ZF presenta la più compatta trazione elettrica per autovetture

In occasione del Global Technology Day a Friedrichshafen, ZF presenta il concept di veicolo elettrico EVbeat, progettato per la massima compattezza, peso ridotto e massima efficienza in condizioni reali di funzionamento. Nel veicolo, i componenti di una trasmissione elettrica sono stati ottimizzati e combinati in un sistema olistico. Ciò include la trasmissione leggera e ultracompatta da 74 chilogrammi con una densità di coppia di 70 Nm/kg, una gestione termica olistica e un software per la trasmissione collegato al cloud. A temperature intorno al punto di congelamento, l’autonomia in condizioni reali di funzionamento aumenta fino a un terzo rispetto alla tecnologia attuale.

 

“La mobilità sostenibile è al centro della nostra strategia aziendale,” ha spiegato Stephan von Schuckmann, membro del Consiglio di Amministrazione di ZF responsabile anche dei sistemi di guida elettrificati. “Sulla base di un veicolo di produzione estremamente efficiente, stiamo mostrando il potenziale che i futuri componenti della trazione elettrica offrono quando li combiniamo in un sistema globale ancora più efficiente.”

 

Il veicolo concept ZF EVbeat si basa su una Porsche Taycan e prende come punto di riferimento avanzate tecnologie di serie di ZF e altri attori del mercato.

 

“Il nostro obiettivo era quello di rendere questa unità la più compatta e leggera possibile, mantenendo al contempo elevate dinamiche di guida e aumentando l’efficienza in condizioni reali di funzionamento,” ha affermato il Dr. Otmar Scharrer, Head of Development for Electric Driveline Systems at ZF. “In termini di densità di coppia, siamo sul gradino più alto del podio quando ci confrontiamo con le trazioni elettriche per autovetture attualmente disponibili sul mercato. Allo stesso tempo, durante lo sviluppo, abbiamo prestato grande attenzione alla sostenibilità.” Il motore elettrico funziona senza elementi di terre rare pesanti e il sistema di gestione termica non utilizza refrigerante a base di fluoro. Il numero ridotto di componenti e la riduzione complessiva di un terzo del peso del sistema per la trazione elettrica e il sistema di gestione termica contribuiscono doppiamente a una maggiore sostenibilità, sia nella produzione sia nel funzionamento.

 

EVSys800: unità ultracompatta e leggera da 800 volt

EVSys800 è un propulsore modulare da 800 volt ed è costituito da elettronica di potenza al carburo di silicio, dal motore elettrico e dal riduttore. Nonostante il design estremamente compatto e il peso ridotto, EVbeat non lesina in termini di prestazioni: Il veicolo concept ha una coppia massima di 5.200 Newton metri disponibile sull’asse posteriore – e questo con una densità di coppia unica nel suo genere per autovetture con omologazione stradale di 70 Newton metri per chilogrammo. La potenza continua e di picco del motore elettrico è rispettivamente di 206 e 275 kilowatt – ZF raggiunge così una potenza continua di circa il 75 per cento della potenza di picco.

 

In termini di dimensioni, il propulsore consente di risparmiare 50 millimetri in larghezza grazie al riduttore compatto e alla tecnologia brevettata da ZF con “Avvolgimento Intrecciato” del motore elettrico, consentendo così l’installazione coassiale e salvaspazio sull’asse motore.

 

Con un peso totale di 74 chilogrammi, normalizzato alla stessa potenza della più recente trazione ZF di serie da 800 volt, EVSys800 è più leggero di circa 40 chilogrammi, ovvero di un terzo, e contribuisce quindi significativamente al risparmio di peso del veicolo concept.

 

Essenziale per questo è il motore elettrico, con un nuovo concept di raffreddamento e una nuova tecnologia degli avvolgimenti. Per il raffreddamento, ZF permette che l’olio fluisca direttamente intorno alle barre di rame – esattamente nel punto in cui si genera maggior calore durante il funzionamento. Tale raffreddamento altamente efficiente aumenta notevolmente le prestazioni, a parità di peso e spazio per l’installazione. Inoltre, l’uso di elementi di pesanti terre rare può essere evitato, e il motore elettrico può essere prodotto in modo più sostenibile. La tecnologia con “Avvolgimento Intrecciato” sviluppata e brevettata da ZF, è un ulteriore sviluppo del cosiddetto avvolgimento a onda, e consente di ridurre del dieci per cento lo spazio per l’installazione. La sola testa dell’avvolgimento è fino al 50 per cento più piccola rispetto agli approcci convenzionali. In questo modo, viene risparmiato circa il dieci per cento di rame.

 

L’inverter della trazione elettrica è stato radicalmente riprogettato. Tutti i componenti essenziali sono stati completamente rivisti. Sono stati apportati miglioramenti significativi in ciascuna delle aree della compatibilità elettromagnetica, dei moduli di potenza e dei condensatori in termini di spazio di installazione, peso e sostenibilità.

 

Un nuovo riduttore coassiale trasmette le forze motrici del motore elettrico attraverso due set di riduttori epicicloidali. Non solo generano il rapporto di trasmissione finale desiderato, ma svolgono anche una funzione differenziale completamente integrata. Rispetto ai concetti di compensazione convenzionali, in cui gli alberi di ingresso e uscita non si trovano sullo stesso asse, la soluzione coassiale riduce il peso e lo spazio per l’installazione senza compromettere efficienza, rumore e vibrazioni. In combinazione con la tecnologia ad “Avvolgimenti Intrecciati”, questa unità può essere resa significativamente più corta, consentendo l’installazione in ogni spazio di montaggio del veicolo.

 

“Con questo sistema possiamo pienamente soddisfare le principali esigenze dei nostri clienti, ovvero efficienza, prestazioni e costi,” ha affermato il Dr. Otmar Scharrer. Le prime tecnologie della nuova trasmissione ZF saranno disponibili sul mercato a partire dal 2026.

 

Gestione termica: controllo efficiente della temperatura del powertrain e dell’intero veicolo

Il controllo della temperatura di un veicolo può rappresentare una parte significativa del suo fabbisogno energetico in inverno, che può variare da tre e sei kilowatt, soprattutto in fase di riscaldamento. Una piacevole freschezza in estate e il calore in inverno sono importanti fattori di comfort per gli occupanti. La giusta temperatura è anche un fattore essenziale per le prestazioni del motore elettrico, dell’elettronica di potenza e della batteria.

 

Il primo sistema centrale di gestione termica (TherMaS) sviluppato da ZF per i veicoli elettrici è integrato nel veicolo concept EVbeat. TherMaS utilizza un’unità centrale e un software intelligente per controllare tutti i processi termici per la trasmissione e l’abitacolo. Il nuovo design riduce notevolmente l’ingombro e il peso rispetto ai precedenti approcci per il raffreddamento e il riscaldamento delle auto elettriche. Una pompa di calore da 800 volt a propano richiede inoltre una quantità di energia notevolmente inferiore. Essendo compatta e semplice nel design, può essere facilmente integrata nei veicoli.

 

Il concept TherMaS ha per la prima volta tre circuiti preposti: al centro, c’è il circuito refrigerante molto piccolo. Questo è preriempito e sigillato ermeticamente ed è quindi privo di manutenzione. Inoltre, il concept non si interfaccia ad altre aree del veicolo, quali gli interni. ZF utilizza il propano, refrigerante naturale privo di fluoro. Anche venga utilizzata solo la metà del refrigerante precedente, la capacità di raffreddamento aumenta di un fattore pari a due rispetto ai refrigeranti comunemente utilizzati oggi. Se necessario, il circuito centrale del refrigerante serve due circuiti di raffreddamento controllabili separatamente in cui l’acqua scorre protetta dal gelo, come di consueto: il primo è progettato per le temperature relativamente elevate del motore elettrico, mentre il secondo regola la temperatura dell’elettronica di potenza e di ricarica. Il software di controllo regola la capacità di raffreddamento.

 

Grazie a questa gestione termica complessiva, l’autonomia di EVbeat aumenta fino a un terzo nelle impegnative condizioni di funzionamento invernali. Le prestazioni di raffreddamento significativamente migliori rendono possibile una maggiore potenza continua del motore elettrico.

 

Software del Powertrain: connessione efficiente dei sistemi veicolo e al cloud

Le proprietà dei sistemi hardware costituiscono una base importante per il funzionamento sostenibile del veicolo; la loro orchestrazione ottimale è ottenuta tramite software. ZF ha sviluppato il proprio software per il powertrain che collega in rete tutti i sistemi del veicolo e stabilisce la connessione al cloud ZF.

 

Poiché l’efficienza di un motore elettrico dipende dai suoi punti termici di funzionamento, è importante mantenerli sempre nell’intervallo ottimale: a basse velocità e alti requisiti di coppia, il punto di funzionamento termico ottimale è molto basso, mentre ad alte velocità con bassi requisiti di coppia, le alte temperature non costituiscono un problema. Tuttavia, le condizioni termiche non possono essere stabilite nel breve periodo. Il software per la trasmissione di ZF può anticipare i punti di funzionamento ottimali dai singoli profili di guida e preparare il sistema di conseguenza. Il software “impara” il comportamento dei conducenti e può prevedere la probabilità di singoli profili di guida attraverso un servizio cloud basato sull’Intelligenza Artificiale. Ad esempio, l’aria condizionata e il sistema di raffreddamento dell’impianto vengono ridotti quando si rilevano brevi distanze.

 

Su questa base, il sistema di assistenza può anche fornire ai conducenti consigli diretti su come utilizzare il veicolo elettrico in modo efficiente. Ad esempio, vengono mostrate l’accelerazione e la decelerazione efficienti, così come una velocità massima ottimizzata. Questo è particolarmente prezioso quando si tratta di calcolare un intervallo di autonomia preciso e pratico prima del viaggio, che poi viene rispettato in modo affidabile.