Motore elettrico pulsante, la tecnologia per renderlo ancora più efficiente

Se si applica, per principio, l’equivalente della disattivazione dei cilindri del motore termico al motore elettrico i benefici potranno essere praticamente uguali se non superiori. Questa la scoperta della Tula Technologies, azienda statunitense che ha voluto sperimentare su una tecnologia, quella del motore elettrico, che è oggettivamente antecedente alla scoperta del motore a combustione se con questa definizione prendiamo ad esempio la pila di Alessandro Volta.

Proprio Tula ha già studiato un sistema di disattivazione alternata dei V8 GM, tecnologia già in uso su i modelli che montano questi propulsori, e ora sta pensando di allargare i confini. L’evidente processo di elettrificazione del mercato ha spinto l’azienda californiana a realizzare un software di controllo al fine di migliorare l’efficienza dei motori elettrici. L’intero progetto è partito nel 2018, ma negli ultimi mesi il progetto del motore elettrico pulsante ha avuto una grande accelerazione. Basandosi su costi d’investimento ridotti, i guadagni in termini di efficienza energetica complessiva sono positivi.

Il motore elettrico pulsante lavora con il doppio del carico: vi spieghiamo perchè

Se uno esamina la differenza totale di picco del motore elettrico pulsante ripetto ad un motore tradizionale queste risultano essere elevate, con punte del 90%. Basti pensare che i motori elettrici lavorano alla massima efficienza in poche condizioni, parliamo del 25 e il 30% del carico massimo, scontando grandi perdite energetiche nelle restanti parti del grafico sottostante. L’idea alla base del motore elettrico pulsante è quindi quella di replicare in forma…elettrica il principio di disattivazione dei cilindri del motore a combustione. In un propulsore termico vi è la possibilità di disattivare per un tempo prolungato alcuni cilindri, così questi possono lavorare ad intervalli di tempo più brevi ma a carichi maggiori, con efficienze nettamente migliori.

In questo caso il motore elettrico pulsante lavora al doppio del carico ad efficienze maggiori ma per la metà del tempo. Il tutto, come suggerisce il nome, è possibile attraverso un controllo pulsante, dove per brevi intervalli, il motore elettrico risulta essere disattivato, alternati ad altri in cui eroga gli impulsi di potenza così che nel bilancio complessivo risulti essere maggiore possibile e limitare così anche le perdite.

Il motore elettrico pulsante alterna disattivazioni ad attivazioni per la massima efficienza

Nella pubblicazione SIA Powertrain Energy di giugno 2022, Tula, in riferimento al motore elettrico pulsante comunica in questo modo il funzionamento del Dynamic Motor Drive, ovvero il nome del motore elettrico pulsante: “Per esempio, richiesta di coppia del 12% del carico massimo viene soddisfatta lavorando a un carico parziale al 24%, più efficiente, ma con un duty cycle del 50%. Questo permette che l’efficienza complessiva, persino a bassi carichi, si avvicini ai livelli precedentemente possibili soltanto ad alti carichi”.

Il motore elettrico pulsante risulta avere brevi istanti di completa disattivazione, alternati ad altri di uguale durata in cui viene sfruttato il doppio del carico. Per gli alti carichi invece, dove il motore risulta andare oltre il punto di massima efficienza, il suo utilizzo non è più pulsante, ma continuo. Scott Dailey, il presidente e CEO di Tula, ha spiegato l’invenzione durante un’intervista: “Il motore elettrico pulsante ha gli stessi punti di massima efficienza di un termico.  Come vi si accede è diverso, ma c’è una finestra di massima efficienza e se trovi un modo per lavorarvi più a lungo, si applicano le stesse filosofie di controllo”.

Motore elettrico pulsante: molto più di una mappatura

Il risultato risulta quindi essere una nuova mappa del motore, dove l’efficienza a bassi carichi risulta essere migliore rispetto a quella raggiungibile con un controllo tradizionale, mentre questa rimane inalterata nella parte alta. Il controllo ad impulsi del motore elettrico pulsante causa maggiori perdite energetiche associate al flusso di corrente attraverso gli elementi in rame, queste risultano essere compensate una riduzione delle perdite sia nell’armatura che nell’inverter. Per questo motivo, i vantaggi del Dynamic Motor Drive risultano essere maggiori sui motori elettrici a eccitazione esterna rispetto a quelli convenzionali a magneti. 

I dati raccolti sottolineano come per i motori a magneti permanenti il guadagno complessivo d’efficienza di un veicolo a batteria sul ciclo WLTP risulti essere inferiore allo 0.5%, con un risparmio per i costi di produzione bassissimi, circa 50 euro, calcolati per un’auto in grado di avere 400 km d’autonomia. Nel senso opposto un motore ad eccitazione esterna denota il 19% delle perdite energetiche inferiori rispetto al ciclo WLTP, con un guadagno, in termini d’efficenza, pari al 2%. Parlando, invece, del ciclo americano MTC i vantaggi del Dynamic Motor Drive risultano essere maggiori per l’86% del tempo, registrando il 25% di perdite in meno dal motore, il +3.2% d’efficienza complessiva con un risparmio sui costi di produzione del veicolo.

Secondo quanto comunicato da Dailey, questa tecnologia porterebbe ad una maggior diffusione sul mercato dei motori a eccitazione esterna, cambiando le architetture a magneti permanenti con un risparmio di terre rare e costi. Teoricamente il controllo pulsante di un motore a eccitazione esterna farebbe aumentare l’efficienza di ben il 4.3% sul ciclo MTC americano, il tutto però viene leggermente incrinato dalle vibrazioni presenti.

Motore elettrico pulsante: positivi i primi test su una Bolt

Alcuni ingegneri hanno potuto provare un prototipo di motore elettrico pulsante montato su una Chevrolet Bolt, comunicando pareri positivi e pieni d’interesse. Le pulsazioni del motore risultano essere impercettibili dall’abitacolo. Mark Wilcutts, direttore di DMD Systems, ha raccontato il duro lavoro dietro a questo risultato sul motore elettrico pulsante: “Abbiamo cominciato con il trovare il problema più grande e abbiamo pensato a come scrivere un algoritmo e a come farne la calibrazione. Così la situazione è migliorata, ma a quel punto abbiamo notato altri tre o quattro problemi che ci erano sfuggiti e abbiamo dovuto scrivere altri algoritmi per correggerli. Essenzialmente, questo è quello che abbiamo fatto negli ultimi sei mesi”.

Per ora, Tula Technologies lavora con un OEM di mezzi pesanti per lo sviluppo commerciale del sistema, ma risultano essere molti i terreni d’interesse, compreso quello delle macchine agricole.