I SynRM potrebbero cambiare il gioco dei veicoli elettrici

Rimuovere la necessità di magneti terrestri rari migliora la sostenibilità dei veicoli elettrici

L’adozione diffusa di veicoli elettrici (EV) potrebbe rendere le emissioni di scarico cariche di carbonio un ricordo del passato. Ma produrre questi veicoli ha significato sostituire un problema ambientale con un altro. Anche se i veicoli elettrici non producono gas serra, l’estrazione e la raffinazione delle materie prime necessarie per produrre batterie e motori elettrici ne produce una quantità significativa. Inoltre, la domanda di queste materie prime in tutti i settori continua a far aumentare i costi di produzione dei veicoli elettrici, con il risultato che i prezzi di listino rimangono fuori dalla portata di molti consumatori.

Con il nome appropriato Progetto VEICOLO, i ricercatori di INSA-Strasbourg e ICube Laboratory in Francia stanno cercando di affrontare questi problemi con una tecnologia comunemente utilizzata al di fuori dell’industria automobilistica: un motore elettrico chiamato macchina a riluttanza sincrona, o SynRM. Tradizionalmente utilizzato in applicazioni che vanno dalla robotica alle smerigliatrici del legno, un SynRM ottimizzato per la trasmissione dei veicoli elettrici potrebbe significare veicoli elettrici più sostenibili e convenienti in futuro.

Attualmente, il motore preferito dall’industria dei veicoli elettrici è la macchina sincrona a magneti permanenti (PMSM), che rappresenta circa l’84% del mercato dei veicoli elettrici. Ma i magneti alla base di questa tecnologia si basano su materiali rari estratti dalla Terra, affrontando un problema di sostenibilità creandone un altro. Questi materiali sono molto richiesti anche per i prodotti elettronici e hanno un prezzo in costante aumento. Esistono altri tipi di motori utilizzati nelle trasmissioni di veicoli elettrici, come motori a induzione e motori sincroni a rotore, ma la loro efficienza e prestazioni complessive sono inferiori a quelle dei PMSM.

Illustrazione di un'automobile che mostra il SynRM, la batteria da 12 V, il convertitore CC/CA, il convertitore CC/CC e la batteria. — Architettura semplificata della trasmissione dei veicoli elettrici promossa da SynRM. (Crediti dell’immagine: Dottor Yakoub Saadi)

Finanziato principalmente dall’Unione Europea, il progetto VEHICLE mira a ridurre i costi di proprietà dei veicoli elettrici migliorando le prestazioni della batteria e lo stoccaggio dell’energia oltre a sviluppare un SynRM adatto a un veicolo elettrico. Il progetto VEHICLE è cofinanziato dal Programma INTERREG V Upper Rhine e dai partner regionali franco-tedeschi dell’iniziativa Science Offensive – la regione del Grand Est, il Baden-Württemberg e la Renania-Palatinato – che finanziano progetti di ricerca transfrontalieri di eccellenza.

Vecchia macchina, nuova soluzione

Tedjani Mesbahi, Professore associato di ingegneria elettrica all’INSA-Strasbourg, lavora da anni su questo problema. Mesbahi ha iniziato la sua ricerca sulla mobilità elettrica come parte di un team di ricerca e innovazione presso il fornitore automobilistico Valeo e L2EP Laboratory dell'Università di Lille. Lì, ha lavorato per sviluppare un'auto ibrida benzina-elettrica a basso consumo. Successivamente, è passato dai progetti industriali al mondo accademico presso l’INSA-Strasbourg e il ICube Laboratory, dove si è unito al lavoro per ottimizzare la trasmissione dei veicoli elettrici.

Senza magneti permanenti, un costo inferiore e prestazioni decenti, il SynRM raggiunge un compromesso tra PMSM e motori sincroni a rotore o a induzione.

“Quando sono arrivato all’INSA-Strasbourg, ho trovato i miei colleghi che lavoravano su un diverso tipo di motore per veicoli elettrici, la macchina a riluttanza”, ha detto Mesbahi.

Sebbene i SynRM siano ampiamente utilizzati in altri settori, i loro svantaggi li hanno resi poco adatti alle tradizionali trasmissioni dei veicoli elettrici. Yakoub Saadi, ex ingegnere ricercatore del progetto VEHICLE presso l’INSA-Strasbourg, ora presso SATT Ouest Valorisation, ha ricordato alcune delle questioni. “I difetti includevano una bassa densità di potenza, un basso fattore di potenza e un’ondulazione di coppia relativamente elevata. I SynRM possono anche generare calore significativo, richiedendo strategie per ridurre la temperatura”, ha affermato Saadi. “Ma offrono anche dei vantaggi. Sono privi di magneti, molto robusti ed efficienti.”

Un SynRM sfrutta la riluttanza, la proprietà dei materiali magnetici di spostarsi da aree a bassa ad alta permeabilità magnetica, analogamente alla resistenza nei circuiti elettrici. In un SynRM, la parte esterna stazionaria del motore, lo statore, ospita bobine di filo che producono campi elettromagnetici. Il componente interno, il rotore, non contiene magneti ma contiene ferro e, a causa della bassa riluttanza del materiale, i traferri del rotore si allineano con il campo magnetico rotante, facendo girare il rotore e generando coppia.

Schema del SynRM che mostra un motore rotondo, con lo statore all'esterno, il componente interno del rotore, le fessure dello statore all'interno dello statore e l'albero al centro. — Sezione trasversale della macchina a riluttanza sincrona. (Crediti dell’immagine: Dottor Yakoub Saadi)

L'elevata ondulazione della coppia del SynRM, o le fluttuazioni della coppia, provocano un forte rumore e rappresentano un problema particolarmente difficile da risolvere. Il controllo dell’ondulazione della coppia richiede strategie di controllo che vanno oltre gli algoritmi di controllo classici.

Senza l'elevata ondulazione della coppia e il conseguente rumore, come anche con una densità di potenza più elevata, i SynRM potrebbero essere un valido sostituto. Senza magneti permanenti, un costo inferiore e prestazioni decenti, il SynRM raggiunge un compromesso tra PMSM e motori sincroni a rotore o a induzione. I SynRM sono anche più semplici da produrre e più efficienti rispetto ad altri motori elettrici. Le loro debolezze, tuttavia, hanno ostacolato il loro ingresso nel mercato dei veicoli elettrici.

Un inizio difficile

In collaborazione con le università Hochschule Karlsruhe e Hochschule Trier e guidato da Mesbahi presso INSA-Strasbourg e ICube Laboratory, il progetto VEHICLE è iniziato nel 2019. “Abbiamo dovuto integrare il motore sincrono a riluttanza nel gruppo propulsore dei veicoli elettrici. Questa è stata la prima sfida”, ha affermato Saadi, allora ingegnere ricercatore presso l’INSA-Strasbourg e il ICube Laboratory. “La seconda sfida è stata capire come superare l’ondulazione della coppia, mentre la terza sfida è stata l’implementazione di strategie di controllo avanzate in questo motore elettrico”.

“MATLAB e Simulink ci hanno permesso di modellare rapidamente questa macchina elettrica.”

Subito dopo il suo avvio, il progetto VEHICLE si è imbattuto in un ostacolo: COVID 19. “Abbiamo dovuto cambiare i nostri metodi quando lavoriamo a livello remoto”, ha affermato Mesbahi. Inizialmente, avevano pianificato di affrontare il progetto sviluppando le loro strategie di controllo e testandole insieme sul banco di prova. Ma una volta che il lockdown li ha costretti a lavorare da casa, il team si è affidato interamente alle simulazioni per testare le iterazioni del loro algoritmo di controllo. MATLAB^® e Simulink^® sono stati determinanti nel garantire che potessero ancora fare progressi.

“Abbiamo scelto di proporre un nuovo controller basato sulla teoria del controllo della modalità scorrevole, o teoria H-infinito. Si tratta di un nuovo algoritmo nel controllo a cascata per ridurre l'ondulazione della coppia”, ha affermato Saadi. “In genere, l’industria dei veicoli elettrici utilizza una strategia di controllo classica, il controller proporzionale-integrale (PI). Ma i controller classici non possono ridurre significativamente l’ondulazione della coppia”.

Modello di strategia di controllo che mostra il controllo di coppia e corrente per il SynRM. — La strategia di controllo per ridurre le ondulazioni della coppia del motore. (Crediti dell’immagine: Dottor Yakoub Saadi)

Utilizzando Simulink e i suoi modelli SynRM e di trasmissione EV predefiniti, il gruppo INSA-Strasbourg si è messo al lavoro sviluppando e testando strategie di controllo avanzate. Utilizzando Simscape Electrical™, hanno modellato la batteria e il convertitore di un veicolo elettrico. “MATLAB e Simulink ci hanno permesso di modellare rapidamente questa macchina elettrica”, ha affermato Saadi.

Il team ha convalidato le proprie strategie di controllo avanzate da casa, utilizzando la simulazione per identificare quella che riduceva al massimo l’ondulazione della coppia. Il team ha inoltre testato l'algoritmo avanzato proposto rispetto a metodi tipici, come il controller (PI).

Torniamo in laboratorio

Una volta allentate le restrizioni legate al COVID-19, Mesbahi, Saadi e il loro team sono tornati in laboratorio per testare il controller nel prototipo SynRM. Hanno usato una macchina Speedgoat^®, che ha permesso loro di eseguire i test in tempo reale senza ingombranti conversioni a software o linguaggi diversi. Ma non è stata solo la comodità a spingerli a scegliere Speedgoat come macchina target: Avevano anche bisogno di una potente porta di controllo.

“Speedgoat offriva una porta potente. È compatibile con MATLAB e Simulink, permettendoci di testare il nostro modello Simulink in tempo reale.”

“Speedgoat ha offerto una porta potente,” ha detto Saadi. “È compatibile con MATLAB e Simulink, consentendoci di testare il nostro modello Simulink in tempo reale.”

Con un semplice clic, Saadi ha potuto implementare gli algoritmi MATLAB e Simulink sulla macchina target Speedgoat e testarli nel prototipo SynRM. Inizialmente, i risultati non erano perfetti, come previsto per i primi test. Sebbene avessero testato la loro strategia di controllo nelle simulazioni, il modello teorico non riusciva a imitare perfettamente le condizioni del mondo reale. Il team ha notato delle perturbazioni nei risultati e ha dovuto apportare modifiche procedendo per tentativi ed errori.

Alla fine, Saadi e i suoi colleghi hanno trovato una strategia che ha funzionato. Dopo averlo testato, Saadi ha iniziato a sorridere mentre esaminava le misurazioni e i calcoli del tasso di ondulazione della coppia. L'algoritmo ha funzionato, riducendo l'ondulazione della coppia a un livello gestibile. “Ci sono stati molti test che hanno portato a questo momento. È stata la sensazione più bella”, ha detto Saadi, ricordando quel primo test riuscito. “Ha racchiuso tutto il nostro lavoro nel corso di due anni in un solo momento.”

Un SynRM è connesso a una macchina target che esegue Speedgoat. Simulink è in esecuzione su un computer a destra della macchina di destinazione. — Banco prova motori sincroni a riluttanza. (Crediti dell’immagine: Dottor Yakoub Saadi)

Il futuro delle SynRM

Mentre altri gruppi di ricerca stanno lavorando per migliorare i SynRM con strategie di controllo avanzate, Saadi ha affermato che ciò che distingue il progetto VEHICLE è la modellazione di tutte le parti della trasmissione del veicolo elettrico (motore, componenti della batteria e convertitore) per ottimizzare il controller del motore, un'impresa MATLAB, Simulink e Speedgoat sono possibili. I gruppi di ricerca sui veicoli elettrici in genere si concentrano su un aspetto del veicolo piuttosto che su ciascun componente della trasmissione e su come lavorano insieme. “Il motore elettrico è solo una parte del progetto VEHICLE, che si concentra anche sulle batterie e sulla gestione dell’energia”, ha affermato Saadi.

“Una macchina senza magneti avrà un vantaggio in questo nuovo mercato.”

Ma il SynRM del progetto VEHICLE non è ancora pronto per l'industria automobilistica. Sebbene l’elevata ondulazione della coppia costituisse un ostacolo importante all’uso del SynRM nei veicoli elettrici, i ricercatori devono ancora aumentare la densità di potenza delle macchine e migliorare la gestione del calore. “I nostri ricercatori stanno lavorando per affrontare questa sfida e rendere le macchine a riluttanza sincrona più praticabili per le applicazioni dei veicoli elettrici”, ha affermato Mesbahi. Il team INSA-Strasbourg sta sviluppando algoritmi di intelligenza artificiale in MATLAB per creare una soluzione di gestione del calore.

Oltre all'ulteriore perfezionamento degli algoritmi di controllo per i SynRM, questo motore potrebbe diventare più interessante per l'industria automobilistica in quanto il programma Digital Product Passports della Commissione europea entrerà in vigore nei prossimi anni. Il programma mira a promuovere la sostenibilità e un’economia circolare richiedendo trasparenza sui materiali e sulle catene di approvvigionamento coinvolte nella realizzazione dei prodotti in modo che i clienti possano avere una migliore idea dell’impatto ambientale di un prodotto. “Una macchina senza magneti avrà un vantaggio in questo nuovo mercato”, ha affermato Mesbahi.

L’obiettivo principale del progetto, tuttavia, è ridurre il costo totale di proprietà dei veicoli elettrici. “Abbiamo ancora molto sviluppo da fare”, ha detto Mesbahi. Ma nel creare algoritmi che garantiscono una guida più fluida e silenziosa, sono un passo avanti. “In linea con questo, le nostre attività di ricerca continuano verso l’ottimizzazione del costo totale di proprietà dei veicoli elettrici con un progetto di ricerca europeo su larga scala che vanta un budget di 5 milioni di euro, coinvolgendo oltre 14 partner europei in sette paesi”. Il Progetto ENERGETICO mira a ottimizzare le prestazioni di stoccaggio dell’energia utilizzando tecnologie e connettività intelligenti per le batterie, integrate con una nuova generazione di sistemi di gestione della batteria (BMS).

Altri casi

TECNOLOGIA VERDE