In quale intervallo di giri il motore elettrico funziona in modo più efficiente?

Il motore elettrico raggiunge la sua massima efficienza non in un singolo punto, ma in una determinata area del piano coppia-regime; nella maggior parte dei progetti attuali questa area corrisponde ai regimi medio-bassi e all'intervallo di coppia medio. Quindi la risposta breve alla domanda è: il motore funziona in modo più efficiente in quella fascia di carico medio in cui il veicolo si trova nella maggior parte dell'uso quotidiano, senza mai accelerare a fondo o fermarsi del tutto. Il grafico chiamato mappa di efficienza mostra esattamente questa zona.

Come si legge la mappa di efficienza?

La mappa di efficienza è un grafico che mostra l'intero intervallo di funzionamento del motore in un unico riquadro. Sull'asse orizzontale c'è il regime (rpm), su quello verticale la coppia (Nm); sopra viene tracciata come curva di livello la percentuale di conversione della potenza elettrica in potenza meccanica. Queste curve di livello, simili a una mappa del livello dei liquidi, hanno nella parte più interna l'isola di efficienza del motore: più il motore lavora in quell'isola, più energia sottratta alla batteria arriva alle ruote.

Rendiamo la lettura più concreta. In una mappa pubblicata di un motore a magneti permanenti interni (IPM), il motore al di sotto di 4.000 rpm e con coppie inferiori a 250 Nm lavora nella sua zona di massima efficienza. Questo non significa che il motore sia debole; indica solo che il punto di funzionamento in cui l'energia elettrica si converte in energia meccanica con le minori perdite si trova lì. Nella stessa analisi, accanto alla mappa vengono prodotte anche la mappa di corrente e la mappa delle perdite; la mappa delle perdite mostra separatamente le perdite di Joule, le perdite nel ferro, le perdite meccaniche e le perdite aggiuntive. Quando l'ingegnere ottimizza l'isola di efficienza, in realtà comprime queste perdite una per una.

Per comprendere la mappa bisogna conoscere due zone di funzionamento. Fino alla velocità di base il motore lavora nella zona di coppia costante: può erogare la coppia di picco fin da zero, ed è per questo che l'accelerazione di partenza dei veicoli elettrici è così improvvisa. Oltre la velocità di base inizia la zona di potenza costante; entra in gioco il controllo di indebolimento di campo (field weakening) e la coppia diminuisce approssimativamente in proporzione inversa alla velocità. Poiché la potenza è il prodotto di coppia e velocità, la curva di coppia e la curva di potenza sono immagini speculare l'una dell'altra.

Dove si trova l'isola di efficienza in base al tipo di motore?

La mappa di efficienza non è la stessa per ogni motore; la posizione dell'isola varia direttamente con il tipo di motore. I motori a magneti permanenti, eccitando il rotore non per induzione ma con i propri magneti, offrono generalmente una maggiore efficienza e densità di coppia; l'efficienza a pieno carico è superiore a quella dei motori asincroni. Il prezzo da pagare è il costo dei magneti incorporati nel rotore. Il carattere del motore asincrono è esattamente l'opposto: mantiene meglio la sua efficienza ad alto regime e alta coppia, ma è debole a bassa velocità e basso carico; a carico parziale la sua efficienza può scendere in modo significativo.

La differenza tra queste due mappe non è di per sé una preferenza, ma uno spazio di progettazione. L'uso prevalentemente urbano tiene il motore del veicolo per la maggior parte del tempo a basso regime e bassa coppia; esattamente dove si trova l'isola del motore a magneti permanenti. Nei lunghi viaggi ad alta velocità, invece, l'efficienza del motore asincrono non crolla all'aumentare della velocità. Alcuni produttori scelgono proprio per questa complementarità la soluzione di un motore a magneti permanenti come motore principale sull'assale posteriore e un motore asincrono per quello piccolo anteriore: il motore asincrono non offre alcun vantaggio nelle condizioni di basso carico in cui è inefficiente, ma entra in funzione quando necessario.

Urbano o autostrada: in quale zona lavora il motore?

Nel veicolo elettrico la relazione tra efficienza e velocità è diversa da quella del veicolo a benzina. Mentre il motore a combustione interna alle velocità autostradali funziona caldo ed efficiente e in città, con continui arresti e ripartenze, rende male, nell'EV la situazione è inversa. Poiché la resistenza aerodinamica aumenta drasticamente con la velocità, il consumo del veicolo elettrico in autostrada sale, e nella maggior parte dei modelli il dato urbano è superiore a quello autostradale. Anche i test di autonomia nel mondo reale lo confermano: l'autonomia autostradale reale degli EV rimane generalmente indietro rispetto ai valori ufficiali combinati, perché l'autostrada non è il regime più efficiente.

Il motore in sé è il lato migliore del quadro. La cifra fornita dall'EPA mostra che gli EV riescono a utilizzare fino alle ruote circa l'87-91% dell'energia proveniente dall'elettricità; un'integrità impensabile se paragonata al motore a combustione interna. Bisogna distinguere quanta parte di questa efficienza sia merito del motore e quanta dell'elettronica di potenza. L'efficienza del motore varia secondo il regime di funzionamento, la coppia e la strategia di controllo; i limiti hardware definiscono, ma l'uso sul campo lo disegna la strategia di controllo. Il controllo orientato al campo (FOC) è il metodo che scomponde la corrente dello statore in componenti di coppia e di flusso, gestendole in modo indipendente per mantenere il motore all'interno dell'isola di efficienza. Nemmeno l'inverter è l'anello debole della catena: in un progetto della classe di 200 kW è stata misurata un'efficienza del 99,57% al picco e del 98,5% al 5% di carico. Cioè, l'efficienza del veicolo in città è in gran parte il risultato della sovrapposizione della mappa del motore con il regime urbano.

Marcia Unica e Rapporto di Trasmissione: Trasformare la Mappa nella Strada Reale

La stragrande maggioranza dei veicoli elettrici esce di fabbrica con un'unica marcia, perché il motore può generare coppia in un ampio intervallo di regime partendo da zero giri; non esiste una fascia ristretta che richieda il cambio di marcia. Il costo di ciò è il seguente: a causa del rapporto di trasmissione fisso, le richieste variabili di velocità delle ruote e di coppia spingono il motore verso punti diversi della mappa. La scelta del rapporto di trasmissione influisce in modo significativo sulla trasmissione della coppia e sulle condizioni di funzionamento del motore; rapporti diversi modificano sia l'accelerazione sia il consumo energetico. Se si orienta il rapporto in una direzione, si colloca il regime urbano sull'isola di efficienza, ma si spinge il regime autostradale fuori dall'isola; facendo il contrario, il risultato si inverte.

Questa tensione è un dibattito ingegneristico attuale. Nei veicoli per impieghi gravosi il rendimento del motore viene calcolato dalla mappa di efficienza per tutte le combinazioni velocità-coppia, e poiché anche il rendimento del cambio varia in funzione della coppia, della velocità e della trasmissione finale, l'ottimizzazione dell'intera catena non si esaurisce con la sola mappa del motore. Come soluzione al limite della zona di efficienza della marcia unica, si sta studiando l'ottimizzazione delle dimensioni del motore di trazione con trasmissioni a due marce; l'obiettivo è far passare al motore una quota maggiore del tempo sull'isola di efficienza. Nei veicoli pesanti il rapporto di trasmissione influisce contemporaneamente su quattro fattori critici del comportamento del motore: coppia, velocità, efficienza e capacità di carico. In sintesi, il rapporto di trasmissione è l'ultima vite di taratura che mappa la mappa di efficienza sul profilo stradale del mondo reale.

Architettura Bimotore: Usare Insieme Due Mappe

In un veicolo con due motori, ciascun motore ha la propria mappa di efficienza e non è necessario che siano identiche. Nell'architettura con motore posteriore principale e piccolo motore anteriore, il consumo energetico totale varia a seconda di come la coppia è ripartita tra i due assi. Una semplice ripartizione al 50%/50% fa lavorare entrambi i motori nello stesso punto della mappa; gli algoritmi di ripartizione ottimale della coppia, invece, distribuiscono la coppia di trazione e di frenata guardando, in ogni istante, in quale zona di efficienza si trovi ciascun motore. Una distribuzione in cui un motore lavora al centro dell'isola e l'altro al bordo può consumare meno energia rispetto a una distribuzione simmetrica che spinge entrambi i motori verso il bordo.

In questa architettura, dove la ripartizione è gestita elettronicamente attraverso la distribuzione di potenza della batteria, il guadagno non è un obiettivo ingegneristico astratto. Con una strategia di distribuzione della coppia basata sulla mappa di efficienza è stato dimostrato un risparmio energetico fino all'8,94% ; recuperare così tanto da una batteria si traduce direttamente nell'autonomia. La stessa logica vale per la frenata: la quantità di coppia rigenerativa che ciascun motore deve produrre durante l'arresto viene scelta in base a dove si colloca il rendimento nel punto di velocità e coppia di quel momento.

Frenata Rigenerativa: La Metà Negativa della Mappa

La frenata rigenerativa è il meccanismo che fa girare il motore in senso inverso per recuperare alla batteria l'energia cinetica che si perderebbe come calore durante la frenata, ed è il secondo motore invisibile dell'efficienza energetica di un EV. Ma anche quando lavora da generatore, il motore ha una propria mappa di efficienza; quanta parte dell'energia recuperata arrivi davvero alla batteria dipende da in quale zona della mappa si collochi il motore nel momento della frenata. Per questo si realizza una mappatura dedicata alla rigenerazione: si traccia il grafico dell'efficienza di recupero energetico in diverse condizioni di frenata e la strategia di controllo viene graduata di conseguenza.

Il punto delicato è la bassa velocità: nell'istante in cui il veicolo è quasi fermo l'energia da recuperare è poca e far lavorare la rigenerazione in una zona inefficiente perde di senso. Gli studi attuali mostrano che la soglia di bassa velocità per la riduzione delle perdite può essere abbassata fino al 5% a seconda delle condizioni di guida; in altre parole, il sistema può estendere in modo efficiente la rigenerazione fino a velocità più basse. Anche le strategie di controllo rigenerativo multilivello migliorano sensibilmente la risposta dinamica. Nei veicoli con motori indipendenti su ogni ruota, invece, il controllo del risparmio energetico basato sulla mappa distribuisce la coppia frenante ruota per ruota secondo la mappa di efficienza, ottimizzando separatamente le fasi di guida e di frenata. Dal punto di vista dell'utente il risultato è semplice: una rigenerazione ben tarata significa più autonomia nello stesso traffico.

Cosa Dice in Pratica la Mappa di Efficienza?

Dopo aver letto pagine di grafici a curve di livello, il riassunto che resta al conducente è in queste tre frasi. Primo: il fatto che il vostro EV consumi poco in città e a velocità medie non è un caso, ma la conseguenza del posizionamento dell'isola di efficienza del motore in quella zona; l'aumento dei consumi in autostrada è una factura dell'aerodinamica, non del motore. Secondo: il cruise control, sui lunghi tragitti, mantiene fluida la richiesta di coppia del veicolo e protegge il motore dall'essere spinto fuori dalla mappa da improvvise richieste di coppia elevata; una domanda fluida significa restare sull'isola. Terzo: nei veicoli bimotore il sistema, senza che ve ne accorgiate, confronta continuamente le due mappe e cerca di assegnare il lavoro, di volta in volta, al motore più efficiente; nella rigenerazione lo stesso confronto amplifica l'energia recuperata.

La mappa di efficienza non è costretta a restare un dossier di ingegneria nascosto all'utente finale. Sapere in quale banda di velocità e coppia il vostro veicolo è a suo agio vi permette di fondare le vostre abitudini di guida su una base misurabile: una guida che tiene il motore dentro la sua isola riduce sia i consumi sia il carico termico. Visto con gli occhi di un ingegnere meccanico, la mappa di efficienza è il documento più onesto che racconta il carattere di un veicolo elettrico in un'unica immagine.

Fonti

• Mappe di efficienza per motori elettrici spiegate in modo semplice - Ansys
• Mappa di efficienza - Motore - Documentazione Altair
• Padroneggiare le curve di coppia per i motori elettrici
• Miti sui veicoli elettrici | US EPA
• Confronto sull'autonomia reale delle auto elettriche - Consumer Reports
• Come ottimizzare l'efficienza nella tua auto elettrica - Recurrent Auto
• Selezione efficiente del rapporto di trasmissione di un gruppo motopropulsore a marcia singola - MDPI
• Ottimizzazione delle dimensioni del motore di trazione con trasmissione a due marce - McMaster
• Quanti rapporti per le auto elettriche? Un esempio - Gear Technology
• Confronto tra strategie di ripartizione della coppia per un veicolo elettrico a doppio motore indipendente - IEEE
• Ottimizzazione del consumo energetico dei veicoli elettrici - DiVA portal
• Frenata rigenerativa - Wikipedia
• Controllo di risparmio energetico basato sulla mappa di efficienza del motore per veicoli elettrici - SAGE
• Quadro di miglioramento dell'efficienza energetica per la frenata rigenerativa - University of Minnesota
• Controllo dei motori elettrici: aumento dell'efficienza dei veicoli elettrici - EMobility Engineering
• Motori a induzione vs. motori a magneti permanenti - Horizon Technology
• Influenza del regime di funzionamento, della coppia e della strategia di controllo sull'efficienza di un motore - Charged EVs