In un’auto a motore termico, quest’ultimo non si limita a fornire la forza di trazione, ma alimenta anche tutta una serie di dispositivi (dal condizionatore al servosterzo). In un’auto a trazione elettrica, questi dispositivi “ausiliari” vanno alimentati dall’unica fonte disponibile: la batteria del motore di trazione. Ecco quindi che sorge l’esigenza di gestire, in modo efficiente, l’alimentazione di tutta una serie di motori ausiliari, pompe, compressori e via discorrendo.
A questo problema Keb Automation ha risposto con il Combivert T6, un sofisticato inverter modulare capace di controllare indipendentemente fino a 6 motori elettrici, e dotato di un controllore digitale che consente svariate funzioni – dalla raccolta e trasmissione dei dati di diagnostica, alla memorizzazione di applicazioni dedicate di gestione per ciascuno dei dispositivi connessi. Già impiegato su diverse tipologie di veicoli, fra le quali autobus, camion per “last mile”, addirittura macchine agricole, il T6 non sol consente di rendere più efficiente la gestione del veicolo, aumentandone l’autonomia, ma consente ai produttori di ottimizzare la progettazione in modo da conseguire vantaggi ancora maggiori, anche in termini di dimensionamento dei componenti, riduzione dei costi, alleggerimento del veicolo e miglioramento dell’affidabilità.
Non bastano un motore di trazione elettrico e una batteria
Produrre un veicolo elettrico? E cosa ci vuole, prendiamo un modello tradizionale, togliamo il motore a combustione e ne mettiamo uno elettrico, aggiungiamo una robusta batteria, un po’ di schermi Led e luci per dare un tocco di modernità e voilà, il gioco è fatto! Beh… no. Proprio non ci siamo. Le problematiche da affrontare per realizzare un veicolo elettrico sono parecchie, e se al posto di un’automobile vogliamo costruire un camion per la raccolta dei rifiuti, o un mezzo da cantiere, i problemi aumentano ulteriormente. Già, perché una cosa sulla quale raramente riflettiamo è che un motore a combustione interna non fornisce a un veicolo solo la spinta propulsiva, ma genera anche forza motrice per tutta una serie di servizi ausiliari di bordo. Come il compressore dell’aria condizionata, mosso dall’albero motore tramite una cinghia, o come le luci e l’impianto di car entertainment, alimentati dalla batteria che viene ricaricata costantemente dall’alternatore, a sua volta mosso… dal solito motore a pistoni. E non dimentichiamo servosterzo, servofreno, pompa del carburante, impianto di riscaldamento. Nei camion, possiamo aggiungere l’aria compressa per il sistema frenante, e magari dei circuiti idraulici per azionare meccanismi (gru ausiliarie, cassoni ribaltabili, pale spazzaneve…).
Insomma, il motore “tradizionale” assolve una miriade di funzioni, che in un veicolo elettrico devono essere espletate usando la carica della batteria. La necessità di sostituire la sorgente primaria di energia, quindi, provoca due problemi pratici: primo, molti componenti ottimizzati da decenni di esperienza dell’industria automobilistica vanno sostituiti con nuovi componenti in versione full-electric, con ovvi aggravi di costi (sia di progetto che di costruzione), almeno fino a quando non si saranno raggiunti volumi tali da innescare le economie di scala. Secondo, tutti questi componenti consumano energia, che viene sottratta alla trazione, riducendo la potenza istantanea disponibile e, soprattutto, abbassando l’autonomia dell’auto, che oggi è uno dei maggiori talloni d’Achille per i veicoli elettrici.
Rendere efficiente la mobilità
Ma cosa si può fare, in concreto, per aumentare l’efficienza della mobilità, anche considerando che l’energia elettrica viene prodotta prevalentemente da fonti fossili e che i suoi costi stanno salendo rapidamente? Secondo Francesco Meroni, head of e-mobility & electrification solutions di Keb Automation Italia (blog.keb.it) «si può cominciare a fare qualcosa dal lato dell’utilizzo dell’energia, passando da un motore a combustione interna a un motore elettrico, che è almeno tre volte più efficiente di un motore a combustione interna». E per quanto riguarda i servizi ausiliari? «Il motore elettrico è dedicato principalmente alla trazione, ma ci sono tante altre funzionalità che normalmente sono alimentate dall’energia prodotta dal motore a combustione interna, mentre sui veicoli elettrici sono realizzate usando altri motori più piccoli, detti motori ausiliari. Per esempio, il compressore per l’aria condizionata. Lo stesso discorso vale per il servosterzo, per il compressore dell’impianto frenante e delle sospensioni. Tutti questi motori/servizi ausiliari normalmente collegati al motore termico mediante trasmissioni meccaniche, su un veicolo elettrico o ibrido sono invece gestiti da singoli motori, dimensionati per lo scopo da raggiungere, indipendenti dalla trazione (quindi possono essere avviati o arrestati in ogni momento) e soprattutto più efficienti di una trasmissione meccanica. In breve, quello che possiamo fare oggi è cercare di rendere i veicoli più efficienti passando da un motore a combustione interna a un motore elettrico coadiuvato da una serie di motori ausiliari, non dimenticandoci che essi possono arrivare a un consumo del 30/35% del totale – soprattutto d’estate, quando usiamo il condizionatore».
Insomma, sostituendo un veicolo tradizionale con uno elettrico si genera già maggiore efficienza, ma sarebbe desiderabile rendere un veicolo elettrico è un sostituto efficiente di un veicolo a combustione interna, ma per arrivare all’optimum bisognerebbe migliorare ulteriormente l’efficienza di tutti i motori che muovono i servizi ausiliari.
Una soluzione concreta: l’inverter Combivert T6
Insomma, l’elettrico è più efficiente del diesel, ma non basta ancora. Per ottimizzare l’efficienza energetica, e anche per semplificare la progettazione e costruzione di veicoli elettrici, Keb ha presentato un apparecchio che si chiama Combivert T6. Che, in sintesi, è un inverter. «Un inverter è un componente elettronico di potenza che consente di generare tensioni alternate a frequenze e tensioni variabili, cosa che consente di gestire la velocità e la coppia di un motore elettrico – spiega Meroni – Il Combivert però è qualcosa di più di un inverter, è un vero e proprio sistema di inverter. Infatti può gestire fino a 6 differenti motori, con 6 differenti velocità e 6 differenti coppie. Inoltre, incorpora un’unità di controllo, che dialoga costantemente con le schede che gestiscono i vari motori e sulla quale possono essere implementate delle logiche di funzionamento».
L’unità di controllo di fatto è un Plc, programmabile usando l’ambiente di programmazione di Keb. Esso deriva da Codesys, e implementa lo standard Iec 61131-3, che definisce una famiglia di linguaggi di programmazione destinati all’automazione industriale ma anche all’automazione “mobile”. La presenza del Plc, accoppiato a due connessioni Canbus, consente fra l’altro al T6 di raccogliere una elevata quantità di dati sul funzionamento dei sistemi collegati, e di trasmettere queste informazioni al computer del veicolo, per esempio per utilizzi di diagnostica. Tanto che nel dispositivo è implementato lo standard Uds (Unified Diagnostic Services) secondo le specifiche Iso 14229-1. Non solo, è possibile caricare sul controllore del T6 vere e proprie applicazioni dedicate, per esempio realizzate dai produttori dei motori collegati al T6.
Come nasce il Combivert T6
In Keb, i primi esperimenti in tema di inverter per uso veicolari avevano portato a produrre il Combivert T5, una sorta di prototipo ottenuto “disassemblando” un controller industriale Keb della generazione F5 e “riassemblandolo” in uno chassis che lo rendesse adatto all’uso su un veicolo. Il T5 è servito soprattutto per “trasferire” il know-how sviluppato in 50 anni di esperienza sui motori industriali all’interno di un prodotto pensato per un veicolo. Il T6, pur derivando a sua volta da un controller industriale classe F6, ha avuto uno sviluppo diverso. «Il T6 è nato soprattutto sulla spinta di un nostro cliente, un produttore di autobus belga che voleva progettare un mezzo alimentato a celle a combustibile [componenti che producono elettricità partendo dall’idrogeno, NdR] e aveva il problema di gestire i motori ausiliari. Che erano molti, perché su autobus di quelle dimensioni ci sono una o più pompe per il servosterzo, c’è un compressore per l’aria, ci sono uno o più impianti di condizionamento. Quindi è nata l’idea di realizzare un sistema modulare che, attraverso un unico punto di alimentazione, collegato alle stesse batterie usate per la trazione, potesse gestire i vari motori. Il primo sistema venne realizzato usando un prodotto di derivazione industriale, l’H6, che veniva alimentato con corrente continua a 600/650 V ed era dotato di vari moduli, ciascuno dei quali forniva corrente alternata a un motore». Il fatto è che gli inverter disponibili non avevano le caratteristiche di robustezza e durata necessarie per l’utilizzo veicolare. Così si decise di progettare un sistema di inverter pensato fin dall’inizio per l’uso e-mobility. Per fare questo, Keb poté sfruttare
il know-how accumulato in un precedente progetto di ricerca, condotto nel 2014 insieme a inIT, ife, University of Ostwestfalen-Lippe e FraunHofer Iem. Era il progetto ImWR (sistema modulare di drive per unità ausiliarie) che aveva proprio l’obiettivo di progettare un sistema modulare di inverter ad alta tensione per l’elettrificazione di unità ausiliarie in macchine mobili e veicoli. Questo sistema doveva essere in grado di pilotare fino a 6 motori, ed essere dotato di un’unità di controllo. Inoltre, doveva soddisfare requisiti stringenti in tema di proprietà meccaniche e termiche, condizioni ambientali, compatibilità elettromagnetica, sicurezza e durata. Il progetto di ricerca, inoltre, puntava a studiare l’interazione del sistema di inverter con gli altri componenti elettronici del veicolo, in modo da progettare un componente che non influenzasse negativamente il bus della corrente continua ad alta tensione del veicolo. Il T6 è, in un certo senso, la realizzazione compiuta di quel progetto. «Con il T6 abbiamo ottenuto un prodotto certificato per applicazioni automotive, che soddisfa i requisiti dal punto di vista meccanico, termico, prestazionale e anche da quello della compatibilità elettromagnetica» conclude Meroni.
I vantaggi per i produttori automotive
Oggi un veicolo elettrico fa funzionare i servizi ausiliari sfruttando una serie di componenti, tra i quali motori e pompe elettriche, ciascuna pilotata da un proprio sistema di controllo, con ovvi aggravi di complessità (e di costi) sia in fase di progettazione, sia nella manutenzione del veicolo. L’adozione di un sistema come il Combivert T6 quali vantaggi potrebbe portare ai produttori di veicoli? «Il sistema è nato all’insegna della modularità – osserva Meroni – consentendo di gestire più motori con un unico punto di alimentazione, un unico punto di connessione con il sistema di raffreddamento (il T6 per essere di dimensioni compatte è raffreddato a liquido), un unico connettore per la comunicazione con il controllore del veicolo tramite la rete Canbus. Abbiamo calcolato che già con soli tre motori da gestire, si risparmia il 60% delle connessioni rispetto a un sistema realizzato con tre inverter singoli, dove per ciascuno devo portare alimentazione Dc bus, raffreddamento, comunicazione, bassa tensione per le schede di controllo eccetera. Quindi sicuramente c’è una riduzione dei connettori e una semplificazione del cablaggio, anche grazie al fatto che lo si può mettere dappertutto, e si riducono i pesi del sistema complessivo. Non dimentichiamo che il nostro inverter è alimentato ad alta tensione, quindi rispetto ai sistemi a bassa tensione consente di usare cavi di sezione inferiore. E il rame pesa. E costa». I vantaggi sono dunque in termini di riduzione dei costi, semplificazione delle connessioni, calo del peso e in generale vanno nella direzione di ottenere maggiore efficienza.
E un altro aspetto che va nella direzione della massima efficienza è l’algoritmo di controllo usato per i motori. «Il T6 deriva dai nostri driver industriali, e negli ultimi 15anni noi abbiamo sviluppato una tecnica di controllo “sensorless”, che consente di ottenere le prestazioni di un controllo ad anello chiuso, quelli con un sensore di velocità montato sul motore, ma senza l’utilizzo del sensore. Questo si ottiene usando all’interno del controllore un modello matematico parametrizzato su ogni singolo motore, che monitora costantemente le correnti erogate sulle tre fasi permettendo di ricostruire la posizione del rotore e di sfruttare questo valore di posizione calcolato come valore di retroazione per l’algoritmo di controllo. Questo nostro sistema non solo offre prestazioni migliori, ma soprattutto è anche molto più efficiente, per esempio perché ci consente di erogare corrente solo quando serve, per vincere una coppia resistente sull’albero motore (power on demand). La maggiore efficienza in questo caso è a vantaggio sì del produttore, visto che il motore si surriscalderà meno e presumibilmente durerà più a lungo, ma anche del cliente finale, visto che il veicolo godrà di maggiore autonomia. Tra parentesi, se con i carichi ausiliari alimentati dai motori a scoppio non si badava troppo, in sede di progetto, a renderli efficienti – visto che l’energia fornita dal motore era comunque sovrabbondante – passando alla trazione elettrica ci si è resi conto di quanto questi sistemi ausiliari siano spesso sovradimensionati rispetto alle reali esigenze, e anche per questo assetati di risorse. In alcuni casi, arrivano anche al 30/40% del carico complessivo. Di qui l’esigenza di ottimizzarne gestione e consumi, se necessario, anche con una riprogettazione profonda del sistema. Per esempio, nella trazione termica la pompa del servosterzo è dimensionata per funzionare già al minimo regime di rotazione di un motore diesel (700/800 giri), ma azionandola da un motore elettrico è possibile farla girare anche a 2 o 3000 giri, e quindi è possibile montare una pompa più piccola, più leggera, e più efficiente.
Approcci diversi alla progettazione del veicolo
Il progettista che si accinga a creare un veicolo elettrico con a bordo un Combivert T6 ha di fatto la scelta fra due approcci estremi, e una discreta gamma di possibilità intermedie. Il primo approccio estremo è di inserire il T6 al posto dei precedenti inverter separati, lasciando invariata la componentistica. Già così si realizza un efficientamento del veicolo rispetto alla configurazione a componenti discreti, ovvero senza T6. L’altro approccio estremo è di riprogettare completamente i servizi ausiliari, motori, pompe, connessioni eccetera, sfruttando la presenza del T6 come unità di controllo. In questo caso il progetto finale otterrà la massima efficienza possibile. Fra questi estremi c’è la possibilità di mantenere parte dei sistemi e modificarne altri, raggiungendo un compromesso fra tempi di progettazione, costi ed efficienza complessiva. Ovviamente, l’approccio che implica una riprogettazione completa offre i risultati migliori, ma spesso per le aziende dell’automotive questo può essere un passo troppo lungo: per molti versi, il settore è abbastanza conservativo sulle soluzioni tecnologiche adottate, tanto più se esse hanno a che fare con un campo, quello dei sistemi elettrici, nei quali l’industria automobilistica ha ben poco know-how, rispetto a quello di cui dispongono in tema di meccanica. «Aiutare i produttori a capire i vantaggi e ad adottare soluzioni efficienti è una cosa che stanno facendo i nostri partner system integrator – puntualizza Meroni – È un passaggio culturale che i produttori devono fare».
Una soluzione già operativa
Il Combivert T6 è già stato installato su varie tipologie di veicoli di diversi costruttori. Abbiamo citato prima il caso della belga VanHool, produttore di autobus che sta elettrificando il suo portfolio prodotti ed ha annunciato in giugno i veicoli della Serie A, 100% a emissioni zero, con alimentazione combinata a fuel cell, batterie e trolley. «Da tempo è nostro cliente anche la francese BlueBus, specializzata nei bus elettrici da 6 a 12 metri – aggiunge Meroni – alla quale forniamo tutto il sistema degli ausiliari. Quindi drive, motori, compressori, pompe per servosterzo. Poi ci sono alcune startup sempre del segmento produzione autobus elettrici, una in Inghilterra, Arrival, uno in Lituania. Forniamo anche dei produttori di camion, sia in Inghilterra sia in Germania, che costruiscono camion di medie dimensioni pensati per la logistica all’interno delle città. Un altro cliente è Faun, società del gruppo Zoeller, che recentemente ha creato uno “spin-off” chiamato Enginius per la produzione di veicoli elettrici per la raccolta dei rifiuti e per la pulizia delle strade. Enginius ha realizzato un telaio basato su chassis Mercedes, con alimentazione a celle a combustibile e batterie, e su ognuna di queste macchine monta 2 Combivert T6: uno per la gestione del veicolo, servosterzo, compressore eccetera, e uno per pilotare le attrezzature specifiche di queste macchine municipali, come il compattatore dei rifiuti o la pompa per la pulizia delle strade».
Segnaliamo infine un utilizzo molto particolare, ovvero l’elettrificazione di una macchina agricola prodotta dalla Caffini, nel quadro di un progetto di Agricoltura 4.0 patrocinato dalla Comunità Europea. Si tratta di un atomizzatore, ovvero un veicolo rimorchiato che spruzza fitofarmaci in modo ottimizzato grazie all’uso di sensori. Ne abbiamo parlato in un video che trovate qui.
L’evoluzione futura
Anche se il T6 è al momento uno dei prodotti più avanzati nel settore della gestione efficiente dei sistemi ausiliari dei veicoli elettrici, i progettisti Keb stanno già lavorando sulle generazioni successive. Anche se il focus dei progetti in fase di sviluppo sarà un po’ diverso, tanto che quando usciranno i nuovi prodotti della linea Combivert essi non andranno a sostituire il T6, ma ad affiancarlo. «Il T6, dopo l’esperimento T5, è il primo prodotto certificato ad arrivare sul mercato, e sta dando delle buone soddisfazioni non solo a noi, ma anche ai clienti che lo usano per realizzare i loro mezzi – conferma Meroni – sulla scia di questi risultati è già partito da tempo il design della prossima generazione T7, con l’obiettivo di farla arrivare sul mercato nel 2025. La nuova generazione conserverà le caratteristiche del T6 in termini di prestazioni, aumentando la corrente massima che oggi è di 60 A nominali (circa 30 kW). Il T7 sarà infatti disponibile con correnti erogabili di 20, 60, 100 e 200 A, in modo da poter gestire i motori ausiliari anche di veicoli molto grandi.
Ma ci saranno anche altre novità. La prima è che il T7 abbandona il concetto di modularità, perché nascerà come drive singolo che potrà affiancare il T6 per tutti quei clienti che forniscono componenti all-in-one. Nel T7 crescerà ulteriormente l’importanza degli aspetti di cybersecurity, tanto che al suo interno ci sarà un processore che si incaricherà di criptare le comunicazioni per renderle indecifrabili a eventuali hacker. A bordo ci sarà un vero e proprio sistema operativo, e sarà conservata la possibilità di avere applicazioni per la “personalizzazione” della gestione del motore ausiliario». In futuro, insomma, il portfolio di inverter automotive di Keb sarà composta dai T6 per l’azionamento di servizi multipli e dai T7 per i fornitori di soluzioni all-in-one; entrambi gli apparecchi saranno disponibili con diverse correnti nominali, fino a un massimo di 200A. Ma come possiamo riassumere le caratteristiche fondamentali del Combivert? «Il nostro è un sistema modulare, ad alta tensione, per la gestione efficiente dei motori ausiliari su veicoli elettrici e ibridi» conclude Meroni. Alta tensione, efficiente, modulare e gestibile: quattro parole chiave che dovrebbero accendere più di una lampadina nella testa dei progettisti.
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