Che cos'è una catena cinematica EV?

Un veicolo elettrico (EV) è un veicolo che sfrutta l'alimentazione elettrica per il movimento. Questa alimentazione viene solitamente erogata da una batteria (BEV, Battery Electric Vehicle) o da una cella a combustibile (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle). Con catena cinematica EV si fa riferimento al sistema presente nei veicoli elettrici che converte l'energia elettrica in movimento meccanico.

Una catena cinematica EV è costituita da:

• Un sistema di immagazzinamento dell'energia: una batteria o una cella a combustibile
• Elettronica di potenza: inverter/convertitore con controlli associati
• Una macchina elettrica: sistema di conversione dell'energia ( motore elettrico)
• Un sistema meccanico: un sistema di trasmissione

Tenere presente che la trasmissione di veicoli elettrici include anche l'albero di trasmissione e le relative parti meccaniche. Inoltre, le catene cinematiche EV non producono emissioni durante il funzionamento, contribuendo a fornire un metodo di trasporto più ecologico.  

Una catena cinematica è un insieme di componenti all'interno di un veicolo che genera e controlla la potenza per mettere in moto il veicolo.

I veicoli elettrici a batteria (BEV) stanno diventando lo standard per i veicoli elettrici. Nel 2023 hanno rappresentato il 70% delle scorte mondiali di auto elettriche e il 98% delle vendite di veicoli commerciali leggeri elettrici nel 2022, grazie alla loro progettazione più semplice e ai costi di manutenzione più bassi.

Una catena cinematica di veicolo elettrico a batteria (BEV) integra un gruppo batterie per immagazzinare energia elettrica, inverter per la conversione della potenza per alimentare motori elettrici, un motore elettrico che converte l'energia elettrica in movimento meccanico, noto anche come motore principale, e una scatola ingranaggi che controlla la potenza trasmessa dal motore alle ruote.

Rispetto a un motore a combustione interna (ICE) che richiede un motore, sistemi di iniezione del carburante e sistemi di scarico, la catena cinematica EV è un'architettura diversa che produce zero emissioni di scarico e nessun rumore ICE. Con un numero inferiore di parti in movimento, l'usura è minore e i costi di manutenzione sono generalmente inferiori, in quanto non sono più necessarie parti che richiedono un'elevata manutenzione, come candele e cambi dell'olio. 

Mentre il mondo si impegna per offrire un futuro più sostenibile, i vantaggi delle auto elettriche sono diventati noti. Sebbene le batterie siano componenti chiave nei veicoli elettrici, è disponibile una raccolta di controlli e componenti elettronici di potenza che coordinano il flusso di elettricità dietro le quinte.

Infatti, l'elettronica di potenza è una parte fondamentale dei sistemi della catena cinematica dei veicoli elettrici. Contribuisce a garantire una conversione ottimale dell'energia, nonché il funzionamento, la sicurezza e le prestazioni ottimali dei veicoli elettrici.

Sistemi di generazione di potenza in catene cinematiche EV

I sistemi di generazione di potenza forniscono la potenza elettrica necessaria per spostare il veicolo.

Gruppo batterie: Il gruppo batterie incorpora numerose celle (generalmente celle agli ioni di litio) che fungono da meccanismo primario di immagazzinamento dell'energia. Le celle agli ioni di litio hanno un'elevata densità di energia e sono in grado di immagazzinare una grande quantità di energia per unità di volume. Le celle a combustibile rappresentano un altro tipo di immagazzinamento di energia.

Il gruppo batterie incorpora anche un sistema di gestione della batteria (BMS, Battery Management System), che fornisce strategie che impediscono il sovraccarico o lo scaricamento della batteria per garantire il funzionamento sicuro della batteria.

Caricabatterie di bordo:converte l'alimentazione a corrente alternata (CA) da una fonte di carica esterna (rete) in corrente continua (CC) per l'immagazzinamento nella batteria. Il caricabatteria di bordo comunica con la centralina del veicolo e la stazione di carica esterna per regolare l'erogazione di potenza. Può anche includere funzioni di sicurezza informatica.

Sistemi di distribuzione della potenza in catene cinematiche EV

I sistemi di distribuzione della potenza controllano la potenza erogata dalla fonte di alimentazione elettrica. Integrano componenti elettronici di potenza, compresi gli inverter che convertono l'alimentazione CC della batteria in alimentazione CA utilizzabile dal motore. Diverse topologie di controlli elettronici della potenza possono anche contribuire ad aumentare le prestazioni offrendo diverse strategie di commutazione dell'inverter, ad esempio per aumentare l'efficienza o raggiungere la coppia massima. 

Inverter CC-CA (inverter trazione): L'inverter da CC a CA trasforma la corrente CC proveniente dalla batteria in corrente CA, generando così le tensioni alternate necessarie a controllare la velocità e l'accelerazione del motore. Gli inverter da CC a CA incorporano dispositivi di potenza con transistor bipolare a gate isolato (IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor) o transistor a effetto di campo con struttura metallo-ossido-semiconduttore in carburo di silicio (SiC MOSFET, Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) collegati tramite un'array di schede a circuito stampato (PCB) e/o barre di distribuzione. Questi dispositivi semiconduttori di potenza si comportano come interruttori ad alta velocità, attivando e disattivando elevati livelli di corrente e tensione sul motore elettrico, simulando una forma d'onda di corrente sinusoidale.

Convertitore da CC a CC: Il convertitore da CC a CC regola l'output CC ad alta tensione della batteria per fornire la corrente CC a bassa tensione necessaria per alimentare i sistemi ausiliari, quali l'illuminazione, il sistema di intrattenimento o l'aria condizionata. Integra componenti elettronici di potenza, inclusi semiconduttori di potenza, diodi, condensatori e magneti. È inoltre possibile integrare un convertitore da CC a CC in un modulo di erogazione della corrente (PDM, Power Delivery Module) che include un caricabatteria e una scatola di derivazione.

Unità di controllo del veicolo: L'unità di controllo del veicolo è l'hub di comunicazione centrale di un veicolo elettrico, che raccoglie ed elabora i dati provenienti da vari sistemi, sensori e centraline. Sincronizza le attività tra il caricabatteria di bordo, la batteria, il motore e altri sistemi.

Unità di distribuzione della potenza: L'unità di distribuzione della potenza assicura che ciascun sistema all'interno del veicolo riceva la giusta quantità di potenza. Integra componenti elettronici di potenza come interruttori, fusibili, relè e, occasionalmente, dispositivi a semiconduttore, evitando sovraccarichi del sistema e consentendo un funzionamento efficiente.

Firmware ed ECU: Il funzionamento efficiente e sicuro dei componenti della catena cinematica EV viene orchestrato da una raccolta di unità di controllo elettroniche (ECU) alimentate da firmware, garantendo lo scambio e l'elaborazione efficienti dei dati.

Sistema di gestione termica: Il sistema di gestione termica protegge la batteria e il motore dalle temperature estreme, garantendo processi efficienti e sicuri in tutti i sistemi ed ecosistemi di veicoli elettrici.

Conversione di energia elettromeccanica in catene cinematiche EV

Motore di trazione: Il motore di trazione è il componente principale responsabile della generazione della trazione su strada e della spinta del veicolo in avanti. Generalmente è costituito da:

• Statore: La parte fissa del motore, costituita da lamine in acciaio magneticamente permeabili con bobine di rame avvolte in fessure disposte lungo la circonferenza dello statore. 
• Rotore: La parte rotante del motore, che generalmente è composta da lamine in acciaio magneticamente permeabili con magneti permanenti strategicamente posizionati per interagire al meglio con il design dello statore e generare coppia. Esistono altre topologie di motori che non richiedono magneti, ad esempio una macchina a induzione che utilizza una configurazione a "gabbia di scoiattolo" anziché magneti permanenti per generare coppia. 

Man mano che la corrente attraversa le bobine dello statore, induce un campo magnetico rotante. Questo campo interagisce con i magneti del rotore (o la gabbia di scoiattolo del motore a induzione), provocando la rotazione del rotore e la generazione del movimento. Il pedale dell'acceleratore del veicolo elettrico controlla la quantità e la frequenza della potenza elettrica che passa dalla batteria al motore tramite i sistemi di controllo e i componenti elettronici di potenza, controllando così la coppia prodotta dal motore.

La maggior parte dei veicoli elettrici è dotata di un motore CA (sincrono, come nelle macchine a magnete permanente brushless (senza spazzole), o asincrono, come nelle macchine a induzione).

Cambio e trasmissione: Come in un veicolo ICE, spesso è necessario un cambio meccanico per abbinare l'output del propulsore o del motore a quello necessario alle ruote. Un cambio di veicolo elettrico è di solito molto più semplice del cambio di un veicolo con motore a combustione interna, perché un motore elettrico può produrre coppia su una gamma di velocità molto più ampia rispetto a un motore a combustione e può produrre anche coppia a velocità zero. Ciò significa che la frizione e l'ampia gamma di marce generalmente presenti in una trasmissione ICE non sono necessarie. Tuttavia, i motori elettrici sono generalmente progettati per ruotare a una velocità superiore rispetto alla velocità richiesta sulle ruote, quindi il cambio viene utilizzato per ridurre la velocità e aumentare la coppia disponibile.

La maggior parte delle trasmissioni dei veicoli elettrici ha un unico rapporto di trasmissione fisso, senza la necessità di componenti per cambiare il rapporto di trasmissione. I cambi multispeed possono risultare utili in veicoli elettrici commerciali a elevate prestazioni o di grandi dimensioni, al fine di estendere la gamma velocità e coppia disponibile.

In una catena cinematica di veicolo elettrico ibrido (HEV, Hybrid Electric Vehicle), il cambio svolge un ruolo cruciale nella combinazione della potenza proveniente da uno o più propulsori e dal motore, utilizzando treni di ingranaggi convenzionali o satelliti. In base alle condizioni di guida, questo cambio funziona con i propulsori e il motore per erogare la potenza nel modo più efficiente, tra cui il funzionamento del veicolo senza il motore a combustione interna in funzione, nonché la ricarica della batteria utilizzando il motore e i propulsori in modalità di generazione quando le condizioni di guida sono adatte.

Il differenziale viene normalmente integrato come parte del cambio nei veicoli elettrici, o, a seconda del layout del propulsore, può anche essere un componente separato.

Esistono tre tipi principali di catene cinematiche elettrificate, che offrono configurazioni e funzionalità distinte e rispondono a esigenze e preferenze diverse.

Veicoli elettrici a batteria (BEV): Chiamati anche veicoli elettrici puri, i veicoli BEV derivano tutta la loro potenza dall'energia immagazzinata nel gruppo batterie ricaricabili. Non utilizzano una fonte di immagazzinamento di energia secondaria, come ad esempio un serbatoio del carburante.

I veicoli elettrici a batteria devono essere ricaricati da una fonte esterna e le attuali autonomie di guida variano tra 100 e 400 miglia (circa 160 a 640 km). In alcuni casi, l'autonomia è maggiore in veicoli elettrici di fascia alta. Alcuni esempi di veicoli elettrici a batteria (BEV) sono Tesla Model 3, Nissan LEAF e BMW i3, con molti nuovi modelli recentemente apparsi sul mercato.

Veicoli elettrici ibridi (HEV): I veicoli HEV combinano un motore a combustione interna con una trasmissione elettrica, garantendo un risparmio di carburante e prestazioni migliori rispetto a un veicolo ICE tradizionale.

I veicoli elettrici ibridi sono alimentati dall'elettricità a vari gradi. Le auto elettriche ibride incorporano una serie di caratteristiche vantaggiose, quali:

• Frenata rigenerativa che converte l'energia cinetica nuovamente in energia elettrica per l'immagazzinamento nella batteria (condivisa anche con i veicoli elettrici a batteria)
• Sistemi start-stop che arrestano il motore al minimo, riducendo così le emissioni
• Un generatore elettrico (alimentato tramite ICE) che ricarica la batteria o fornisce potenza aggiuntiva al motore elettrico

I veicoli elettrici ibridi hanno un'autonomia che varia tra 400 e 600 miglia (circa 640-960 km). Ad eccezione dei veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV), i veicoli elettrici ibridi non vengono in genere caricati da una fonte esterna. Esempi di veicoli HEV includono Ford Fusion Hybrid, Toyota Camry Hybrid e Honda Civic Hybrid.

Veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV):i veicoli elettrici ibridi plug-in (una sottoclasse di HEV) possono essere caricati da una fonte esterna. Hanno un'autonomia oggi che varia tra 20 e 50 miglia (circa 30-80 km) solo con elettricità, rendendoli ideali per brevi spostamenti in città. Per i viaggi più lunghi, i veicoli elettrici ibridi plug-in possono fare affidamento su benzina o diesel. Alcuni veicoli elettrici ibridi plug-in sono Toyota Prius Prime, Chevrolet Volt e Honda Clarity.

Il veicolo elettrico con celle a combustibile (FCEV) è un quarto tipo di veicolo elettrico. Funziona producendo corrente elettrica dalle celle a combustibile a idrogeno anziché dalle batterie.

I motori a combustione interna sono la principale fonte di potenza dei veicoli da oltre un secolo.

Nonostante il loro uso di lunga data, i motori a combustione interna (ICE) presentano diverse sfide, tra le quali l'inquinamento ambientale derivante dalla combustione di combustibili fossili. Ciò ha portato governi e singoli individui a impegnarsi costantemente per un maggiore utilizzo di veicoli alimentati ad energia elettrica.

Per un confronto, ecco le principali differenze tra catene cinematiche ICE ed EV:

Vantaggi delle catene cinematiche EV

I vantaggi delle catene cinematiche EV variano in base alle abitudini e alle preferenze di guida individuali, e alla vicinanza ad una stazione di ricarica. Ecco i principali vantaggi delle catene cinematiche di veicoli elettrici:

• Emissioni zero: Nell'ambito della riduzione dell'inquinamento e dei gas serra, forse il vantaggio più significativo delle catene cinematiche di veicoli elettrici a batteria (BEV) è l'assenza di emissioni allo scarico causate dalla combustione di combustibili fossili e da una riduzione dell'impronta di carbonio per tutta la durata del veicolo elettrico a batteria.
• Inquinamento acustico ridotto: Oltre all'assenza di emissioni di gas serra, le catene cinematiche di veicoli elettrici a batteria generano anche meno rumore udibile, contribuendo a un ambiente più silenzioso.
• Efficienza energetica: Le catene cinematiche di veicoli elettrici a batteria hanno un livello di efficienza energetica significativamente maggiore rispetto a quelle di veicoli con motore a combustione interna, convertendo più del 80% dell'energia immagazzinata in energia cinetica. Inoltre, caratteristiche come la frenata rigenerativa consentono il riciclaggio di energia.
• Costi di manutenzione ridotti: Con un numero inferiore di parti in movimento, i costi di manutenzione delle catene cinematiche EV sono ridotti e la batteria, in condizioni ideali e manutenuta correttamente, può durare fino a 12 anni. Come qualsiasi altra batteria, con il passare del tempo la sua capacità si esaurirà.
• Costi del carburante ridotti: Il costo dell'elettricità per alimentare un veicolo elettrico a batteria (BEV) è generalmente inferiore al costo della benzina o del gasolio per un veicolo con motore a combustione interna (ICE). Secondo uno studio condotto dall'Università del Michigan, il carburante di un veicolo a benzina costa più del doppio rispetto a un veicolo elettrico negli Stati Uniti.
• Costo totale di proprietà (TCO) inferiore: Sebbene i veicoli elettrici a batteria presentino in genere costi di acquisto iniziali più elevati, i risparmi sul carburante e sulla manutenzione contribuiscono a ridurre il TCO, il che li rende più economici per tutta la durata del veicolo.

Svantaggi delle catene cinematiche EV

Le catene cinematiche di veicoli elettrici presentano diversi svantaggi, tra i quali:

• Costo: Allo stato attuale, i veicoli elettrici richiedono un investimento iniziale più elevato rispetto ai veicoli ICE a causa del costo più elevato dei componenti della catena cinematica (principalmente la batteria).
• Tempo di ricarica: Il tempo di ricarica della batteria in genere richiede da 30 minuti a diverse ore a seconda della capacità di ricarica della stazione di ricarica, rispetto ai pochi minuti necessari per il riempimento del serbatoio di un veicolo ICE.
• Ansia dei consumatori: Attualmente, i veicoli elettrici a batteria offrono un'autonomia di guida limitata con una sola carica. Poiché le stazioni di ricarica non sono tanto diffuse quanto le stazioni di servizio e le batterie richiedono più tempo per caricarsi, i consumatori hanno timore di usare un veicolo elettrico a batteria per lunghi viaggi.

I progetti delle catene cinematiche di veicoli elettrici mirano principalmente a una gestione termica efficiente e a una maggiore autonomia di guida. Favoriscono una maggiore densità di potenza (potenza erogata per volume unitario), mantenendo un delicato equilibrio tra generazione di potenza e dissipazione del calore. Il chilometraggio, l'efficienza e le prestazioni complessive dei veicoli elettrici possono essere ottimizzati a livello di componenti, sistema e architettura.

Ad esempio, le prestazioni del veicolo sono notevolmente migliorate integrando le modalità di guida nell'architettura del sistema di guida, consentendo più configurazioni in base alle condizioni di guida.

Le unità di controllo elettroniche (ECU) integrate nell'architettura hardware offrono funzionalità potenziate, ad esempio, convertendo le istruzioni di accelerazione del conducente in istruzioni per il motore e la batteria, soddisfacendo requisiti specifici quali accelerazione da 0 a 90 km/h e consumo energetico ottimale. Queste ECU sono alimentate da algoritmi come programmazione dinamica o strategie di riduzione al minimo del consumo.

Nella spinta all'adozione di soluzioni elettriche, la catena cinematica dei veicoli elettrici rappresenta un'interessante innovazione che offre maggiori vantaggi in termini di efficienza, rispetto dell'ambiente e prestazioni. Man mano che sempre più consumatori scelgono i veicoli elettrici, il mercato vedrà una maggiore diversità di modelli, dai SUV e auto di lusso agli autocarri e altro ancora.

Ansys è all'avanguardia di questa rivoluzione tecnologica, supportando il progresso di soluzioni basate su tecnologie pulite che stanno trasformando come il mondo utilizza la sua energia nel miglior modo possibile.

Il software Ansys ConceptEV®  è una piattaforma di progettazione e simulazione che migliora le prestazioni dell'intero sistema delle catene cinematiche EV. Consente ai team di progettazione interfunzionali di collegare modelli di componenti e valutare i requisiti a livello di veicolo, per prendere decisioni rapide e accurate durante l'intero processo di sviluppo e integrando:

• Modelli di componenti multi-fedeltà
• Algoritmi di controllo integrati
• Integrazione con strumenti di progettazione dei componenti
• Simulazione delle capacità della catena cinematica
• Quantificazione di trade-off tra sistemi

Per aiutare i tuoi ingegneri a fornire catene cinematiche più efficienti dal punto di vista energetico e rispettare i costi target, scarica una versione di prova gratuita del software Ansys ConceptEV. Altrimenti, visualizza una demo di come il software ConceptEV consente di migliorare l'efficienza e le prestazioni delle catene cinematiche di veicoli elettrici.

Risorse correlate