Prove e dati nominali dei motori per veicoli elettrici

I dati dei motori per veicoli elettrici sono significativi solo quando sono noti il perimetro della prova, la durata, la temperatura, la tensione e il punto di funzionamento. Potenza di picco, potenza continua, efficienza del motore, efficienza dell’unità di trazione, coppia all’asse e coppia alle ruote descrivono misure diverse e non possono essere sostituite l’una con l’altra.

Partire dal perimetro di misura

Un motore può essere provato da solo su un banco dinamometrico, insieme al proprio inverter, con gli ingranaggi riduttori, come asse completo oppure all’interno di un veicolo. Ogni perimetro comprende perdite differenti.

L’efficienza del motore confronta la potenza meccanica all’albero con la potenza elettrica ai terminali del motore. L’efficienza dell’insieme motore-inverter parte dall’ingresso in corrente continua dell’inverter. L’efficienza dell’unità di trazione può inoltre comprendere ingranaggi, differenziale, cuscinetti, tenute, pompe di lubrificazione e potenza dei sistemi di controllo. L’efficienza dalla batteria alle ruote include ancora più elementi: resistenza della batteria, cavi, contattori, sistemi ausiliari, pneumatici e altri carichi del veicolo.

Due risultati con la stessa percentuale non sono confrontabili finché i perimetri di ingresso e uscita non coincidono. Anche la direzione è importante, perché la trazione e la rigenerazione presentano condizioni differenti di corrente, tensione e perdite.

Coppia, velocità e potenza

La potenza all’albero è il prodotto della coppia per la velocità angolare:

power = torque × rotational speed

Una coppia elevata a velocità nulla produce potenza meccanica nulla in quell’istante. La potenza aumenta con la velocità nella zona a coppia costante. Al di sopra della velocità di base, i limiti di tensione e forza controelettromotrice impongono normalmente una riduzione della coppia, consentendo una zona a potenza approssimativamente costante.

Un banco dinamometrico misura la coppia e la velocità dell’albero. Gli strumenti elettrici misurano contemporaneamente tensione e corrente di fase o continue. Una misurazione precisa dell’efficienza richiede dati sincronizzati, perché un piccolo errore di temporizzazione o taratura può dominare la perdita calcolata quando l’efficienza è elevata.

La coppia del motore non deve essere confusa con la coppia all’asse o alle ruote. Un riduttore moltiplica la coppia approssimativamente per il proprio rapporto e la propria efficienza. La forza alle ruote dipende poi dal raggio effettivo degli pneumatici.

Potenza di picco, continua e su 30 minuti

La potenza di picco è la massima potenza disponibile in condizioni specificate. Può essere limitata dalla potenza di scarica della batteria, dalla corrente dell’inverter, dalla corrente del motore, dalla tensione, dalla velocità del rotore, dall’aderenza degli pneumatici o dal software, e non solo dal motore. Un valore di picco privo di durata e temperatura iniziale dice poco sulla ripetibilità.

La potenza continua è un concetto di equilibrio termico: il calore generato nel punto di funzionamento può essere rimosso senza che le temperature continuino a superare i rispettivi limiti. Il valore varia con la temperatura e la portata del liquido di raffreddamento, le condizioni ambientali, la temperatura dell’olio, la velocità del veicolo e i componenti che condividono il circuito termico.

Il Regolamento ONU n. 85 definisce le procedure per la potenza netta e la potenza massima su 30 minuti dei gruppi propulsori elettrici utilizzati nell’omologazione dei veicoli. La potenza su trenta minuti è una misura regolamentata, non un sinonimo universale di potenza continua per un tempo indefinito. Anche la batteria del veicolo può limitare la potenza raggiungibile in una prova del veicolo completo.

Queste definizioni spiegano perché un veicolo elettrico può dichiarare un’elevata potenza di accelerazione e mostrare comunque un valore continuo o su 30 minuti molto più basso nei dati di omologazione. Entrambi possono essere corretti.

Mappe di efficienza

Un motore non ha una sola efficienza. Una mappa ottenuta al banco dinamometrico registra l’efficienza su una griglia di punti di velocità e coppia. Le curve di livello mostrano dove la macchina è più efficiente e quanto è estesa questa zona.

A bassa velocità e coppia elevata, la corrente è alta e le perdite nel rame sono rilevanti. Ad alta velocità e coppia ridotta possono prevalere le perdite nel ferro, per ventilazione e nei cuscinetti, le perdite di commutazione dell’inverter e la corrente di indebolimento del campo. In prossimità della coppia nulla, le perdite fisse sono elevate rispetto alla potenza utile, quindi l’efficienza percentuale può essere bassa anche se la perdita assoluta di potenza è modesta.

Una mappa di efficienza deve indicare:

se comprende il motore, il motore con l’inverter o l’unità di trazione completa;
la tensione continua e le condizioni di commutazione dell’inverter;
le temperature e le portate del liquido di raffreddamento e dell’olio;
la trazione, la rigenerazione o entrambe;
i limiti di coppia massima e continua;
se sono incluse pompe e unità di controllo ausiliarie;
l’incertezza di misura e il metodo di interpolazione.

La migliore efficienza in un singolo punto è utile per valutare il potenziale tecnico, ma l’energia impiegata in un ciclo di guida dipende dalle zone della mappa in cui il veicolo funziona realmente.

Prove termiche

Nelle prove termiche si collocano sensori negli avvolgimenti, nello statore, nel liquido di raffreddamento, nell’olio, nei cuscinetti, nei moduli dell’inverter e talvolta nel rotore. Alcune temperature sono misurate direttamente; altre si basano sulla resistenza, su osservatori o su modelli calibrati.

Le prove in regime stazionario stabiliscono la capacità continua. Le prove transitorie esaminano quanta coppia di picco può essere erogata a partire da diverse temperature iniziali e quanto rapidamente il sistema recupera. Accelerazioni ripetute, alta velocità sostenuta, salite in montagna, traino, uso fuoristrada a bassa velocità e rigenerazione ripetuta sollecitano il sistema in modi diversi.

Il componente più caldo può cambiare con il punto di funzionamento. Una corrente elevata può limitare gli avvolgimenti dello statore o i semiconduttori, mentre un’alta velocità può mettere alla prova i magneti del rotore, i cuscinetti, l’olio o l’acciaio elettrico. Il sistema di controllo utilizza questi modelli per ridurre la coppia prima che l’hardware raggiunga una temperatura dannosa.

Limiti meccanici ed elettrici

Le prove di sovravelocità verificano il rotore, l’albero, i cuscinetti e i sistemi di ritenzione al di sopra della normale velocità massima, con un adeguato margine di sicurezza. Le prove di rotazione possono svolgersi senza carico elettromagnetico, mentre le prove combinate al banco dinamometrico aggiungono coppia e calore.

Le prove elettriche riguardano la resistenza di isolamento, la rigidità dielettrica, le scariche parziali quando pertinenti, il comportamento agli impulsi, la resistenza di fase, l’induttanza, la forza controelettromotrice, l’allineamento del resolver e il funzionamento durante i transitori di tensione dell’inverter. I motori a magneti permanenti richiedono inoltre verifiche della smagnetizzazione irreversibile e della sicurezza della tensione a circuito aperto.

I programmi di durata aggiungono vibrazioni, urti meccanici, cicli termici, umidità, sale, esposizione al liquido di raffreddamento o all’olio, contaminazione e ripetute inversioni della coppia. La durata di ingranaggi e cuscinetti è essenziale quando il prodotto valutato è un’unità di trazione integrata anziché un motore isolato.

NVH e qualità della coppia

La coppia media può nascondere ondulazioni. La misurazione della coppia ad alta risoluzione e l’analisi degli ordini identificano armoniche elettromagnetiche, coppia di cogging, effetti dell’inverter, ingranamento, frequenze dei cuscinetti e risonanze strutturali.

Le prove acustiche utilizzano microfoni, accelerometri, sonde di corrente e riferimenti di velocità per collegare i toni udibili al relativo ordine di origine. È necessario eseguire prove con coppia positiva, in rilascio, durante la rigenerazione, a varie temperature e con diverse strategie di commutazione, perché un punto silenzioso a pieno carico può non prevedere il rumore nell’abitacolo a carico ridotto.

Norme e ripetibilità

La SAE J2907 fornisce una pratica raccomandata per la caratterizzazione ripetibile delle prestazioni dei sottosistemi motore-azionamento dei gruppi propulsori elettrificati. Il Regolamento ONU n. 85 riguarda le misure di omologazione della potenza netta e della potenza massima su 30 minuti. Queste procedure rispondono a domande diverse.

I laboratori di ricerca e i costruttori utilizzano anche metodi interni per le mappe di efficienza, i limiti termici, la durata e l’NVH. L’assenza di una prova pubblica universale significa che i risultati pubblicati devono essere considerati confrontabili solo quando sono dichiarati il metodo e il perimetro.

La ripetibilità indipendente richiede strumenti calibrati, temperature stabilizzate, fluidi definiti, correzione delle perdite del dinamometro e dell’accoppiamento e un tempo di stabilizzazione sufficiente. La dichiarazione dell’incertezza fa parte del risultato, soprattutto quando si confrontano sistemi la cui efficienza differisce di decimi di punto percentuale.

Come leggere le specifiche del veicolo

Quando si valuta un dato dichiarato per il motore di un veicolo elettrico, occorre verificare:

Il valore si riferisce a un motore, a un asse o all’intero veicolo?
Potenza e coppia sono misurate all’albero motore, all’uscita del cambio o alle ruote?
La potenza è di picco, su 30 minuti o continua?
Quali tensione e stato di carica della batteria erano disponibili?
Il motore e la batteria erano già caldi?
L’efficienza comprende l’inverter, il cambio, le pompe e i sistemi ausiliari?
Il valore rappresenta un singolo punto di funzionamento o il risultato di un ciclo di guida?

In assenza di queste risposte, il numero può descrivere correttamente il veicolo, ma non consente un confronto tecnico dettagliato.

Continuare la serie sui motori

Torna a Electric Motors and Drive Units e consulta il capitolo motor cooling per capire perché la potenza sostenuta varia con le condizioni termiche.