritmo genetico con conservazione dell’élite e la teoria della programmazione dinamica per determinare i rapporti di trasmissione ottimali per i sistemi AMT monomarcia e a due marce. Questo processo ha comportato la simulazione delle prestazioni del veicolo sul ciclo di prova per veicoli commerciali pesanti cinesi (CHTC-LT), un ciclo di guida standardizzato che include segmenti urbani, suburbani e autostradali. L’obiettivo primario di ottimizzazione era ridurre al minimo il consumo energetico del veicolo ogni 100 chilometri. Per il sistema a due marce, questa ottimizzazione era particolarmente complessa, poiché richiedeva non solo di trovare i migliori rapporti di trasmissione, ma anche di determinare la tabella di cambio ottimale, i punti precisi in cui la trasmissione dovrebbe cambiare marcia per mantenere la massima efficienza possibile. Analogamente, per il motore ad avvolgimento variabile, il team ha dovuto progettare la tabella di “commutazione” ottimale per il passaggio tra le modalità di avvolgimento completo e mezzo avvolgimento.
I risultati della simulazione hanno fornito informazioni chiare e attuabili. In termini di prestazioni dinamiche, misurate dal tempo di accelerazione da 0 a 50 km/h, il sistema AMT a due marce si è rivelato il chiaro vincitore. Ha superato il sistema monomarcia del 2,63%, un miglioramento significativo per un veicolo commerciale. Questo vantaggio deriva dalla sua capacità di utilizzare un rapporto di prima marcia molto corto, che massimizza la moltiplicazione della coppia alle ruote per un’accelerazione rapida. I sistemi monomarcia e ad avvolgimento variabile, limitati da un unico rapporto di trasmissione che deve anche ospitare la velocità massima del veicolo, non possono raggiungere lo stesso livello di prestazioni di partenza. Il sistema ad avvolgimento variabile, pur utilizzando ancora una trasmissione monomarcia, ha mostrato un miglioramento modesto dell’1,38% nell’accelerazione rispetto al sistema monomarcia di riferimento. Questo guadagno è attribuito alla capacità del motore di erogare una coppia più elevata nella sua modalità di avvolgimento completo, fornendo un leggero vantaggio nella risposta a basse velocità.
I risultati per l’efficienza economica, tuttavia, dipingono un quadro diverso. Valutando il consumo energetico durante il ciclo CHTC-LT, il sistema PMSM ad avvolgimento variabile si è rivelato il più efficiente, riducendo il consumo energetico del 2,0% rispetto al sistema monomarcia. Il sistema AMT a due marce ha anche mostrato un miglioramento, con una riduzione del consumo dello 0,6%. Questi risultati evidenziano una distinzione cruciale: il sistema a due marce eccelle nel massimizzare le prestazioni, mentre il sistema ad avvolgimento variabile è superiore nel massimizzare l’efficienza. La capacità del motore ad avvolgimento variabile di mantenere il motore in funzione nelle sue zone di alta efficienza su un’ampia gamma di velocità gli conferisce un vantaggio decisivo nella riduzione delle perdite energetiche. Il sistema a due marce migliora l’efficienza consentendo al motore di operare a velocità più basse per una data velocità del veicolo in seconda marcia, ma questo beneficio è meno pronunciato rispetto all’espansione fondamentale dell’efficienza ottenuta dalla tecnologia ad avvolgimento variabile.
Lo studio fornisce anche un confronto diretto tra i due sistemi avanzati. Mentre l’AMT a due marce offre la migliore accelerazione, lo fa a un costo energetico più elevato. Al contrario, il sistema ad avvolgimento variabile raggiunge il consumo energetico più basso ma non eguaglia le prestazioni dinamiche del sistema a due marce. Il sistema monomarcia, che funge da riferimento, ha ottenuto le prestazioni peggiori in entrambe le categorie, confermando le limitazioni di un powertrain con rapporto fisso. Questa chiara gerarchia di prestazioni fornisce una guida preziosa ai produttori di veicoli. Per applicazioni in cui l’accelerazione rapida e alte prestazioni sono fondamentali, come automobili di fascia alta o veicoli commerciali orientati alle prestazioni, l’AMT a due marce è la scelta ottimale. La sua complessità meccanica e il costo sono giustificati dal significativo miglioramento delle prestazioni. Per applicazioni in cui massimizzare l’autonomia e ridurre i costi operativi sono le priorità principali, come camion per consegne a lungo raggio o flotte di veicoli, il sistema con motore ad avvolgimento variabile offre il maggior beneficio.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre il semplice confronto di questi tre sistemi. Convalida l’efficacia dell’uso di algoritmi di ottimizzazione avanzati come la programmazione dinamica per progettare strategie di controllo per powertrain complessi. Lo studio dimostra che le prestazioni di un sistema non dipendono solo dal suo hardware, ma anche dall’intelligenza del suo software di controllo. Le tabelle di cambio e commutazione ottimali sono fondamentali per sbloccare tutto il potenziale sia della trasmissione a due marce che del motore ad avvolgimento variabile. Ciò sottolinea una tendenza crescente nel settore automobilistico, in cui il software e i sistemi di controllo stanno diventando importanti quanto l’ingegneria meccanica nella definizione delle capacità di un veicolo.
Inoltre, la ricerca contribuisce al dibattito in corso sul futuro delle trasmissioni per BEV. Mentre alcuni esperti del settore hanno sostenuto che l’ampia gamma di velocità dei motori elettrici rende superflue le trasmissioni a più marce, questo studio fornisce prove empiriche del fatto che possono offrire benefici tangibili. Il miglioramento del 2,63% nell’accelerazione è un argomento convincente per il loro utilizzo in veicoli ad alte prestazioni. Allo stesso tempo, il successo del motore ad avvolgimento variabile suggerisce un percorso alternativo verso una maggiore efficienza che evita il peso aggiuntivo, il costo e le potenziali preoccupazioni di affidabilità di una trasmissione meccanica. Questa tecnologia potrebbe essere particolarmente attraente per i produttori che desiderano migliorare l’efficienza senza aumentare la complessità meccanica dei loro powertrain.
I risultati hanno anche importanti implicazioni per l’analisi costi-benefici nello sviluppo dei veicoli. Un sistema AMT a due marce aggiunge costi e complessità attraverso ingranaggi aggiuntivi, sincronizzatori e un’unità di controllo più sofisticata. Un motore ad avvolgimento variabile potrebbe avere un costo di produzione iniziale più elevato a causa del suo design dello statore più complesso e del circuito di commutazione. I risultati dello studio consentono ai produttori di quantificare i guadagni di prestazioni ed efficienza di ciascun sistema, consentendo loro di prendere decisioni informate in base al loro mercato di riferimento e all’applicazione del veicolo. Ad esempio, il risparmio energetico del 2,0% del sistema ad avvolgimento variabile potrebbe tradursi in un aumento significativo dell’autonomia o in una riduzione delle dimensioni della batteria, potenzialmente compensando il suo costo di componente più elevato.
In conclusione, la ricerca di Liu Yongtao e dei suoi colleghi fornisce un’analisi robusta e dettagliata dei powertrain di nuova generazione per BEV. Confrontando sistematicamente un sistema monomarcia, a due marce e ad avvolgimento variabile in condizioni identiche, hanno stabilito un benchmark di prestazioni chiaro. Il loro lavoro dimostra che non esiste una soluzione unica per i powertrain dei BEV. La scelta tra un AMT a due marce e un motore ad avvolgimento variabile dipende dall’obiettivo di progettazione primario: massimizzare le prestazioni dinamiche o massimizzare l’efficienza energetica. Questa comprensione sfumata è essenziale per ingegneri e progettisti mentre navigano nei complessi compromessi coinvolti nella creazione della prossima generazione di veicoli elettrici, che devono essere sia potenti che efficienti per soddisfare le esigenze di un mercato in rapida evoluzione.
Liu Yongtao, Liu Yongjie, Gao Longxin, Zhou Zijia, Wang Zheng, Chen Yisong, Wang Taiqi, School of Automobile, Chang’an University, Zhejiang Institute of Communications, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095-1469.2024.02.10