Alleggerimento dei veicoli elettrici

I veicoli elettrici a batteria (BEV) sono il futuro delle autovetture, ma c’è ancora una questione aperta su quanto sarà necessario implementare processi di alleggerimento.

L’analisi di Anthony Schiavo e Chris Robinson di Lux Research rileva che, affinché l’alleggerimento sia un modo economico per aumentare l’autonomia rispetto all’aumento delle dimensioni del pacco batteria, deve costare meno di circa 5 dollari per chilogrammo rimosso.

Tuttavia, l’alleggerimento non è necessario affinché i BEV abbiano una autonomia sufficiente: per essere implementato bisogna risparmiare sui costi e sul peso.

Questa analisi comporta che ci saranno solo modeste modifiche ai materiali utilizzati nei veicoli nel prossimo decennio. I clienti devono quindi aspettarsi un’attenzione ridotta sull’alleggerimento generale e invece una maggiore concentrazione sull’integrazione di nuovi materiali con le esigenze di progettazione dei BEV.

L’alleggerimento dei veicoli BEV e degli ICE: le differenze

In passato, l’alleggerimento è stato uno strumento chiave per migliorare il risparmio di carburante dei veicoli con motore a combustione interna (ICE). Tuttavia, il passaggio dagli ICE ai BEV cambia sia gli obiettivi che le considerazioni di progettazione in fatto di alleggerimento. Le modifiche principali includono:

• Autonomia: i BEV sono decisamente più efficienti dei veicoli ICE grazie alla frenata rigenerativa e ai motori più performanti. La principale debolezza dei BEV è l’autonomia; la maggior parte delle BEV di prezzo medio ha un’autonomia limitata compresa fra i 200 e i 400 km. Gran parte della spinta verso l’alleggerimento dei BEV deriva dal desiderio di estendere l’autonomia.
• Progettazione di piattaforme: le BEV sono sempre più progettate attorno a telai mobili o piattaforme condivise che contengono le batterie, i sistemi di trasmissione e in alcuni casi gli elementi strutturali delle auto. Le decisioni in merito all’alleggerimento di questi elementi, come i pacchi batteria, avranno un impatto importante su tutti i BEV prodotti da un OEM, aumentando l’importanza della collaborazione su questi progetti di piattaforma.
• Distribuzione di massa: i BEV hanno prevalentemente posizionato le batterie in un contenitore basso e piatto sul pavimento del veicolo. Questa massa, combinata con la rimozione dell’ICE, significa che i BEV hanno naturalmente un baricentro molto basso e la massa è distribuita in modo molto più uniforme sulla parte anteriore e posteriore. Queste condizioni sono molto favorevoli per uno stretto controllo, consentendo anche a BEV di prezzo medio come il Model 3 un’ottima guidabilità. La conseguenza, tuttavia, è che l’alleggerimento finalizzato alle prestazioni è molto meno necessario.

Le relazioni tra massa del veicolo, dimensioni della batteria e autonomia

Sono stati raccolti dati su 64 modelli del 2019 di BEV per costruire un set di dati sull’autonomia e sulle prestazioni dei BEV. Li abbiamo separati in due categorie: berline, che include anche le “compatte” e le city car, e SUV, che include anche furgoni e veicoli commerciali. È stata quindi confrontata l’autonomia dei veicoli con il rapporto tra massa totale e le dimensioni del pacco batteria. Questi dati sono presentati nella tabella, con ogni punto che rappresenta un veicolo specifico.

Presi nell’insieme, questi dati suggeriscono che all’aumentare delle dimensioni del pacco batterie dei veicoli e alla diminuzione della massa del veicolo, l’autonomia aumenta: un risultato atteso. I dati sono stati utilizzati per calcolare l’impatto che un aumento delle dimensioni della batteria o una diminuzione del peso del veicolo avrebbero sull’autonomia di un BEV generalmente inteso. Queste informazioni sono poi state utilizzate come base per la previsione del futuro BEV.

Il benchmark sull’alleggerimento

Per ogni BEV, sono stati rappresentati due scenari: ottimizzazione per accrescere l’autonomia oppure ottimizzazione per costi. Per ogni scenario, è stato calcolato il costo dell’aggiunta di 1 km di autonomia tramite una maggiore dimensione della batteria rispetto alla quantità di riduzione del peso necessaria per aumentare l’autonomia di 1 km. Confrontando il costo dell’aumento dell’autonomia ottenuta con le batterie alla riduzione di peso necessaria per effettuare la stessa modifica, abbiamo calcolato un benchmark di alleggerimento.

L’alleggerimento deve costare meno di questo parametro per essere un modo efficace per aumentare l’autonomia, altrimenti sarebbe più conveniente aumentare semplicemente le dimensioni della batteria. Sebbene ci siano alcune variazioni possibili, il costo dell’alleggerimento nel 2030 dovrà essere inferiore a $ 5 per chilogrammo risparmiato in media.

Le opportunità per acciaio e alluminio

I BEV hanno un’architettura fondamentalmente diversa rispetto ai veicoli con motore a combustione, con grandi pacchi batteria come caratteristica dominante piuttosto che un grande vano motore. La necessità di installare un pacco batteria grande e pesante nella parte inferiore del veicolo e il desiderio di utilizzare una piattaforma per più veicoli determineranno l’industria automobilistica a una disposizione “carrozzeria su telaio” per i veicoli elettrici.

Questa struttura body-on-frame privilegia gli acciai e l’alluminio ad alta resistenza come elementi strutturali primari; poiché il peso extra di questi metalli (rispetto ai compositi) sarà principalmente nella parte inferiore del veicolo, dove avrà un impatto minimo sulle prestazioni. Inoltre, esiste una vasta esperienza nella costruzione di telai ad alta resistenza nel campo degli autotrasporti, rendendo questo approccio altamente conveniente.

• Caso di studio: Volkswagen MEB

Il MEB di Volkswagen, un’architettura del pacco batterie condivisa che prevede di utilizzare per la sua flotta BEV, non prevede necessariamente alcun materiale strutturale specifico. Tuttavia, le scelte progettuali effettuate nel MEB imposteranno la filosofia dei progetti strutturali di Volkswagen per il prossimo decennio e si allineeranno fortemente con l’uso continuato di sistemi metallici. I suoi clienti dovranno comprendere i presupposti di progettazione utilizzati nelle piattaforme per costruire attorno a tali specifiche.

I sedili in materiale composito

I sedili sono componenti multimateriali complessi, che li rendono un ottimo candidato per l’alleggerimento mediante materiali compositi. La capacità dei compositi di irrobustire i componenti è particolarmente importante in questo caso, poiché può portare sia a costi di produzione ridotti sia a un assemblaggio più semplice delle parti. Sebbene i telai strutturali siano forse i più adatti per l’alleggerimento, ci sono anche opportunità nelle schiume: non bisogna aspettarsi una svolta, ma aumenti incrementali nelle prestazioni delle schiume da parte di player come Adient aiuteranno a ridurre il peso.

Le sedute trarranno vantaggio anche dai materiali a base biologica, non solo dai compositi, ma potenzialmente da materiali avanzati come la pelle a base biologica e nuovi tessuti.

• Caso di studio: scocche dei sedili in composito Faurecia

Le scocche, progettate in collaborazione con Lanxess, utilizzano il composito poliimmide/CF per abbattere oltre il 45% della massa di un componente in acciaio. Questi materiali sono costosi – non è un caso che siano stati adottati sull’Audi A8 – ma l’approccio progettuale, che include molteplici funzionalità integrate e componenti consolidati, è applicabile a tutte le fasce di prezzo.

Le prospettive

Attualmente in un veicolo di moderna concezione i materiali polimerici, con una media di circa 230 chilogrammi di polimero per autovettura, rappresentano all’incirca il 12% in peso dei materiali usati. Poco più del 50% della plastica utilizzata nell’auto è per parti interne del veicolo: un altro 20% circa per parti esterne, un altro 15% circa per componenti sotto – cofano, e il restante 10 – 15% per parti elettriche e illuminazione. A sostenere la crescita della domanda hanno contribuito diversi fattori. In primo luogo, le caratteristiche stesse della plastica, in particolare la leggerezza dei componenti in plastica, che consente una serie di vantaggi: si stima che a tutt’oggi un’auto di nuova produzione peserebbe all’incirca 270 – 320 kg in più se non si usasse la plastica.

BEV e ICE a confronto

I BEV non richiedono un alleggerimento maggiore degli ICE. Nonostante il problema dell’autonomia, i progressi nella tecnologia delle batterie e l’uso della frenata rigenerativa limiteranno la necessità di alleggerimento.

Batterie e materiali

La tecnologia delle batterie ha molte più potenzialità della tecnologia dei materiali. Obiettivi ambiziosi di gruppi come Tesla mostrano che le batterie potrebbero finire per costare sostanzialmente meno delle nostre previsioni. L’imperativo per l’innovazione dei materiali per risparmiare sui costi è fondamentale dato il livello di opportunità di riduzione dei costi delle batterie.

Il software

Il software e gli strumenti di produzione saranno aree cruciali per gli investimenti. I progressi nella progettazione sono fondamentali e entro il 2030 domineranno tecniche come il generative design e la simulazione avanzata. Le aziende di materiali devono fare attività di software per rimanere rilevanti.