Elettrificare una macchina: motore, controller, batteria, da dove iniziare
Un kart, una moto leggera, un robot agricolo, una barca da diporto: tutte queste macchine possono passare all'elettrico, utilizzando gli stessi componenti. Un motore, un controller che lo gestisce, una batteria con il suo BMS e un'interfaccia per il conducente. Ciò che cambia da una macchina all'altra è il modo in cui questi componenti vengono dimensionati. Questa guida illustra il metodo che seguiamo in officina, indipendentemente dal progetto.
L'essenziale
- Un progetto inizia dall'utilizzo, non dal motore: velocità, peso, pendenza, durata di funzionamento, condizioni d'uso.
- La coppia da erogare e la velocità da raggiungere determinano il motore e la sua trasmissione.
- Il motore e la tensione della batteria determinano il controller.
- L'energia consumata in una giornata di utilizzo determina la capacità della batteria, e la corrente richiesta ne definisce le celle.
- Nulla sostituisce i test: al banco, poi sulla macchina, con acquisizione dati.
1. Scrivere le specifiche tecniche
Prima di scegliere qualsiasi componente, è necessario descrivere la macchina e il suo utilizzo. Le domande sono sempre le stesse:
- Quale velocità massima e a quale velocità viaggia la macchina la maggior parte del tempo?
- Quale peso totale, compresi conducente e carico?
- Quali pendenze, quali partenze: a vuoto, a pieno carico, in salita, nel fango?
- Per quanto tempo la macchina deve funzionare tra una ricarica e l'altra, e quanto tempo è disponibile per la ricarica?
- In quali condizioni: pioggia, polvere, acqua, calore, vibrazioni?
- Quale omologazione è prevista e in quanti esemplari?
Sono queste risposte che permettono di effettuare il dimensionamento. Lo stesso motore può essere perfetto per un kart da noleggio e totalmente inadatto a un robot che procede a passo d'uomo tutto il giorno.
2. Il motore e la sua trasmissione
Il motore deve fornire la coppia necessaria per le partenze e le pendenze, e raggiungere la velocità massima desiderata. Tra i due, la trasmissione fa da collegamento: un motore ruota (motore hub) non ha riduzione, mentre un motore centrale aziona la ruota tramite catena, cinghia o riduttore, il che gli permette di girare più velocemente e di essere più compatta a parità di coppia alla ruota.
La scelta tra le tecnologie di motore è descritta in dettaglio nelle nostre guide sulla differenza tra PMSM e BLDC e sui motori a magneti interni. Il legame tra tensione, velocità e coppia è spiegato nella nostra guida su Kv, Kt e poli.
3. Il controller
Il controller converte la corrente continua della batteria in corrente alternata per il motore, decidendo in ogni istante quanta corrente inviargli. Deve supportare la tensione della batteria a pieno carico con un margine di sicurezza, fornire la corrente necessaria per la coppia desiderata e comunicare con il resto della macchina: acceleratore, freno, display, BMS. La nostra guida al controller approfondisce questi aspetti, e la nostra guida sul controllo vettoriale spiega come pilota il motore.
4. La batteria e il BMS
La capacità della batteria si calcola in base all'energia consumata in una giornata di utilizzo reale, e non a partire da un consumo teorico. Il tipo di celle viene scelto in base alla corrente richiesta: alcune celle immagazzinano molta energia ma erogano poca corrente, altre fanno il contrario. Consulta la nostra guida per leggere la scheda tecnica di una cella. Il BMS protegge la batteria e, su una macchina ben progettata, comunica con il controller tramite bus CAN.
5. Il conducente e la flotta
Un display indica velocità, carica ed eventuali anomalie. Per una flotta a noleggio o professionale, è inoltre necessario monitorare ogni macchina a distanza: carica, guasti, ore di funzionamento, limiti di velocità per utente. Questo è il compito di RageLink, il nostro ecosistema di monitoraggio.
6. I test
Un gruppo motopropulsore viene validato innanzitutto al banco prova, dove si misurano coppia, velocità, rendimento e riscaldamento in condizioni ripetibili, e successivamente sulla macchina, nel suo utilizzo reale. Consulta la nostra guida sulla misurazione al banco motore.
Il consiglio dell'officina
La prima versione delle specifiche tecniche è quasi sempre troppo ottimista sull'autonomia e troppo modesta riguardo alle pendenze. Misura sul campo le prestazioni della macchina attuale prima di dimensionare la nuova.
Le nostre guide per tipo di macchina
- Elettrificare un kart
- Moto elettrica leggera e pitbike: scegliere il controller
- Retrofit elettrico di una moto o di uno scooter
- Motorizzare un robot agricolo o un veicolo utility
- Motorizzare una barca elettrica
- Formula Student e progetti scolastici
Per un progetto professionale, il nostro ufficio tecnico progetta l'intera catena cinematica, dimensionata per la macchina.
Domande frequenti
Da quale pezzo iniziare?
Da nessuno: inizia dalle specifiche tecniche. Il motore va scelto per primo, e di conseguenza il controller e la batteria.
È possibile assemblare componenti di marche diverse?
Sì, a condizione che il controller sappia gestire il motore scelto e che batteria, controller e display utilizzino lo stesso linguaggio. È spesso su quest'ultimo punto che gli assemblaggi si bloccano.
Un kit pronto all'uso non è sufficiente?
Per una macchina comune, a volte. Ma un kit generico raramente è dimensionato per il tuo peso, le tue pendenze e la tua durata d'uso, e spesso offre uno scarso supporto post-vendita.
Quanto tempo richiede un progetto?
Dipende dalla macchina e dal numero di esemplari. Un prototipo passa sempre attraverso il dimensionamento, l'assemblaggio e i test prima di un'eventuale produzione in serie.