Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
Progettare motori per semirimorchi elettrici è molto più che sostituire un motore diesel con uno elettrico: è un modo completamente nuovo di pensare al cuore di questi potenti camion. In questo articolo vi guiderò attraverso le scelte progettuali più importanti, i problemi che dobbiamo affrontare e le nuove soluzioni che stanno portando a un futuro più verde nel settore delle spedizioni. Prenderemo in considerazione tutti gli aspetti, dalle esigenze di coppia alla produzione a basso costo, per darvi una visione completa di ciò che serve per alimentare la prossima generazione di veicoli commerciali.
Quando si parla di potenza in un camion diesel standard, spesso ci si concentra sui cavalli e sulla capacità del motore di trainare carichi pesanti su lunghe distanze. Con un veicolo elettrico, invece, il discorso cambia. Non si tratta solo di potenza grezza, ma di un'erogazione intelligente della potenza. Un motore elettrico fornisce una potenza immediata da un arresto completo, il che rappresenta un grande vantaggio per un semirimorchio a pieno carico che ha bisogno di muoversi. Questa accelerazione istantanea cambia la sensazione di guida e lo rende più efficiente nel traffico stop-and-go. Il design dei moderni propulsori elettrici consente una potenza costante e uniforme in un'ampia gamma di velocità. Ciò significa che il veicolo può raggiungere e mantenere la velocità autostradale anche su colline ripide, cosa che può essere difficile per un normale camion diesel.
Il nuovo modo di pensare alla potenza comprende anche il modo in cui è costruito l'intero veicolo. Senza un grande motore diesel, c'è più spazio aperto e un migliore bilanciamento del peso del veicolo. Questo può portare a una migliore maneggevolezza e stabilità. Inoltre, la fonte di energia, il pacco batterie, può essere integrato nel telaio. In questo modo si abbassa il centro di gravità del veicolo e si riduce il rischio di ribaltamento. Il discorso sulla potenza nei veicoli pesanti non riguarda più solo la potenza del motore in kW, ma anche il modo in cui l'intero gruppo propulsore elettrico lavora insieme per fornire prestazioni più intelligenti, più rapide e più efficienti. Questa visione completa del sistema è ciò che rende il camion elettrico moderno diverso da quelli più vecchi.
In base alla mia esperienza, non esiste una configurazione unica per la catena cinematica di ogni camion elettrico. La configurazione migliore dipende in larga misura dall'utilizzo che ne verrà fatto. Le configurazioni principali che vediamo oggi sono la trasmissione diretta centrale e gli assali a trazione elettrica, o e-axle, sempre più diffusi. La configurazione a trazione centrale è spesso considerata un modo più economico per rendere elettriche le piattaforme di autocarri esistenti. In questa configurazione, il motore diesel viene sostituito da un grande motore elettrico che si collega a una trasmissione e a un albero di trasmissione, come in un normale veicolo. Se da un lato questo metodo può semplificare il passaggio all'elettrico, dall'altro potrebbe non sfruttare appieno lo spazio e il risparmio energetico di un gruppo propulsore elettrico.
L'e-axle, invece, è una soluzione più completa. In questo caso, il motore elettrico, l'elettronica di potenza e, talvolta, anche la scatola del cambio sono tutti collocati direttamente sull'asse. Questa configurazione elimina la necessità di un lungo albero di trasmissione, riducendo il peso, rendendo il sistema di trazione più corto e migliorando il funzionamento dell'intero sistema. Lo spazio risparmiato può essere utilizzato per una maggiore capacità della batteria, che potrebbe aumentare l'autonomia di guida. Si stanno diffondendo anche le configurazioni a doppio motore, che offrono una migliore erogazione di potenza e migliori prestazioni per i carichi pesanti. La scelta tra queste configurazioni significa bilanciare i costi di sviluppo, il grado di difficoltà di costruzione e il livello di prestazioni ed efficienza desiderato per un veicolo specifico.
È una domanda che ricevo spesso e la risposta è decisamente affermativa. In effetti, un motore elettrico può spesso fare meglio di un motore diesel quando si tratta di erogare la coppia. La differenza fondamentale sta nel modo in cui creano la coppia. Un motore diesel deve raggiungere una certa velocità (RPM) per produrre la coppia massima. Un motore elettrico, invece, eroga la sua coppia massima immediatamente, a partire da un arresto completo. Questa coppia elevata istantanea è un enorme vantaggio per gli impieghi gravosi. Immaginate un semirimorchio a pieno carico su una collina ripida; la grande capacità di partire e controllare applicando la massima forza di rotazione alle ruote da fermo è sorprendente.
Per dare un'idea dei numeri, alcuni moderni semirimorchi elettrici hanno valori di coppia molto elevati che eguagliano o addirittura superano le loro versioni diesel. Ad esempio, le configurazioni a doppio motore possono fornire una coppia di picco di decine di migliaia di libbre-piedi. Questa coppia elevata consente ai camion elettrici di accelerare rapidamente anche quando trasportano un carico completo. La sfida per gli ingegneri non è solo ottenere una coppia elevata, ma anche controllarla bene per garantire che i pneumatici e le altre parti durino a lungo. La progettazione del controller e dell'intero sistema di gestione della catena cinematica è fondamentale per controllare questa enorme quantità di potenza in modo fluido e corretto.
La frenata rigenerativa è uno dei maggiori vantaggi di un propulsore elettrico, soprattutto per un veicolo pesante. In un normale camion, quando il conducente preme il freno, l'energia in movimento del veicolo viene trasformata in calore dai freni e va sostanzialmente persa. La frenata rigenerativa, invece, permette al motore elettrico di funzionare al contrario, come un generatore. Questo processo rallenta il veicolo e allo stesso tempo trasforma l'energia in movimento in energia elettrica, che viene poi conservata nella batteria. Questo recupero di energia può aumentare notevolmente la distanza percorribile da un camion elettrico. Secondo alcuni studi, potrebbe aggiungere circa 20% di autonomia in più per un veicolo da 40 tonnellate che effettua consegne regionali.
Il miglioramento della frenata rigenerativa nei veicoli pesanti richiede una combinazione intelligente tra il motore elettrico, il controller e il normale sistema frenante a frizione. Il sistema deve combinare senza problemi i due tipi di frenata per offrire al conducente una frenata costante e affidabile. I sistemi di frenata elettronici avanzati controllano elementi come la velocità del veicolo e l'angolo di sterzata per ripartire in modo intelligente la forza frenante tra il sistema rigenerativo e quello meccanico. L'obiettivo è recuperare la massima energia senza mettere a rischio la sicurezza o la guida del veicolo. Inoltre, il conducente può spesso regolare l'intensità del freno rigenerativo, in modo da adattare la frenata alla situazione di guida specifica e alle proprie esigenze. Un buon utilizzo della frenata rigenerativa non solo consente di risparmiare energia, ma riduce anche l'usura dei normali componenti dei freni, con conseguenti minori costi di riparazione nel corso della vita del veicolo.
È molto importante avere una buona gestione termica nella progettazione di un motore elettrico per veicoli pesanti. Questi motori sono sottoposti a forti pressioni e lavorano per lunghe ore con carichi pesanti, generando molto calore. Se questo calore non viene eliminato correttamente, può causare molti problemi, tra cui una minore efficienza, l'invecchiamento troppo rapido dei componenti e persino il guasto del motore. Per garantire la durata e l'affidabilità del gruppo propulsore elettrico, è necessario un solido sistema di raffreddamento. Il problema principale è progettare un sistema di raffreddamento che funzioni bene e sia di dimensioni ridotte, senza aggiungere troppo peso o difficoltà al veicolo.
Esistono due modi principali per raffreddare i motori elettrici: il raffreddamento ad aria e il raffreddamento a liquido. Il raffreddamento ad aria è più semplice ed economico, ma potrebbe non essere sufficiente per le esigenze di alta potenza di un camion pesante. Il raffreddamento a liquido, che muove un liquido refrigerante attraverso i percorsi della cassa del motore, è di solito migliore per rimuovere il calore. Molti moderni motori elettrici per autocarri utilizzano sistemi avanzati di raffreddamento a liquido, che talvolta spruzzano persino olio sulle parti più calde per mantenerle alla temperatura ottimale. Il sistema di gestione termica spesso va oltre il solo motore, collegandosi ai sistemi di raffreddamento della batteria e dell'elettronica di potenza per creare una soluzione di raffreddamento completa per l'intero veicolo. Questo approccio connesso consente una gestione intelligente del calore, in cui il calore residuo di una parte può essere utilizzato per riscaldarne un'altra, migliorando il funzionamento dell'intero sistema.
La necessità di una trasmissione in un moderno camion elettrico è un argomento che viene ancora discusso e migliorato. A differenza di un motore diesel, che ha un intervallo ristretto in cui funziona meglio, un motore elettrico funziona bene a molte velocità diverse. Questo ha portato alcune aziende a scegliere un cambio a una sola velocità, che può rendere la catena cinematica più semplice e con meno parti meccaniche. Un design a una sola velocità può funzionare bene per molti usi, soprattutto per la guida in città con molte soste e ripartenze.
Tuttavia, per gli autocarri pesanti che lavorano in molte condizioni diverse, dalla svolta a bassa velocità alla guida in autostrada ad alta velocità, una trasmissione a più velocità può offrire grandi vantaggi. Un cambio a due o più velocità può aiutare a far funzionare il motore elettrico nella sua gamma più efficiente. Ciò può ridurre il consumo energetico complessivo e aumentare l'autonomia di guida. Può anche migliorare le prestazioni, fornendo più coppia per le partenze in salita e una migliore efficienza a velocità di crociera. La decisione di aggiungere un cambio a più velocità si basa su un'attenta pianificazione per ottenere le migliori prestazioni dall'intero gruppo propulsore per il lavoro specifico, bilanciando gli aspetti positivi di una maggiore efficienza e prestazioni con le difficoltà e i costi aggiuntivi di un cambio più complesso.
L'assale, una parte fondamentale di qualsiasi veicolo, sta cambiando in grande stile con i nuovi propulsori elettrici. In un camion normale, l'assale è una semplice parte che si limita a inviare la potenza dall'albero di trasmissione alle ruote. In un camion elettrico, invece, l'assale sta diventando una parte attiva e intelligente del sistema di trazione. Il cambiamento più importante è rappresentato dall'assale elettrico che, come ho detto, riunisce il motore elettrico, l'elettronica di potenza e la trasmissione nell'unità dell'assale. Questa configurazione all-in-one ha molti vantaggi, tra cui un peso minore, una migliore efficienza e un design più piccolo che consente di liberare spazio utile sul telaio del veicolo.
L'e-axle può essere configurato in molti modi. Ad esempio, è possibile utilizzare più assi elettrici insieme per ottenere una trazione integrale e una migliore aderenza. Questo è particolarmente utile per gli autocarri pesanti che lavorano in condizioni difficili. Inoltre, il controllo elettronico dell'e-axle consente funzioni avanzate come il torque vectoring, in cui la potenza inviata a ciascuna ruota può essere controllata separatamente per migliorare la stabilità e la maneggevolezza. Stiamo anche assistendo a nuovi sistemi di trasmissione in cui ogni lato dell'assale ha la propria unità di potenza, consentendo un controllo ancora più preciso e la capacità di recuperare 100% dell'energia durante la frenata rigenerativa. Questo nuovo modo di concepire l'assale rende possibile la prossima generazione di veicoli pesanti ad alte prestazioni, efficienti ed ecologici.
Sebbene il costo iniziale di un camion elettrico possa essere superiore a quello di un analogo camion diesel, il costo totale nel tempo è spesso molto migliore. Questo è un punto molto importante che sottolineo sempre quando parlo di veicoli commerciali elettrici. Diversi elementi contribuiscono a rendere il motore elettrico e l'intera catena cinematica elettrica un buon valore. Il più importante è il costo inferiore dell'elettricità rispetto al gasolio per ogni chilometro percorso. Questo può portare a grandi risparmi sul carburante nel corso della vita del veicolo.
Inoltre, un gruppo propulsore elettrico ha molte meno parti in movimento rispetto a un motore diesel e ai relativi sistemi. Ciò significa costi di riparazione molto più bassi. Non ci sono cambi d'olio, non ci sono sistemi di scarico complessi e l'usura di parti come l'impianto frenante è minore, grazie alla frenata rigenerativa. Con il miglioramento della tecnologia delle batterie e dei motori elettrici e con l'aumento della produzione, si prevede che il costo iniziale dei carrelli elettrici diminuisca, rendendoli una scelta finanziaria ancora più vantaggiosa. I premi governativi e le agevolazioni fiscali per l'acquisto di veicoli elettrici e di stazioni di ricarica possono contribuire a coprire il costo iniziale. Se si considerano tutti questi punti, è chiaro che per molti usi commerciali un veicolo elettrico alimentato da un motore elettrico conveniente può essere una buona decisione economica a lungo termine.
Per qualsiasi veicolo commerciale, la durata e l'affidabilità sono elementi imprescindibili. Quando un camion non funziona, non fa soldi, quindi questi mezzi pesanti sono costruiti per durare milioni di chilometri di duro lavoro. Quando si progettano sistemi per veicoli elettrici pesanti, è molto importante assicurarsi che siano robusti. A cominciare dal motore elettrico stesso. I motori per i veicoli pesanti devono essere progettati per una lunga durata, in grado di gestire le esigenze di coppia elevata e le continue scosse della guida nel mondo reale. Per garantire una lunga durata del motore è necessario utilizzare materiali di alta qualità e sottoporlo a test rigorosi.
Oltre al motore, ogni componente del gruppo propulsore elettrico, dal pacco batterie al controller e all'asse elettrico, deve essere costruito per essere resistente. Ciò include la progettazione di parti in grado di resistere a temperature estreme, umidità e polvere. Il sistema di gestione della batteria ha un compito fondamentale nel proteggere il pacco batteria, la parte più costosa dell'EV, impedendo il sovraccarico, il sovra-svuotamento e il surriscaldamento. Anche il modo in cui i diversi sistemi lavorano insieme è fondamentale per l'affidabilità. Un sistema di gestione ben progettato fa sì che tutte le parti lavorino insieme senza intoppi, il che può contribuire a evitare che le parti si rompano troppo presto. Con il miglioramento della tecnologia, stiamo assistendo a una maggiore attenzione nella progettazione di sistemi per veicoli elettrici pesanti con la stessa resistenza e durata che l'industria si aspetta dai propri camion diesel.
Se il motore elettrico è il cuore del camion elettrico, il controller è il cervello. Questa unità elettronica avanzata controlla il modo in cui l'energia si muove attraverso l'intera catena cinematica. Prende i segnali del conducente, come la pressione del pedale dell'acceleratore, e li trasforma in istruzioni precise per il motore elettrico. Il controller decide la quantità di coppia che il motore deve erogare, il modo in cui deve essere erogata e quando utilizzare la frenata rigenerativa. È la chiave per ottenere il miglior equilibrio tra prestazioni, efficienza e facilità di guida.
Il controller non si limita a gestire il motore. Parla anche con il sistema di gestione della batteria per controllarne il livello di carica e lo stato di salute. Ha un ruolo chiave nella gestione termica, assicurandosi che sia il motore che la batteria rimangano nei loro intervalli di temperatura ottimali. Inoltre, nei veicoli con più di un motore o con un asse elettrico, il controller è incaricato di inviare la coppia tra le ruote per migliorare l'aderenza e la stabilità. Il software che gira sul controller viene sempre migliorato per aumentare l'efficienza e aggiungere nuove funzioni. In breve, il controller è ciò che permette al gruppo propulsore di fare tutto ciò che può, rendendolo una parte molto importante nella progettazione di qualsiasi veicolo elettrico moderno.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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