Banchi prova per le auto elettriche e ibride

Le auto elettriche sono ormai la “novità” (anche se il primo prototipo in General Motors è del 1971 e il primo veicolo di massa è la Toyota Prius presentata nel 1997) che genera più fermento dell’industria: l’indotto si evolve per tenere il passo. A partire dal segmento dei 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.

Le vetture elettriche stanno conquistando consistenti fette di mercato spingendo tutto l’indotto dell’automotivea innovarsi per stare al passo con l’evoluzione del mercato. Compreso il segmento dei collaudi, che sta assumendo connotati sempre più high-tech. Si stima che nel 2025 le vetture ibride o elettriche costituiranno il 60% delle vendite nell’Unione Europea; ipotizzando percentuali simili per gli altri player mondiali, è possibile stimare che dei circa 100 milioni di auto che si prevede verranno vendute ogni anno, 70 milioni saranno ibride o elettriche. Un segmento più che interessante, anche per tutto l’indotto che ha già iniziato a guardare avanti.

Banchi prova sempre più sofisticati

Questo ritmo di crescita incentiva le innovazioni in diverse aree del settore automotive; in particolare il segmento dei collaudi e quindi dei banchi prova destinati a testare e certificare i motori green sta 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, se possibile, la concorrenza.

Innovare per battere la concorrenza

Per la realizzazione di questi banchi prova in genere vengono utilizzati componenti (torsiometri, motori inverter e giunti) di elevate prestazioni. Si tratta infatti di banchi che girano ad alta velocità e per questo necessitano di giunti veloci, leggeri, precisi e bilanciati, come quelli prodotti da R+W, azienda ai vertici nella produzione di giunti e alberi di trasmissione. 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, dove l’innovazione è cruciale, come quello dell’automotive.

La crescente complessità delle attività di Ricerca & Sviluppo nel settore automotive richiede la realizzazione di banchi prova innovativi, che tengano conto dei progressi dei sistemi di propulsione (powertrain) sia ibridi che elettrici. 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. Per tali scopi, è fondamentale che determinate caratteristiche specifiche possano essere testate in maniera riproducibile e mirata, sotto condizioni al contorno predefinite. Infatti, 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).

Le soluzioni scelte per gli accoppiamenti cinematici 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 così 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 non solo capace di condurre i test sulle tipologie di autoveicolo prima indicate, ma anche di mantenere la sua configurazione praticamente immutata. Un sistema così concepito presenta il notevole vantaggio di poter essere impiegato a 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.

La realizzazione di questi banchi prova innovativi è frutto di un’evoluzione costante che ha avuto luogo nell’ultimo decennio; partendo dall’osservazione delle condizioni operative dei banchi prova 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 ed alla successiva realizzazione di banchi prova dedicati per le motorizzazioni ibride ed elettriche è stata affrontata in maniera sistematica, a partire dal 2011, dall’IVK (Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen) dell’Università di Stoccarda, che dal 1° aprile 2020 è stato ribattezzato IFS (Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart).

I banchi di prova per i powertrain elettrici e ibrdi

Nel caso dei veicoli ibridi e di quelli 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.

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 ed un carico per il sistema elettrico.

Nella figura qui sopra 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 4 macchine elettriche di carico ad alta dinamica, il cui 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 poter rendere agevole 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 così effettuata applicando uno dei seguenti metodi: o si utilizza il motore del powertrain sottoposto a test, o si ricorre a un’altra macchina di carico elettrica ad alta dinamica, che è in grado di replicare le irregolarità rotazionali prodotti da motori a combustione interna a varie frequenze, fino a 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 così possibile simulare la presenza di batterie non realmente istallate. Se è presente un dispositivo di accumulo dell’energia, allora 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 fornisca 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 14 V, 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 e 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, facilità 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 fin 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. Nella figura qui sotto sono mostrate le principali diverse configurazioni ottenibili del banco prova per powertrain convenzionali, ibridi ed elettrici.

Questa flessibilità dei banchi di prova consente quindi di ottimizzare le attività di ricerca e sviluppo intervenendo sui parametri di esercizio dei componenti singoli o, addirittura, rimuovendoli al fine di consentire le attività di testing dei powertrain elettrici ad alte prestazione 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 ad 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 nell’ambito dei banchi di prova dei powertrain ibridi ed elettrici può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista. Nel settore dei powertrain ibridi ed elettrici, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione precisa e bilanciata, quali: giunti di precisione a soffietto metallico della serie BK (nella foto qui sopra) e i giunti di trasmissione lamellari della serie LP (nella foto qui sotto).

I giunti a soffietto metallico della serie BK sono molto robusti e hanno la capacità di lavorare a un alto numero di giri e quindi a velocità elevata. Sono inoltre precisi, resistenti alle sollecitazioni, all’usura e alle variazioni di temperatura: qualità che li rendono adatti ad assecondare anche dinamiche particolarmente elevate. I giunti BK, versatili e senza gioco, sono inoltre molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita 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.