Motori elettrici e ibridi: l’evoluzione dei sistemi di collaudo
Le auto elettriche sono la novità che genera più fermento dell’industria e l’indotto si evolve per tenere il passo: a partire dai banchi prova per motori elettrici e ibridi, interconnessi con i sistemi di controllo e i test su strada, che presentano capacità evolute di raccolta dati. R+W è in grado di fornire a questo settore una gamma completa di giunti per tutte le esigenze di trasmissione precisa e bilanciata.
Le vetture elettriche stanno conquistando consistenti fette di mercato spingendo l’indotto del comparto automotive a innovarsi per restare al passo con l’evoluzione del mercato. Questo vale anche per il segmento dei collaudi, che sta assumendo connotati sempre più hi-tech: i banchi prova destinati a testare e certificare i motori green stanno subendo una vera e propria rivoluzione. I prodotti diventano sempre più sofisticati per garantire alle case automobilistiche alti standard di qualità: effettuare gli appropriati test per verificare le prestazioni del veicolo in termini di emissioni, consumo carburante, robustezza della diagnostica e velocità, è fondamentale per poter differenziare un determinato prodotto sul mercato da un altro e battere la concorrenza.
In un settore altamente competitivo l’innovazione è cruciale
Per la realizzazione dei banchi prova vengono utilizzati componenti (torsiometri, motori inverter e giunti) ad alte prestazioni. Operando alle alte velocità, i banchi necessitano di giunti veloci, leggeri, precisi e bilanciati. Questi componenti sono completati da una corposa strumentazione elettronica e da sofisticati software di gestione, in modo da garantire le elevate prestazioni richieste da un settore competitivo e in continua evoluzione come l’automotive, dove l’innovazione è cruciale. I banchi prova rivolti a questo settore devono tener conto dei progressi dei sistemi di propulsione (powertrain) sia ibridi che elettrici.
Tutti i parametri devono essere testati in maniera riproducile e mirata
I banchi prova costituiscono uno strumento fondamentale nell’ambito dell’ingegneria dei sistemi di propulsione. Il loro impiego, in genere, precede le attività di test su strada di un nuovo veicolo per tutta la gamma delle sue motorizzazioni. È fondamentale quindi che determinate caratteristiche specifiche possano essere testate in maniera riproducibile e mirata, sotto condizioni al contorno predefinite.
I moderni sistemi di questo tipo consentono anche di raccogliere i risultati relativi all’esecuzione di test su strada, con una procedura chiamata road–to–rig (R2R). In Figura 1 viene mostrato il setup tipico di un test di un nuovo autoveicolo su un banco prova che implementa la procedura R2R.
Le soluzioni scelte per gli accoppiamenti cinematici, analoghe a quelle mostrate nella figura, dovranno far fronte alle esigenze di compensazione dell’inerzia. Il banco prova sarà così predisposto alla conduzione dei test per tutte le tipologie di automobile, a partire dalla piccola utilitaria per arrivare al SUV. Le catene cinematiche dovranno quindi presentare caratteristiche di bassa inerzia alla rotazione, leggerezza e compensazione dei disallineamenti. Tenendo conto di questi requisiti, la loro realizzazione sarà anche fondamentale per la costruzione di un banco prova in grado non solo di condurre i test sulle tipologie di autoveicolo sopra indicate, ma anche di mantenere la sua configurazione praticamente immutata.
Un sistema così concepito presenta il notevole vantaggio di poter essere impiegato in qualsiasi stadio del processo di sviluppo di un nuovo veicolo e del suo sistema di propulsione completo, basato sia su motorizzazioni ibride che elettriche. È evidente come ciò permette di conseguire il notevole vantaggio della riduzione del numero dei costosi prototipi del veicolo da lanciare sul mercato, destinati all’esecuzione dei test su strada.
L’evoluzione dei banchi prova per powertrain elettrici e ibridi
Nell’ultimo decennio i banchi prova hanno conosciuto un’evoluzione costante; partendo dall’osservazione delle condizioni operative dei banchi per i sistemi di propulsione basati su motorizzazioni convenzionali, le attività di ricerca hanno avuto come scopo quello di stabilire nuove strategie di test per le motorizzazioni ibride ed elettriche. L’analisi di tutti i requisiti e dei parametri operazionali dei test, finalizzata alla concezione e alla successiva realizzazione di banchi prova dedicati alle motorizzazioni ibride ed elettriche è stata affrontata in maniera sistematica, a partire dal 2011, dall’Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen Stuttgart (IVK) dell’Università di Stoccarda, che dall’aprile 2020 è stato ribattezzato Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS). Nel caso dei veicoli ibridi ed elettrici, vi è l’esigenza di disporre di una rete di alimentazione elettrica di bordo, fondamentale per l’alimentazione di uno o più motori elettrici. Per questa ragione, è logico estendere le funzionalità del banco prova di un sistema di propulsione innovativo con una sezione di test per l’alimentazione elettrica di bordo, al fine di valutate le interazioni tra il sistema meccanico e quello elettrico. Questa soluzione risulta essere non limitativa in termini di energia di accoppiamento, come mostrato brevemente nel seguente esempio.
L’esempio applicativo di un banco prova per un veicolo ibrido
Si consideri la corrente misurata della batteria di trazione in un veicolo ibrido parallelo. Le irregolarità rotazionali del motore a combustione interna, così come le frequenza di rotazione meccanica, possono essere rilevate facilmente nello spettro delle frequenze rilevato dalla strumentazione. L’insieme delle irregolarità rotazionali del motore a combustione interna e della frequenza di rotazione meccanica costituiscono, di fatto, una forzante e un carico per il sistema elettrico. In Figura 2 è mostrata una rappresentazione schematica del banco di prova, nel quale un sistema a trazione integrale, in parallelo con un sistema di propulsione ibrida, viene sottoposto a test. Per quanto riguarda gli azionamenti, sono presenti quattro macchine elettriche di carico ad alta dinamica; il momento d’inerzia rotazionale di ciascuna di esse è pari a quello di una ruota di un veicolo di serie. La posizione sul banco di queste macchine di carico può essere regolata lungo le tre direzioni nello spazio, in modo da rendere agevoli le attività di test di sistemi di propulsione di dimensioni diverse. Queste macchine vengono successivamente collegate al posto delle ruote, in corrispondenza delle flange dei mozzi del sistema di propulsione da sottoporre a test, tramite accoppiamenti che realizzano le catene cinematiche i cui requisiti sono stati descritti in precedenza.
L’esecuzione del test viene effettuata applicando uno dei seguenti metodi:
- si utilizza il motore del powertrain sottoposto a test;
- si ricorre a un’altra macchina di carico elettrica ad alta dinamica, in grado di replicare le irregolarità rotazionali prodotti da motori a combustione interna a varie frequenze, fino ad un massimo di 500 Hz.
Applicando il secondo metodo di esecuzione del test, si riesce a ottenere un momento d’inerzia compreso nello stesso intervallo di valori corrispondente a quello di un motore a combustione interna di un’autovettura.
Per quanto riguarda l’alimentazione elettrica, viene impiegata una sorgente DC ad alta dinamica e a 2 quadranti (cioè una sorgente DC il cui circuito rende disponibile una tensione di armatura sempre positiva, mentre la corrente sarà positiva o negativa, per cui i quadranti del piano i,v interessati sono 2). Utilizzando questo dispositivo è possibile simulare la presenza di batterie non realmente istallate.
Nel caso sia presente un dispositivo di accumulo dell’energia, la sorgente di tensione può anche agire da ulteriore consumatore di energia, simulando l’azione dei sistemi di test e di quelli di ricarica della batteria di serie.
Un quadro di controllo con strumenti integrati di misura della corrente e della tensione e contattori multipli costituisce l’interfaccia per la conduzione del test del powertrain.
Quest’ultimo sistema fornisce funzionalità aggiuntive di protezione in caso di errore e può essere impiegato per simulare, in maniera selettiva, interruzioni dei cavi e cortocircuiti negli avvolgimenti.
Per l’impianto elettrico a 14V, che viene impiegato nei sistemi di propulsione sia convenzionali che alternativi, viene resa disponibile un’ulteriore sorgente regolata. Utilizzando questa sorgente, viene tenuta in considerazione la domanda crescente di energia elettrica nel sistema dovuta all’elettrificazione delle unità ausiliarie, oltre all’impatto associato al consumo di carburante.
Una parte integrante di questo sistema di automazione, composto da diversi computer sincroni in tempo reale, è dato da un sistema di simulazione sul quale vengono implementati i processi di controllo rapido.
La capacità di adattamento a modelli esistenti e di integrazione di nuovi sviluppati tramite software di calcolo numerico e di modellazione, simulazione ed analisi di sistemi dinamici, costituisce una funzionalità aggiuntiva dei banchi di prova per i powertrain sia ibridi che elettrici.
L’insieme dell’equipaggiamento hardware e software, in particolare quello relativo alle interfacce, facilita la sinergia delle attività di simulazione, di test al banco prova e di quelle di test su strada.
Un attento dimensionamento degli accoppiamenti cinematici consente il vantaggio aggiuntivo di rendere la soluzione dei banchi prova modulare.
La configurazione del banco di prova qui esposta permette di avere due sistemi di automazione separati, per cui lo schema basato su una trasmissione a trazione integrale, considerato nell’esempio iniziale, può essere suddivida in due schemi di banco prova indipendenti a singolo asse.
In Figura 3 sono mostrate le principali diverse configurazioni ottenibili del banco prova per powertrain convenzionali, ibridi ed elettrici.
La flessibilità dei banchi di prova consente di ottimizzare le attività di R&D intervenendo sui parametri di esercizio dei componenti singoli o, addirittura, rimuovendoli al fine di consentire le attività di testing dei powertrain elettrici ad alte prestazioni e di evidenziare, nel caso di powertrain ibridi, i miglioramenti prestazionali e l’incremento dei costi connessi all’introduzione dei relativi sistemi elettrici.
Tali strategie richiedono anche il ricorso a unità di controllo capaci di fornire funzionalità aggiuntive di previsione dei modelli di emissione, per cui la progettazione degli accoppiamenti cinematici, rispettosa dei requisiti prima esposti, gioca un ruolo fondamentale nel conseguimento di risultati utili ricavati dai test.
Il ruolo del fornitore di componenti
Un’attività complessa come la progettazione dei banchi prova per i powertrain ibridi ed elettrici può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, in grado di fornire a questo settore una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione precisa e bilanciata, quali i giunti di precisione a soffietto metallico della serie BK e i giunti di trasmissione lamellari della serie LP. I primi sono molto robusti e hanno la capacità di lavorare a velocità molto elevate. Sono inoltre precisi, resistenti alle sollecitazioni, all’usura e alle variazioni di temperatura: qualità che li rendono adatti ad assecondare anche dinamiche particolarmente elevate. Versatili e senza gioco, questi giunti sono inoltre molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente illimitata e, soprattutto, la totale affidabilità. L’insieme delle loro caratteristiche li rende adatti a far fronte alla sempre maggior efficienza richiesta dalla crescente competitività del settore automotive e al continuo aumento delle velocità e delle prestazioni richieste. I giunti lamellari LP trovano impiego in impianti siderurgici, nastri trasportatori, pompe, banchi di prova e molte altre applicazioni. Sono robusti, compatti e garantiscono un’elevata rigidità torsionale. Il profilo ottimizzato del mozzo, che presenta delle cavità nell’area attorno le viti di fissaggio, riduce l’impiego di materiale e il peso, con un conseguente minore momento d’inerzia di massa. Grazie all’impiego di materiale altamente resistente, tutte le serie hanno un’alta densità di potenza.