Progetto di un riduttore iper-veloce per veicoli elettrici

Da alcuni anni è già visibile un chiaro trend nella progettazione e nello sviluppo delle trasmissioni per i veicoli elettrici (che operano ad alte velocità) avente l’obiettivo di cercare di massimizzare la densità di potenza e in parallelo ridurre i costi, aumentando l’efficienza dei sistemi [Sed 17]. All’interno delo progetto “Speed2E”, si realizzato e testato un prototipo capace di operare fino a velocità di 30.000 rpm. In particolare, si è studiato il comportamento del suddetto sistema in termini di comportamento NVH, al fine di dimostrare i vantaggi nell’aumento delle velocità operative [Gwi16B, Gwi17]. In un successivo progetto, denominato “Speed4E”, è stata ulteriormente sviluppata l’idea di aumentare la densità di potenza attraverso un incremento delle velocità. Si sono studiati gli effetti su dinamica, efficienza e costi all’aumentare della velocità, spingendosi fino a 50.000 rpm. Inoltre, si è anche sviluppato un sistema integrato mirato all’ottimizzazione dell’efficienza. Lo scopo di questo articolo è quello di presentare il concept sviluppato e dare un’idea di quelli che saranno risultati finali del lavoro.

I riduttori veloci (High-REV) stanno assumendo un’importanza sempre maggiore. Soprattutto i limiti legati all’autonomia delle batterie e, quindi, i range operativi, hanno spinto gli sviluppatori di veicoli elettrici a concentrarsi sempre più sull’efficienza complessiva del veicolo. Dato che le velocità di ingresso dei riduttori sono sempre maggiori, anche le potenze da trasmettere risultano aumentate [Gwi16a]. Da una parte questa è una conseguenza negativa dettata della riduzione del diametro del motore elettrico. Dall’altra però, anche i componenti meccanici come alberi e ruote dentate possono venire ridimensionati. Infatti, a potenza costante, la coppia si riduce all’aumentare della velocità di rotazione.

Le sfide aperte legate all’aumento della velocità del motore nei veicoli elettrici sopra livelli caratteristici sono ancora molte. Non è chiaro come all’aumentare della velocità del motore elettrico si abbiano benefici sul piano dei costi, efficienza e confort. Lo scopo di questo progetto è, tra le altre cose, proprio l’individuazione di un punto di ottimo. La Figura 1 riporta un’indicazione di quelli che sono stati gli aumenti di velocità all’interno del progetto. Durante la prima fase, “Speed2E“, è stato possibile ottenere una riduzione della massa del 34% e una velocità massima d 30.000 rpm. Si consideri che un design standard arriva a circa 10.000 rpm [Sch18].

Obiettivi di “Speed4E”

Speed4E” è un follow-up del progetto “Speed2E” avente lo scopo di trovare gli effetti positivi che si hanno aumentando la velocità del motore. Per questo progetto sì sono sviluppati appositamenti sia il motore elettrico, che l’elettronica ed il riduttore [Sta14]. Uno schizzo dei componenti e del loro montaggio è mostrato in Figura 2. In “Speed4E” si è cercato di sviluppare una trasmissione altamente integrata e modulare. Il progetto, con questa seconda fase, ha visto una notevole crescita in complessità che ha portato alla riprogettazione di molti componenti rispetto a “Speed2E“. L’innovazione di “Speed4E” può essere suddivisa in 3 livelli.

A livello di sottosistema e componenti i miglioramenti in termini di densità di potenza sono stati ottenuti aumentando la velocità del drive. Inoltre, la trasmissione risulta ora suddivisa in 2 rami: uno a rapporto costante e uno dotato di 2 rapporti. In questo modo è possibile ottenere 3 marce ed ottimizzare le strategie di cambiata per massimizzare l’efficienza. Tuttavia, è comunque possibile splittare i flussi nei due rami anche in modo manuale. Infine, un motore elettrico può supportare l’altro fornendo un boost prestazionale durante le accelerazioni oppure può essere totalmente disconnesso. Anche un’elettronica di nuova generazione basata su componenti in SiC è stata appositamente sviluppata per fittare al meglio gli spazi. Ne è così risultato un sistema altamente integrato che ha permesso di limitare le perdite elettriche nelle connessioni. Infine, sono stati progettati sia un motore ad induzione (IM) che uno a magneti permanenti (PSM) per essere provati all’interno della trasmissione in modo da capire i pro e i contro delle 2 tecnologie.

A livello di sistema si è sviluppato un piano di gestione dei flussi termici che ha tenuto in considerazione sia i componenti elettrici che quelli meccanici. Il calore generato dai componenti elettrici, ad esempio, viene utilizzato per preriscaldare il lubrificante del riduttore in modo da aumentarne sensibilmente l’efficienza. Per questo è stato sviluppato un apposito fluido che può agire sia da lubrificante che da vettore termico. Presenta ottime capacità di conducibilità termica combinate a bassa viscosità anche a temperatura ambiente. Inoltre, una volta che tutte le parti sono state definite, si sono condotte numerose simulazioni per prevedere il comportamento del drivetrain ed al contempo verificare tutti i componenti prima di produrre il prototipo fisico. Specialmente le simulazioni CFD e quelle dinamiche hanno mostrato possibilità di ulteriori aumenti di efficienza e possibili miglioramenti del comportamento NVH. La distribuzione del lubrificante nel riduttore planetario ad altissima velocità è di estrema importanza per garantire un’appropriata lubrificazione dei pianeti [Liu18]. L’intero drivetrain è stato integrato in un veicolo elettrico e testato anche su strada. A livello di veicolo avere strategie ottimali di cambiata, controllate dall’elettronica, risultano fondamentali per massimizzare i range operativi. Non solo: per raggiungere la massima leggerezza, è stata progettata ed integrata un’architettura doppia anche a livello di motore. Per rispondere agli standard dei veicoli elettrici di serie, sono risultate fondamentali la scalabilità del progetto, la modularità e la risposta alla guida. Con il lavoro svolto per “Speed4E” e stato possibile soddisfare 4 classi di performance.

 

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