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L'Automobile rinasce green, interconnessa e a guida autonoma

Pubblicato da Mosè Necchio il 28 April 2020

🕓 Tempo di lettura: 13 minuti

Recentemente Samsung ha annunciato di aver trovato il modo per produrre batterie affidabili, tecnicamente “accumulatori di energia”, allo stato solido. Questa nuova tecnologia consentirebbe di superare i limiti degli equivalenti basati sul Litio (Li-Ion | Li-Po) ovvero di aumentarne la densità di potenza che in termini di resa energetica per l’automotive si tradurrebbe in mediamente 800 km di autonomia… Un enorme passo avanti considerando gli indicativi 400-450 km raggiunti sinora da alcuni veicoli-test efficienti e con un buon numero di accumulatori a bordo.

La mobilità delle merci e delle persone si sta sempre più evolvendo verso l’elettrificazione e questo trend si registra anche nel mercato dell’automobile convenzionale: tradizionalmente conservativa e molto più lento a reagire rispetto ad altri.

Nel 2019 il mercato mondiale dell’auto ha superato i 96 milioni di veicoli prodotti [fonte ANFIA] e la crescita, seppur in rallentamento, non sembra arrestarsi. I quattro mercati di riferimento, USA (17%); Area Euro (21%); Cina (28%) e Giappone (5%) la fanno da padrone: sia sulla domanda di motori tradizionali, a combustione interna, che per la crescente richiesta (esponenziale) di veicoli a propulsione totalmente elettrica che per Smart Hybrid.

 

AutomotiveQuote

 

I “numeri” dell’elettrico sono esaustivi: 5,1 milioni di veicoli prodotti con un incremento di circa +63% in confronto l’anno precedente. In questo segmento la leadership è detenuta dalla Repubblica Popolare Cinese con il 45% delle vendite rispetto al 24% dell’Europa e il 22% degli USA. Su tutti i paesi spicca la Norvegia che nello scorso anno ha immatricolato 1 auto elettrica su 3. [Fonte: IEA]. Purtroppo gli esperti di Deloitte, in un recente rapporto, prevedono una drastica frenata della domanda, e quindi della produzione, in tutto il comparto dei veicoli leggeri dovuto alla crisi mondiale innescata dal Coronavirus con probabile annullamento del vantaggio accumulato nelle vendite dai veicoli "green" di fine 2019.

 

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Gli attuali Trend di mercato sulla tipologia di propulsore (IC, Hybrid, Full Electric) sono influenzati da molti fattori tra i quali: la Digitalizzazione; il protezionismo (vedi le politiche di D.Trump a favore del made in USA); l’invecchiamento della popolazione (soprattutto nei paesi industrializzati); le norme sull’inquinamento; l’urbanizzazione e altro ancora.

Oggi il 50% della popolazione vive in città. McKinsey società di consulenza e ricerche di mercato, stima che la densità aumenterà sino a raggiungere quota 60% nel 2030 e oltre, fino al 70%, nel 2050. Da qui la necessità di ridurre al minimo l’impatto ambientale negli insediamenti urbani con politiche che scoraggino l’impiego di veicoli privati equipaggiati con motori a Combustione Interna (benzina e/o diesel) e che contemporaneamente incentivino la mobilità urbana con mezzi pubblici. La Cina, per decenni paese poco sensibile alle tematiche ambientali, ha promulgato un piano di sviluppo economico [Chinese Masterplan 2025] nel quale cambia radicalmente politiche ambientali e contemporaneamente dichiara precisi obiettivi: ridurre radicalmente l’impatto ambientale e dominare il mercato mondiale delle auto elettriche, e/o ibride. Il numero di aziende cinesi, aspiranti produttrici di automobili green, nel 2019 ha quasi raggiunto quota 500.

 

La Rivoluzione Digitale sta condizionando anche il mondo dell’Automobile

Ovviamente anche gli storici produttori di automobili, per non perdere quote di mercato, stanno reagendo ad un mercato in evoluzione con nuove offerte tecnologiche ampliando la tradizionale gamma di prodotti.

Tuttavia la sfida tra vecchi e nuovi produttori non si sviluppa solo nel contesto dell’impatto ambientale. Sul cambiamento esponenziale del mondo dell’automobile agiscono anche altri fattori che ineluttabilmente condizionano le scelte strategiche degli operatori.

Le direzioni di sviluppo della nuova mobilità sono favorite soprattutto dall’evoluzione delle infrastrutture informatiche indotte della Rivoluzione Digitale (Digital Revolution – Industry 4.0). Il Cloud, ovvero l’enorme potenza di calcolo disponibile globalmente 7-24, consente di connettere le vetture, erogare servizi in mobilità e ricevere in ritorno un continuo flusso di informazioni come fossero smartphone.

La Tesla di Elon Musk,  è stata la prima azienda a sfruttare la possibilità di connettere ogni singola vettura venduta, raccogliere informazioni sull’uso e contemporaneamente far evolvere, in modo trasparente all’utente, il software dei sistemi di bordo (Model S). Lo stesso concetto degli aggiornamenti periodici di un comune smartphone, applicato al mondo dell’auto evita all’utente di recarsi dall’ assistenza per aggiornamenti, riduce costi di possesso e consente al costruttore l’accesso ad un patrimonio di informazioni raccolte su strada che avrebbe richiesto anni di sperimentazione con procedure convenzionali. I dati, opportunamente elaborati da sofisticati algoritmi di calcolo (Ottimizzatori, Machine Learning, Reti Neurali, ecc.), diventano una fonte di informazioni dal valore inestimabile che consentono a Tesla di installare periodicamente aggiornamenti alle funzionalità di Autopilota e di raffinare meta-modelli dei piani di manutenzione predittiva (predictive maintenance).

 

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Se la mobilità elettrica consentirà di ridurre significativamente l’inquinamento nelle nostre città, che sempre più si popoleranno nel prossimo futuro, anche la possibilità di condividere i veicoli con altre persone darà il suo contributo non solo in fatto di inquinamento ma anche dal punto di vista della riduzione del traffico. Gli analisti di McKinsey prevedono un futuro nel quale si acquisteranno sempre meno automobili e la mobilità delle persone avverrà in prevalenza con mezzi pubblici oppure attraverso il Car Sharing: in entrambi i casi acquistando un servizio.

Un esempio eclatante di evoluzione dei servizi per la mobilità delle persone è Uber. Attraverso un APP di collegamento diretto passeggeri-autisti, questo operatore ha creato un nuovo segmento - in concorrenza a Taxi, noleggio con e senza conducente – rivoluzionando, di fatto, questa tipologia di mercato. Da qui la necessità di un efficiente sistema geo localizzazione dell’automobile che consenta, istante per istante, di conoscerne l’esatta posizione e, incrociando le informazioni raccolte da sensori urbani fissi, oppure da altri veicoli presenti nelle vicinanze, suggerire il tragitto più veloce ed efficiente.

L’interconnessione con l’automobile consente di monitorare anche i parametri di impiego (ad esempio nel caso di un veicolo elettrico occorre evitare che le batterie si esauriscano durante il tragitto dichiarato e pianificato alla presa in consegna…), adeguare i parametri di erogazione della potenza e di sicurezza al profilo di guida della persona al volante, ecc. Si potrà anche rendere più efficiente il piano di manutenzione del veicolo stesso attraverso le citate tecniche di manutenzione predittiva.

 

Guida Assistita, guida Automatica e guida Autonoma

Ed ecco che appare un altro il trend tecnologico ovvero lo sviluppo di sistemi hardware e software che, sfruttando l’infrastruttura informatica globale e l’elettronica di bordo, consentono ai veicoli una Guida Automatica e a tendere anche Autonoma [Automated driving – Autonomous driving].

 

Autonomous

 

Già da almeno un decennio, colossi dell’informatica come Google, produttori di automobili come BMW e altri operatori di settori industriali complementari, come Samsung, hanno promosso ed attivato progetti di ricerca finalizzati allo sviluppare tecnologie HW/SW che consentano la circolazione di veicoli senza autista in grado di prendere autonomamente decisioni e condurci in sicurezza a destinazione.

Sulle strade delle cittadine della Silicon Valley sono oramai poche le persone che si meravigliano al passaggio di Toyota Prius LLC della californiana Waymo - azienda fondata da Google – con nessuno alla guida e passeggeri seduti comodamente sui sedili posteriori. I veicoli sperimentali di Waimo, dal lontano 2009 – anno di fondazione dell’azienda, hanno già percorso centinaia di migliaia di chilometri su strada sperimentando moltissime degli infiniti scenari che potrebbero accadere circolando su percorsi urbani ed extra-urbani.

La parte sperimentale, su strada, è servita a verificare e raffinare quanto già emerso dopo milioni di chilometri percorsi da veicoli virtuali all’interno del mondo digitale dei simulatori. Oggi Waimo è l’indiscusso leader di mercato per veicoli a Guida Autonoma con una quota di quasi il 18% di market share; al secondo posto, con una quota del 8.5%, troviamo il colosso General Motors. [fonte: The last driver licence holder]. Per raggiungere la stessa maturità di prodotto con test reali su strada, Waimo avrebbe dovuto impiegare ingenti capitali per: prototipi “fisici”, prove sperimentali e un centinaio di anni di lavoro. La simulazione ha consentito all’azienda di raggiungere l’eccellenza attraverso un numero minore di prototipi, sperimentando contemporaneamente più soluzioni minimizzando così: errori, tempi e costi.

Anche nella trasformazione da Conducente a Passeggero la simulazione è in prima linea. I sofisticati sistemi di navigazione, le telecamere e ed i dispositivi di rilevamento che assicurano la sicurezza della guida assistita, gli e ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), oppure per la futura guida autonoma, i sensori LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), sono sviluppati avvalendosi di tecnologie e applicazioni di Realtà Virtuale e aumentata, Gamification, CAE, intelligenza artificiale, machine learning e altro ancora.

 

Una nuova generazione di costruttori

I trend tecnologici, le evoluzioni dei costumi e le mutate necessità/restrizioni in fatto di mobilità sta anche ridisegnando la mappa dei produttori. Ai marchi storici quali: Ford, Volkswagen, FCA, Toyota, ecc. si affiancano nuovi produttori con proposte full-electric e/ ibride come Tesla, Lucid Motors e una moltitudine di altri marchi ancora poco noti: Zoox, Nuro, Baidu, ecc..

La “gara” per essere protagonisti (o tornare ad esserlo) in un mutato mercato dell’auto, si sviluppa soprattutto attraverso due scenari intimamente collegati: quello tecnologico e il lasso di tempo necessario a implementare queste le innovazioni. In entrambi i contesti il CAE e la simulazione rendono estremamente competitive anche piccole realtà o startup, come ad esempio Waimo e Lucid Motor, che hanno il vantaggio di poter agire rapidamente e altrettanto rapidamente mutare i propri orientamenti.

Lo sviluppo dei sistemi di bordo, indispensabili al buon funzionamento di un semplice (si fa per dire…) veicolo a propulsione elettrica ma guida tradizionale, richiede l’analisi di moltissimi potenziali scenari operativi da ognuno dei quali distillare informazioni utili ad identificare la miglior configurazione possibile. Realizzare tutto questo con metodi euristici di “prova e sbaglia” (Trial & Error), ovvero attraverso prototipi fisici e di conseguenza sviluppi sequenziali, richiederebbe un ingente consumo di risorse e lunghi tempi di sviluppo. Anche in questo caso il CAE, in qualità di formidabile acceleratore del processo di sviluppo-prodotto, risulta essere l’unica soluzione per ridurre al minimo errori e tempi di sviluppo: sia del veicolo che dei sistemi complementari vitali al suo funzionamento.

Una moderna auto elettrica ha meno componenti di un’automobile tradizionale. Purtroppo solo pochi di loro, già prodotti dall’industria tradizionale, possono essere riutilizzati sui veicoli elettrici. Per disporre di componenti affidabili, indispensabili ad assemblare i loro prodotti, le “e-companies” hanno adottato un modello produttivo fondato sulla mutua collaborazione e l’integrazione di tecnologie, sistemi e componenti comuni.

 

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Il vantaggio del Fare Rete

In Cina, ma non solo lì, sono nate aziende che forniscono piattaforme (meglio chiamarle architetture), ovvero vere e proprie basi tecnologiche sulle quali ogni costruttore auto elettrica può sviluppare il suo modello. Impiegando lo stesso componente, o semilavorato, su più piattaforme di auto si ottiene una virtuosa economia di scala e gli investimenti sono spalmati su volumi produttivi maggiori consentendo così ai fornitori di raggiungere il break even e ai produttori di ridurre al minimo il costo-prodotto.

Questo modello collaborativo consente la nascita di nuovi produttori di automobili che possono competere anche con piccole serie. Inoltre, i fornitori sono stimolati a realizzare, e ad offrire agli OEM, componenti sempre più evoluti e prestazionali spesso in modalità Open Source che consente all’integratore di poterli impiegare così come concepiti oppure personalizzati secondo necessità.

Samsung, Baidu e Kreisel sono stati tra i primi ad offrire moduli in modalità aperta, senza vincoli e restrizioni. Panasonic, ad esempio, propone già da tempo un autotelaio, dotato di batterie, sospensioni ed altro ancora già pronto e collaudato per essere allestito e personalizzato con differenti carrozzerie condividendo con gli integratori anche i parametri ingegneristici e funzionali. Anche in Italia si sta lavorando su proposte di piattaforme "open". Streparava, con il progetto Rob.Y, si sta da qualche mese proponendo sul mercato internazionale con un progetto che integra funzioni "Green" e di guida autonoma.

 

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image - courtesy by Panasonic

Tendenzialmente gli accordi di fornitura con un produttore non preclude la possibilità di produrre anche per altri. Panasonic, infatti, continua ad essere un partner strategico di Tesla nella fornitura di batterie al Litio sia per applicazioni automotive che per l’accumulo di energia in impianti eolici e/o solari.

 

Il CAE e la simulazione sono protagonisti nello sviluppo della mobilità del prossimo futuro.

Per quanto riguarda i veicoli elettrici, l’ambito delle applicazioni della simulazione si estende a quanto già avvenuto per le automobili tradizionali. Il Crash di veicoli elettrici, ad esempio, necessita di nuovi modelli e procedure di simulazione. L’autotelaio ha una configurazione diversa dal tradizionale. Le batterie, ad esempio, vengono solitamente poste al centro della vettura il più in basso possibile così da ottimizzare la disposizione dei pesi a vantaggio della dinamica del veicolo. Crash-test virtuali, mediante di solutori CAE espliciti, consentono di studiare i comportamenti dell’intero veicolo all’impatto, o di singoli componenti, nelle condizioni previste dai protocolli di omologazione (in Europa è in uso lo standard Euro NCAP) prima ancora di aver costruito un prototipo. I risultati ottenuti da test simulati al computer consentono di realizzare la versione “fisica” di vettura da impiegare nella prova sperimentale con ottime probabilità di superare il crash test essenziale per l’omologazione.

In un veicolo elettrico anche la frenata è diversa. Il motore elettrico è una macchina reversibile e ha la capacità di diventare, a sua volta un potentissimo freno elettromagnetico. Il vantaggio che ne deriva è una minor sollecitazione dell’impianto frenante, minor usura di dischi e pattini freno (pasticche d’attrito) e in alcuni modelli di automobile la frenata contribuisce alla ricarica degli accumulatori.

Ancheemobility-design gli aspetti termodinamici e aerodinamici sono diversi dal convenzionale. Un pacco-batterie al Litio (ioni, polimeri, ecc.) nelle fasi di scarica e ricarica, per la chimica del materiale del quale è composto, deve essere opportunamente raffreddato per evitare choc termici e rischi di incendio o esplosione. Da qui la necessità di studiare un opportuno sistema di raffreddamento intrinseco dei singoli elementi che compongono l’accumulatore ma anche l’aerodinamica del veicolo che ne favorisca lo scambio termico con l’esterno durante la marcia. L’analisi CFD (Computation Fluid Dynamics) consente di simulare tutte le condizioni di utilizzo, anche le più estreme, riducendo così il rischio di errori progettuali.

Il motore e la trasmissione richiedono molta cura nello sviluppo. Il propulsore è una macchina elettrica trifase sofisticata e ad alta densità di potenza. Tipicamente può raggiungere e superare anche i 15.000 giri al minuto ed è progettata per erogare la coppia massima anche a bassissimi giri al minuto. Il cambio, di conseguenza, deve essere dimensionato per resistere alle sollecitazioni generate da questa modalità di erogazione di coppia e potenza.

 

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Il motore installato sul Power Train di una auto elettrica è estremamente compatto. Ad esempio, quello tipico installato su una vettura di classe media pesa circa 90kg (lo si potrebbe comodamente inserire all’interno di un borsone sportivo) e può erogare oltre 150KW (o 200 cavalli) con una coppia da oltre 300Nm. In pratica un rapporto Peso-Potenza doppio di un equivalente a combustione interna.

Queste macchine elettriche rotanti sono sofisticate e progettati con estrema cura. Oltre ad essere trifase, brushless, e a magneti permanenti, le nuove generazioni sono caratterizzate da molte innovazioni che le rendono particolarmente efficienti e prestazionali. Ad esempio il tipico filo di rame impiegato per gli avvolgimenti dello statore è stato sostituito con barre di rame pre-formate per aumentarne la densità energetica.

Questo, tuttavia, comporta la necessità di smaltire il calore in eccesso sia sulla parte fissa (statore) che in quella mobile (rotore). In questo contesto i metodi di raffreddamento esterno non consentono un’ottimale rimozione del calore ed il mantenimento di temperature adeguate. Per questo motivo sempre più aziende stanno sviluppando metodi di raffreddamento interno, attraverso immissione di olio direttamente sugli avvolgimenti e in generale sulle parti da raffreddare.

Questo metodo ha un duplice vantaggio, il primo è la maggiore efficienza di trasferimento e smaltimento dell’energia termica, il secondo è la possibilità di utilizzare come refrigerante lo banner1-post_isolinestesso fluido-vettore impiegato per lubrificare la trasmissione. L'integrazione tra la stessa trasmissione ed il motore risponde inoltre alla necessità di riduzione degli spazi e dei pesi dell'intero sistema. In quest'ottica lo studio dei flussi di olio lubrificante all'interno di motore elettrici e trasmissioni è di vitale importanza al fine di ottimizzare l'efficienza di raffreddamento del motore e la lubrificazione della trasmissione.

La determinazione e gestione di: isteresi magnetiche, correnti parassite, effetto Joule, resistenze meccaniche e tutto quanto ricondotto alle leggi di Maxwell diventa fondamentale per un progetto efficiente. L’approccio progettuale non può essere di tipo tradizionale in quanto le variabili da considerare sono molteplici, spesso discordanti, e occorre trovare un ottimale equilibrio tra fenomeni elettromagnetici, termici, fluidodinamici, meccanici, ecc. Occorre affrontare il progetto in un modo olistico, Multi-fisico per raggiungere la configurazione ottimale degli elementi in tempi brevi e riducendo al minimo gli errori. Anche in questo contesto il CAE risulta essere la soluzione che consente di raggiungere l’obiettivo in modo rapido ed efficace, verificando contemporaneamente tutte le configurazioni possibili, provando materiali diversi e soluzioni innovative.

L’elettronica di controllo è una parte importante dell’auto elettrica e condiziona, in modo adeguato alla situazione, come la corrente elettrica che arriva dalla batteria deve alimentare il motore. Oltre a trasformarla da continua ad alternata, nel caso di un motore di tipo AC, può governare altre funzionalità come il regenerative braking, scambiando i generatori di campo magnetico del motore per trasformarlo da semplice motore a generatore di corrente durante la fase di frenata. L’elettronica di controllo include sia quella di segnale, tipicamente a bassa tensione e bassa potenza, sia quella di potenza per il controllo diretto dei motori e di altri dispositivi di azionamento come i servomotori. Il microprocessore è il cuore dell’unità di controllo dell’auto elettrica, Questo esegue algoritmi di controllo molto sofisticati che operano sulla base di molteplici segnali di retroazione come la temperatura di ventilazione, la velocità di rotazione, la tensione della batteria e la relativa tensione di uscita, la tensione proporzionale alla posizione del pedale di accelerazione, ecc.

 


Le automobili si trovano oggi in una fase di trasformazione epocale e il CAE e la simulazione sono tecnologie abilitanti indispensabili ad accelerare e a garantire qualità lungo tutto il ciclo di sviluppo dei paradigmi di sviluppo delle nuove generazioni di veicoli.

La meccanica (pistoni, cilindri, pignone, valvole, biella, ecc.) non è più la scienza e la tecnologia di riferimento. L’elettronica già da tempo ha sopravanzato la meccanica e, l’elettronica digitale, ha consentito all’informatica di caratterizzare tecnologicamente l’automobile. Per cui, in ambito automotive, la ricerca e lo sviluppo si sono da tempo spostati dal target della meccanica a quello dell’elettronica di controllo e dell’automazione.

In un mercato in rapida evoluzione, estremamente ricco ma competitivo, tutti gli operatori stanno adottando politiche atte a: ridurre drasticamente il numero di componenti (integrando il più possibile le funzioni), condividere piattaforme e componenti, digitalizzare processi e funzioni, interconnettere veicoli con sistemi a terra, automatizzare processi di sviluppo e produzione.

In questo nuovo scenario non è più possibile fare a meno del CAE e della Simulazione per essere competitivi. Scopri come integrare un software di simulazione all'interno del processo di progettazione e di produzione della tua azienda. Contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.

 

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Argomenti: Automotive, Simulazione

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