La proliferazione di sistemi elettrificati sta portando sostanziali cambiamenti nell’industria e nei suoi processi. In questo scenario, l'industria automobilistica è in prima linea, tuttavia questi sviluppi influenzano sempre più ogni settore. La simulazione ingegneristica ricopre un ruolo fondamentale nel dare agli ingegneri la necessaria consapevolezza di ogni sfaccettatura che il globale processo di elettrificazione porta singolarmente alla concezione, allo sviluppo, all’ingegnerizzazione di prodotti e servizi.
Le sfide progettuali non sono più limitate a specifici parametri prestazionali, indipendenti tra loro, ma si estendono trasversalmente per fisica e domini differenti così come attraverso ogni possibile livello per scala e competenza. In particolare, l'elettrificazione richiede sofisticati nuovi approcci ingegneristici in cinque aree chiave relative alla progettazione di sistemi elettrici:
- Elettronica di potenza
- Macchine elettriche
- Fonti di energia come batterie e celle a combustibile
- Integrazione di sistemi elettromeccanici
- Software di controllo
Per ognuna di queste applicazioni, i problemi ingegneristici specifici sono diversi e unici, ma tutte condividono la necessità di innovare in modo rapido ed economico.
La simulazione numerica come catalizzatore di sviluppo
La simulazione ingegneristica consente di affrontare queste sfide in maniera economica e a basso rischio, e porta ad una soluzione rapida ed affidabile. L’introduzione delle potenti capacità di simulazione già nelle fasi preliminari dello sviluppo del prodotto ne accorcia i relativi tempi, aumenta il grado consapevolezza nelle scelte progettuali, ottimizza il processo e la collaborazione tra reparti, minimizza numero, tempi e costi delle fasi di testing e annulla virtualmente ogni possibile fallimento.
Senza dimenticare il ruolo predominante, e da apripista, del settore dell’automobile e dei trasporti in genere sull’introduzione di funzionalità elettriche pervasive, ogni ingegnere di prodotto tradizionale deve risolvere diverse sfide tecniche. Queste includono la gestione della batteria, la gestione termica, la riduzione del rumore, l'eliminazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) per garantire la compatibilità elettromagnetica (EMC). Tutto questo senza perdere il focus dal miglioramento delle prestazioni, dall’aumento dell’efficienza, la riduzione dei costi, la garanzia della sicurezza.
Prendiamo come esempio un sistema di trazione elettrico che include le batterie, i sistemi di trasporto come cavi e busbar, la componentistica di potenza come inverter, schede elettroniche di filtraggio e controllo, e attuatori elettromeccanici o motori, come mostrato in figura.
Figura 1 – Schema funzionale di un sottosistema di controllo di trazione elettrico
Ciascuno di questi elementi può essere modellato e simulato singolarmente per ottimizzarne le prestazioni. Per ciò, è possibile soddisfare i requisiti energetici e di durata richiesti per il blocco batterie così come esplorare gli effetti elettrotermici, sia a livello funzionale 1D che multi-fisico 3D. È possibile dimensionare le macchine elettriche per la massimizzazione di coppia/potenza ed efficienza, così come per la riduzione del peso e il controllo degli aspetti vibrazionali ed acustici. I sottosistemi di potenza possono essere ulteriormente esplorati per entrare quanto più nel dettaglio possibile su ECU, moduli di potenza e gate drivers, filtri EMI, cablaggi e busbar, al fine di scegliere la componentistica adeguata, la topologia più efficiente, il posizionamento e di valutare i contributi parassiti che saranno determinanti sia per le prestazioni generali che per gli effetti in termini di emissioni ed immunità.
Si vedano per esempio le seguenti immagini in cui sono mostrati alcuni esempi di rappresentazione di output ottenibili.
Figura 3 – Mappa del campo elettrico su gate driver e moduli di potenza
Prevedere ed esplorare nuove configurazioni
La simulazione numerica offre un vantaggio unico: la possibilità di descrivere quantitativamente fenomeni, elettromagnetici principalmente, altrimenti non prevedibili, neanche grazie alla più matura esperienza sperimentale sul campo. Si pensi, per esempio all’introduzione di nuova componentistica o all’estensione sia in termini di livello che di range frequenziali delle normative e, ancora più semplicemente, a nuovi requisiti prestazionali, di ingombro e peso. O, infine, alla strategica possibilità di esplorare diverse soluzioni progettuali alternative tramite prototipi virtuali, senza l’assillo di doverle scartare tutte eccetto una al termine di una campagna fisica prototipale. Il vantaggio competitivo che si ottiene è determinante per il ritorno economico tanto quanto lo è per quello finanziario, specie per l’abbattimento di tempi e costi di campagne sperimentali impegnative, imprevedibili e difficilmente ripetibili.
Figura 4 – Mappa del campo magnetico su diversi sottosistemi
Data l'ampiezza, la profondità e la raffinatezza tecnica delle sfide ingegneristiche legate all'elettrificazione, la simulazione ingegneristica ha oggi più senso che mai. Oggi sono disponibili soluzioni di simulazione per affrontare difficili problemi ingegneristici per condurre simulazioni strutturali, fluidodinamiche ed elettromagnetiche multi-fisiche, supportate da capacità di simulazione a livello di sistema, analisi di sicurezza funzionale, e infine sviluppo e verifica del software integrato.
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