Bosch Rexroth e l’elettrificazione delle macchine off-highway

Elettrificare una macchina nel settore off-highway non è semplice come si potrebbe pensare: non basta sostituire il motore diesel con uno elettrico, ma bisogna adeguare tutta la componentistica affinché il risultato sia efficiente, poco inquinante e sicuro: proprio per questo è nato il portafoglio completo eLion di Bosch Rexroth, di cui l’azienda ha illustrato i prodotti e i vantaggi in un recente webinar.

A fare gli onori di casa è Ugo Paternuosto, Head of sales product management and application di Bosch Rexroth: “Negli ultimi anni abbiamo assistito a una fortissima spinta tecnologica nel settore off-highway e recentemente Bosch Rexroth ha mostrato una grande attenzione ai temi della sostenibilità e in generale ai temi legati alle persone. Questa però non è una novità: negli anni passati abbiamo lavorato moltissimo, ad esempio, sulla digitalizzazione delle trasmissioni idrostatiche e della parte implementdi lavoro delle macchine, affinché potessero diventare sempre più efficienti, meno inquinanti e soprattutto più sicure. Oggi però con l’elettrificazione assistiamo a un passo decisivo verso i temi della sostenibilità e della riduzione delle emissioni locali e infatti stimiamo che nei prossimi anni in generale tutti i temi legati all’automazione dei veicoli diventeranno ordinari. Entrando ora nello specifico nel tema di oggi, che cosa significa elettrificare una macchina mobile? Esistono un’infinità di combinazioni: diesel-electric, con batteria, senza batteria, full electric, attuazioni in cui viene richiesta un’applicazione di motore ruota, o motore su assale, o motore con gearbox… ne abbiamo contate circa una ventina. Quali sono dunque le sfide nell’andare a sviluppare un portafoglio di prodotti dedicato al mondo dell’off-highway?”

Federico Perelli, Head of eLion team: “Il mercato dell’off-highway è estremamente ampio, vario e diversificato. Pensiamo ad esempio ai requisiti richiesti per un trattore, oppure a quelli – diametralmente opposti – necessari per una macchina spazzatrice stradale o una sposta container. Sappiamo che ognuna di queste macchine è già disponibile nel mercato in varie dimensioni e classi di potenza. Elettrificare non significa semplicemente scegliere un motore elettrico, ma vuol dire elettrificare le varie funzioni delle macchine, ad esempio la parte di trazione (motore elettrico + riduttore) o la funzione di lavoro (motore elettrico + pompa). La seconda sfida è il cliente stesso: bisogna identificare quello che dovrà essere il vero e proprio dna della macchina. Quando si parla di elettrico spesso si pensa subito a macchina con batteria (ad esempio, l’automobile con batteria), ma il mercato dell’off-highway in realtà è molto ampio e proprio per questo è nato il portafoglio elettrico di Bosch Rexroth chiamato eLion”.

Alessio D’Ingianna, Sales Product Manager eLion: “Il portafoglio eLion è ampio e completo, proprio per coprire l’intero processo di elettrificazione, a partire dalla famiglia di motori-generatori: lo stesso prodotto può infatti lavorare sia come motore elettrico, fornendo potenza meccanica, sia come generatore elettrico, fornendo quindi energia elettrica. Per gestire e controllare i motori elettrici servono degli inverter, ovviamente disponibili (come i motori) in diverse taglie e con diverse potenze per raggiungere i diversi requirement che arrivano dai nostri clienti. Abbiamo anche aggiornato i nostri riduttori per poter supportare e sopportare l’alta velocità di rotazione dei motori elettrici, fino ai 12.000 giri al minuto. Non dimentichiamo però che per realizzare un sistema elettrico completo sono fondamentali anche altri componenti: nel caso di componenti di macchine a batteria, caricabatterie di bordo, convertitori di tensione e tutti i cavi sia di potenza sia di segnale per connettere i prodotti tra di Ioro. I pilastri su cui tutto il portafoglio eLion è stato sviluppato in tre: robusto (siamo nel campo dell’off-highway, quindi immaginiamo delle macchine che lavorano nel fango oppure fino a 4000 m di altitudine senza nessun tipo di derating), scalabile in diverse taglie e diverse dimensioni per facilitare l’installazione dei componenti in macchina ma anche per non incorrere nel rischio di sovradimensionamento o sottodimensionamento, e infine sicuro dal punto di vista elettrico ma anche funzionale”.

Ma cosa vuol dire scalabilità per i motori elettrici? A rispondere a questa domanda è sempre Alessio D’Ingianna.

“Lo possiamo vedere nel dettaglio prendendo ad esempio i nostri motori elettrici EMS1. La tecnologia sulla quale si basano è quella dei motori sincroni a magneti permanenti interni che sfruttano il principio di riluttanza, una tecnologia che ci permette di avere un’alta efficienza energetica (fino al 97%) e poi ci permette anche di scalare questi motori in diverse taglie e in diverse lunghezze. Abbiamo la possibilità di configurare fino a 80 varianti di motori elettrici semplicemente modificando il diametro (abbiamo a disposizione 4 diversi diametri), la lunghezza (anche questa disponibile in 4 taglie). Queste caratteristiche influenzano la coppia dei motori elettrici, dopodiché è possibile anche andare a modificare gli avvolgimenti interni al motore cambiando la velocità nominale. Abbiamo dunque la possibilità di avere un ampio campo di sovralimentazione e un ampio campo di sovravelocità e quindi siamo in grado di realizzare una soluzione su misura, sulla base della richiesta di coppia o di velocità che all’atto pratico è la richiesta di potenza, potenze che nel nostro caso vanno dagli 11 fino ai 229 kW di potenza nominale fino a raggiungere una potenza di picco di 530 kW. La potenza però chiaramente ha bisogno di controllo e un altro esempio di scalabilità è proprio quello riguardante i nostri inverter EDS1.

In questo caso abbiamo tre taglie di inverter e la descrizione esprime la massima corrente erogabile da questi prodotti per un tempo intermittente, quindi 200, 400 e 600A. Per quanto riguarda gli input e gli output abbiamo scelto il protocollo di comunicazione CAN J1939, che è molto comune nel mercato, e il firmware a bordo dei nostri inverter deriva dall’esperienza che abbiamo maturato nell’ambito industriale. È proprio questo firmware che ci permette di introdurre il discorso della sicurezza funzionale, perché grazie ad esso introducendo gli inverter eLion all’interno di un sistema elettrico è possibile sviluppare delle safety function fino al Performance Level D. A proposito di sistema, approfondiamo anche i prodotti che sono fondamentali per supportare i clienti che hanno la necessità di sviluppare un sistema elettrico completo. Partiamo appunto dai veicoli a batterie ad alta tensione: questi chiaramente hanno la necessità di essere ricaricati o durante la notte oppure durante le pause di lavoro ed è questo il compito dell’EOBC. Tuttavia le reti elettriche non sono uguali in tutto il mondo e per questo motivo il componente ha due versioni, una monofase e una trifase. Inoltre è in grado di gestire sia la ricarica in corrente alternata sia quella in corrente continua, quella che ad esempio è disponibile alle colonnine di ricarica di ultima generazione. Tornando all’esempio di un veicolo a batteria, nel momento in cui nella macchina viene a mancare il motore termico, viene a mancare anche l’’alternatore che fornisce la bassa tensione alla componentistica elettronica. Questa è una delle funzioni che il convertitore EDCC può svolgere: prendere l’energia dalla batteria ad alta tensione presente in macchina e fornirla alla batteria di bassa tensione. Possiamo anche realizzare l’operazione inversa. Abbiamo due versioni di questo componente, a 12 e a 24 volt, ed entrambi possono essere utilizzati fino a quattro in parallelo se la richiesta di potenza dovesse essere superiore a quella fornibile da un singolo componente”.

Interviene a questo punto Ugo Paternuosto: “Hai menzionato più volte la parola sistema, un aspetto che esattamente caratterizza la nostra azienda. È nel nostro dna non limitarci alla fornitura del singolo prodotto ma siamo sempre disponibili a supportare i nostri clienti nella realizzazione del sistema, ovvero nell’integrazione dei nostri componenti all’interno della macchina per la realizzazione delle funzioni richieste”. 

Risponde Federico Perelli: “Questa secondo me è la parte più interessante di questo viaggio verso l’elettrificazione: supportare i nostri clienti per capire fino nel dettaglio per identificare quella che deve essere poi la prestazione su macchina. Vogliamo portarvi due esempi oggi, uno per la trazione e uno per la funzione di lavoro, e chiederei a Livia di aiutarci a capire come supportiamo i nostri clienti nell’identificare il kit macchina per adeguato per rispondere alla loro esigenza”.

A questo punto interviene l’ingegnere di sistema Livia Casaccia, System Development eLion: “La primissima cosa che facciamo quando dobbiamo configurare il dimensionamento di una trazione elettrica è aprire il dialogo con il cliente per capire quali siano le sue necessità e come debba lavorare la macchina. Di solito chiediamo se esiste già una versione idraulica a cui fare riferimento. Una volta noti tutti i dati che ci servono, tra cui la massima forza di trazione richiesta allo spunto e la massima velocità che il veicolo deve raggiungere, inseriamo questi dati nel nostro programma eFADI che ci permette di visualizzarne un primo dimensionamento. Ciò che per noi fa la differenza è proprio conoscere l’applicazione e questo perché in questo modo sappiamo dove posizionare il picco delle prestazioni”.

Ugo Paternuosto: “Le trasmissioni sono la punta di diamante della nostra azienda e devo dire che l’eFADI mi piace tantissimo perché, soprattutto per tutti coloro che hanno già dimestichezza col nostro tradizionale FADI idraulico, dà un’immagine precisa immediata di come si sovrappongono le prestazioni nell’andare a fare il dimensionamento di una macchina elettrificata. Per quanto riguarda invece l’implement, la parte del lavoro della macchina, la mancanza di un motore diesel potrà essere causa di una maggiore complessità. Come supportiamo i nostri clienti in questo caso?”

Livia Casaccia: “Ci viene sicuramente in aiuto la nostra profonda conoscenza dei sistemi idraulici, infatti unendo quello che è il mondo degli azionamenti elettrici con il mondo dell’idraulica riusciamo a realizzare dei sistemi ancora più performanti e ancora più efficienti. Cerchiamo di analizzare passo passo questa complessità a cui facevi riferimento poco fa: un primo passo lo possiamo fare prendendo i dati di base della pompa idraulica per essere in grado di effettuare un primo dimensionamento del motore elettrico. Successivamente, quando possibile e se è noto il ciclo di lavoro, possiamo ottimizzare la scelta del motore elettrico. Conoscere il ciclo di lavoro ci permette innanzitutto di effettuare un calcolo del valore efficace della coppia, un primo indicatore che funge da sintesi del ciclo di lavoro che ci fa capire se siamo o meno sulla buona strada nel nostro dimensionamento. Inoltre siamo in grado di effettuare delle simulazioni termiche che ci permettono di ottimizzare ulteriormente la situazione. Se vogliamo lavorare sul sistema nel suo complesso, dobbiamo tornare all’idraulica e variare la scelta della pompa idraulica a cui bisogna accoppiare il motore elettrico. Quindi ad esempio possiamo ridurre la cilindrata della pompa idraulica aumentandone la velocità di rotazione in modo da mantenere le stesse performance richieste in termini di portata e pressione, ottenendo quindi una riduzione degli ingombri sia del motore elettrico che della pompa idraulica, con due grandi vantaggi: una riduzione dell’ingombro in macchina e una riduzione dei costi”.

Interviene Federico Perelli: “Qualcuno diceva la potenza è nulla senza il controllo ed è proprio vero: con il nostro nuovo pacchetto software chiamato eLion Syntronix possiamo implementare delle nuove logiche di controllo sfruttando questo parametro, questo grado di libertà aggiuntivo che è la velocità del motore e l’accoppiamento con una pompa che può essere fissa o anche variabile. Ciò significa che si possono introdurre logiche come la limitazione del sovraccarico del motore elettrico per poi introdurre logiche automatiche di limitazione delle performance per evitare di incappare nel surriscaldamento. Grazie a questo software possiamo guardare al sistema con un unico software ottimizzando in automatico l’efficienza e minimizzando anche l’emissione acustica, un tema molto caro a quelli che sono i veicoli elettrici. Infine possiamo modificare secondo le necessità dell’operatore quella che è la dinamica, la reattività del sistema stesso”.