Assali elettrici: sistemi di propulsione modulari per trasmissioni elettrificate

Con l’elettrificazione della catena cinematica, gli assali elettrici stanno cominciando ad avere un ruolo sempre più centrale. Il loro utilizzo si rende necessario sia in applicazioni ibride, sia in veicoli puramente elettrici. Questo fa sì che si trovino a operare in condizioni e sistemi anche molto differenti tra loro, in termini e di prestazioni e di possibili ingombri. Sulla base del differenziale alleggerito di Schaeffler, risulta possibile realizzare trasmissioni con configurazione coassiale o ad assi paralleli. Per le applicazioni elettrificate è stato anche sviluppato un apposito concetto di modulo scalabile. Oltre ai circuiti magnetici, sono state introdotte numerose nuove tecnologie per la realizzazione delle differenti parti dell’elettronica di comando, così da garantire prestazioni superiori per durata, resistenza e robustezza sotto qualsiasi condizione di carico. L’articolo mostra la costruzione e l’integrazione del suddetto modulo elettronico in un assale elettrificato.

Con la realizzazione del veicolo elettrificato Active eDrive nel 2011, Schaeffler ha presentato un concept che ha indirizzato lo sviluppo verso il futuro. Una Skoda Octavia Scout è stata convertita in un veicolo elettrico a quattro ruote motrici equipaggiata, in aggiunta al drive elettrico, con un sistema elettromeccanico intelligente capace di distribuire la coppia.

Un’argomentazione esclusiva di vendita dell’assale elettrificato di Schaeffler era il design coassiale. Il motore elettrico utilizzato era una macchina PSM (un motore sincrono a magneti permanenti) prodotto da IDAM (INA Drives & Mechatronics) progettato con un albero cavo e capace di raggiungere i 14.000 rpm.

La trasmissione è basata sul differenziale planetario Schaeffler. Questo è stato integrato in modo che l’output passasse per il portatreno e la ruota solare. Ciò permette di collegare l’albero di uscita con un ingranaggio sovrapposto il cui input è connesso al servomotore.

Il differenziale, la trasmissione sovrapposta ed il servomotore operano solamente durante le curve mentre rimangono inattivi durante la marcia rettilinea. In questo modo le perdite risultano ridotte al minimo. Durante l’inattività del servomotore, il differenziale agisce in qualche modo come un differenziale standard con elevati valori di coppia di bloccaggio. La potenza nominale del motore è di 7 kW consentendo una coppia differenziale di 1.200 Nm.

Questo veicolo ha rappresentato una pietra miliare per Schaeffler, non solo perché ha aperto la strada allo sviluppo degli assiali tecnologici, ma anche perché ha permesso di studiare altri aspetti come il comportamento acustico e le strategie di controllo.

Mercato, concept innovativi e requisiti

Gli assali elettrici si sono ormai imposti come soluzione standard per veicoli elettrici ed ibridi. Ci sono numerose possibilità per l’integrazione degli assali elettrici in termini funzionali. Nei powertrain elettrici, gli assali elettrificati possono svolgere le seguenti funzioni:
• ottimizzazione dei consumi ed emissioni CO2 grazie alla rigenerazione (recupero energia cinetica);
• trazione elettrica a basse velocità (che salgono fino a 120 km/h nel caso di PHEV);
• trazione integrale elettrica con ripartizione controllata della coppia.

Dato che la potenza elettrica nelle soluzioni ibride è solitamente inferiore a quella proveniente dal motore a combustione interna, la loro combinazione è spesso soggetta a problemi. Sia la rigenerazione che la trazione integrale devono essere possibili in tutto il range operativo (velocità). Inoltre, il veicolo deve offrire la possibilità di operare in modalità puramente elettrica. Questi requisiti fanno nascere problematiche soprattutto nei veicoli pesanti. Una possibile soluzione è data dall’impiego di trasmissioni a doppio stadio. In questo caso, il primo stadio è progettato per una guida in modalità puramente elettrica (fino a un massimo di 120 km/h). Questa soluzione è particolarmente efficace per l’ibridizzazione di veicoli come i SUV che stanno prendendo sempre più piede (Figura 1).

La cambiata nella seconda marcia avviene solamente quanto il motore termico è in funzione. Questo è possibile tramite un semplice sincronizzatore come quelli presenti nelle trasmissioni manuali.

Nelle architetture in cui un secondo motore elettrico è integrato nell’assale mosso dal motore a combustione interna e permette di avere coppia aggiuntiva (DHT, P2), una trasmissione a stadio singolo risulta sufficiente. Nei veicoli puramente elettrici, lo stesso sistema può essere utilizzato come drive secondario o per la trazione integrale. Le potenze caratteristiche sono comprese tra 50 kW e 100 kW. Motori elettrici asincroni (ASM) contribuiscono anche alla minimizzazione delle perdite di potenza. Ovviamente si rendono però necessari un design maggiorato e, solitamente, un sistema per il raffreddamento.

Nei veicoli puramente elettrici la potenza richiesta è solitamente maggiore. A seconda della massa e segmento del veicolo, le potenze si aggirano tra 120 kW e 300 kW. Trasmissioni a singolo stadio possono essere utilizzate solamente fino a 200 km/h. Per velocità maggiori, sono indispensabili trasmissioni a doppio stadio. In questa configurazione, tuttavia, una interruzione della trazione durante la cambiata non è accettabile.

Dato il vasto parco veicoli a cui gli assali elettrici possono essere applicati, ci si aspettano significativi tassi di crescita nella produzione. Dato però che la velocità con cui queste soluzioni prenderanno piede è difficile da predire in quanto influenzata da numerosi parametri come, ad esempio, le legislazioni in termini di consumi ed emissioni, restrizioni a livello locale, sviluppo della tecnologia delle batterie e relativi costi, combustibili alternativi, energie rinnovabili, infrastrutture, ricettività da parte dei clienti, Schaeffler sta lavorando a scenari alternativi.

La Figura 2 mostra l’incremento della diffusione delle soluzioni elettrificate secondo lo scenario tradizionale e quello accelerato.

Oltre alle funzioni tradizionali, in futuro alle soluzioni elettrificate potrebbero venire richieste funzioni aggiuntive. Queste potrebbero includere la capacità di mantenere il veicolo fermo durante le soste sostituendo di fatto il freno di stazionamento, o la capacità di controllare la coppia alle varie ruote. D’altra parte, molta attenzione andrà data al comportamento vibro-acustico, dato che durante la marcia in modalità puramente elettrica, la maggior parte dei rumori non verrà più mascherata dal motore termico. Altri fattori determinanti potranno essere legati ad aspetti funzionali, capacità di smaltimento del calore, consumi ed ovviamente peso e versatilità senza dimenticare i costi.

 

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