In conversazione: Jim Edwards

Cambiare le scale dei motori

Jim Edwards, ingegnere capo di Helix, sta utilizzando la tecnologia delle competizioni automobilistiche per ridurre le dimensioni e il peso necessari per l’elettrificazione. Will Gray approfondisce l’argomento

Nel mondo dell’elettrificazione, la tecnologia delle batterie è spesso considerata il settore con le maggiori opportunità di sviluppo. I miglioramenti registrati negli ultimi decenni sono evidenti, con l’aumento progressivo dell’autonomia delle auto elettriche – ma Jim Edwards ritiene che anche la tecnologia dei motori abbia un ruolo altrettanto importante, soprattutto nei settori ad alte prestazioni e per applicazioni pesanti. Ora, dopo una carriera che si è gradualmente orientata verso l’elettrificazione, alcuni dei suoi più grandi successi potrebbero essere alle porte.

Nella fase iniziale della sua carriera l’elettrificazione era ben lontana dall’essere di massa, ma Edwards aveva fin da subito un forte interesse per l’ambiente. Nel 1994, quando ottenne il suo primo lavoro presso Ford, analizzò i cicli di guida al fine di ridurre al minimo le emissioni nei veicoli dotati di motori turbo-diesel Escort e Mondeo. Successivamente, trasferitosi presso il Milbrook Proving Ground, lavorò all’ottimizzazione di una gamma di 20 veicoli a doppio carburante, alimentati a GPL e GNC, per Vauxhall; in seguito contribuì allo sviluppo del primo autobus ibrido per Londra (Regno Unito), compiendo i primi passi nel settore dei veicoli elettrici.

Quel progetto è iniziato nel 2003, quando l’attenzione della città è passata dalla riduzione delle emissioni di NOx a quella delle emissioni di CO2. Il cliente aveva inizialmente sviluppato un autobus a turbina a gas – eccellente per raggiungere il primo obiettivo, ma meno efficace per il secondo. Di conseguenza, in risposta a questo cambiamento di priorità, si è rivolto a Edwards e ai suoi colleghi con un progetto già pronto per un veicolo elettrico alimentato da batterie estese, incaricandoli di ottimizzarne il funzionamento.

“Ho partecipato alla calibrazione del sistema ibrido, analizzando l’architettura del bus e il ciclo di funzionamento, nonché individuando i punti in cui potevamo migliorarne il funzionamento per ottimizzarlo nelle applicazioni reali,” spiega. “Abbiamo creato un modello del ciclo di funzionamento dei bus della London Transport e, utilizzando l’inerzia e la resistenza del veicolo, siamo riusciti a prevedere i requisiti di potenza del motore e a capire come gestire al meglio il sistema motore-batteria: rigenerando energia, senza caricare completamente le batterie per poter utilizzare questa energia in discesa, e assicurandoci che il motore si spegnesse il più spesso possibile per ridurre al minimo le emissioni in folle. Si trattava di un sistema senza precedenti e siamo riusciti a ottenere emissioni di CO2 del 30% inferiori rispetto al valore di riferimento per un bus equivalente per passeggero.”

Sviluppo dell’idrogeno

Il progetto successivo di Edwards presso Millbrook riguardava un altro autobus, ma questa volta dotato di celle a combustibile ad idrogeno. Il suo lavoro consisteva nell’installare l’infrastruttura necessaria per il rifornimento di idrogeno e nel far funzionare l’autobus nella Camera di Emissioni a Temperatura Variabile (VTEC). Edwards ricorda: “La camera disponeva di una strada mobile e di un grande sistema di recircolazione dell’aria, ed era in grado di accogliere fino a tre autobus a due piani, farli funzionare tra -40 e +50 gradi. Sull’auto avevamo diversi serbatoi di idrogeno lunghi 3 metri sul tetto, e sapevamo che se uno dei valvole di sfogo della pressione si fosse aperto in uno spazio chiuso come la VTEC, le conseguenze sarebbero state molto gravi. Perciò abbiamo installato molti sensori di idrogeno e ci siamo assicurati che tutto fosse collegato al sistema di estrazione. Le probabilità erano minime, ma non si poteva correre quel rischio.”

Quell’esperienza con l’idrogeno portò Edwards da Intelligent Energy, che all’epoca era impegnata in una vasta gamma di sviluppi nel settore delle celle a combustibile, dal montaggio di stack a celle a combustibile raffreddati ad aria su scooter Suzuki alla produzione di un piccolissimo caricabatterie per cellulare alimentato da idrogeno da 5 W. “Quel caricabatterie era un dispositivo davvero interessante”, ricorda Edwards. “Purtroppo, però, non ebbe successo”. Data la sua esperienza nel settore automobilistico, Edwards concentrò i suoi sforzi sullo sviluppo di sistemi a celle a combustibile per automobili private.

“Avevamo 100 kW, due stack a celle a combustibile, raffreddati per evaporazione tramite una tecnologia proprietaria,” spiega. “Il sistema introduceva acqua liquida sotto forma di nebbia fine, che evaporava assorbendo il calore e rilasciando i gas di scarico. Questo approccio garantiva un notevole vantaggio in termini di densità di potenza; abbiamo installato tale sistema su un veicolo prodotto da un importante costruttore automobilistico europeo. Più o meno nello stesso periodo, abbiamo gestito anche una flotta di cinque taxi a idrogeno per le Olimpiadi del 2012 a Londra, utilizzati per trasportare i VIP nel villaggio olimpico.”

Dal momento in poi l’azienda ha avuto successo nei sistemi a raffreddamento ad aria per droni, e Edwards vede ancora un notevole potenziale nell’uso dell’idrogeno all’interno del mix energetico automobilistico. “Attualmente non c’è abbastanza carburante in eccesso per renderlo davvero economico, e le pile a combustibile richiedono metalli preziosi, quindi tendono ad essere costose. Ma nei luoghi in cui c’è una grande produzione di energia rinnovabile, che deve essere immagazzinata in qualche modo, l’idrogeno è un ottimo strumento per farlo”, afferma. “Quindi penso che entrerà in nicchie in cui funziona bene: flotte interne, camion articolati, treni; in qualsiasi contesto in cui esista un ciclo di utilizzo definito e si possa installare l’infrastruttura adeguata. In questi casi rappresenta una soluzione eccellente per ridurre le emissioni di carbonio a zero.”

Passaggio all’elettrico

La carriera di Edwards è proseguita nel settore delle auto a batteria elettrica quando, nel 2015, è entrato a far parte dell’attuale datore di lavoro Helix. Ha assunto il ruolo di ingegnere capo, con responsabilità molto ampie che includevano il rapporto con i clienti, il coordinamento tecnico, l’analisi dei cicli di funzionamento e la gestione di un team multidisciplinare composto da progettisti di elettronica, elettricità e meccanica, scienziati e tecnici di officina. “Era un ruolo adatto ai generalisti”, dice, spiegando come sia riuscito a raggiungere tale posizione nonostante una scarsa esperienza nelle tecnologie delle auto a batteria elettrica.

Il suo primo incarico di gestione riguardava lo sviluppo di un piccolo e-booster, ovvero un sovralimentatore elettrico. “Di solito questi dispositivi prevedono un motore elettrico collegato a un compressore turbo, con una velocità di rotazione di circa 100.000 giri al minuto”, spiega. “La difficoltà sta nel fatto che, in un’auto per passeggeri, sono necessari fino a 10 kW

Per azionarlo sorgono due problemi: il motore si surriscalda poiché è difficile eliminare le perdite di energia, e se non si surriscalda, la batteria si scarica perché non ha la capacità di soddisfare tale richiesta per più di 5 o 10 minuti.

“Per superare questo problema, abbiamo fatto una cosa molto intelligente. Abbiamo progettato un generatore di avviamento, in modo da poter azionare e produrre elettricità tramite il sistema di alimentazione degli accessori anteriori. Successivamente abbiamo progettato il motore che aziona l’albero del compressore, integrandovi un ingranaggio epiciclico e collegando l’altro elemento all’albero a puleggia del sistema di alimentazione degli accessori anteriori; in questo modo il motore doveva svolgere solo una parte del lavoro, poiché l’altra energia veniva fornita direttamente dal sistema di alimentazione degli accessori anteriori. Di conseguenza, il motore svolge meno lavoro.

“Un altro aspetto importante è che, poiché c’è anche il generatore lì, si può produrre elettricità localmente e inviarla direttamente all’albero motore dall’altro lato, quindi non è necessario trasferirla in un pacco batterie. È possibile generarla in tempo reale e spegnere il compressore modificandone la velocità, visto che fa parte di un cambio epiciclico. Era una soluzione eccellente e abbiamo collaborato con Magna Power per portarla su larga scala – ma è diventata realtà solo quando l’industria automobilistica ha deciso di non voler più motori a combustione interna!”

La fine del progetto e-booster portò inevitabilmente Edwards verso progetti esclusivamente a batteria, il primo dei quali consisteva nella fornitura di motori per una serie di gare elettriche – sebbene non possa ancora rivelarne il nome. Utilizzando un design già esistente che aveva superato la fase di progettazione, Edwards fu incaricato di gestire la produzione e la consegna. Una volta completato questo lavoro, passò a uno dei suoi prodotti più importanti: l’Aston Martin Valkyrie. Progettato da Adrian Newey mentre lavorava ancora alla Red Bull, questo hypercar dotato di un motore V12 da 1000 cavalli era stato creato per imitare il più possibile le prestazioni di una vettura F1 – ma senza Edwards, letteralmente non sarebbe mai stato realizzato.

“Ho progettato il motore che si trova tra il cambio e la frizione e che avvia il motore,” spiega. “Fornisce anche la funzione di superamento a impulso; è un generatore, un alternatore; permette l’uso della retromarcia – poiché il cambio principale del motore non ne è dotato – e, essendo un cambio a taglio diretto, assicura una corretta sincronizzazione delle velocità tra le marce. Consente inoltre all’auto di funzionare a bassa velocità – fino a circa 12 km/h – soltanto con energia elettrica.”

Il motore pesava soltanto 20 kg, ma aveva una potenza di 120 kW e rimase montato all’estremità del V12 per tutta la sua vita utile. Per un’hypercar, era davvero una soluzione eccellente!”

Il settore automobilistico rappresentava una parte fondamentale del lavoro di Helix in quel periodo, ma col tempo la base di clienti è evoluta, passando da un focus iniziale sulle competizioni motoristiche e sulla F1 a un ambito molto più ampio che comprende ogni cosa, dalle applicazioni difensive a quelle navali. Infatti, l’automotive ha perso importanza dopo il progetto Valkyrie, con sempre più produttori che sviluppano autonomamente veicoli elettrici, ma Helix rimane altrettanto impegnata, applicando quella mentalità all’avanguardia derivante dal mondo delle competizioni motoristiche a molti settori diversi. Edwards è diventato ingegnere capo ed è ispirato dall’accelerazione tecnologica resa possibile dal background dell’azienda.

“Poiché ci troviamo nel cuore del triangolo dello sport motoristico e della F1, abbiamo accesso a tutti questi produttori dotati di straordinarie capacità di lavorazione meccanica e della possibilità di esplorare soluzioni innovative che nessun altro sarebbe in grado di realizzare”, spiega. “Nel nostro team ci sono anche molte persone con esperienza nello sport motoristico – c’è un flusso costante di scambio tra noi e le squadre della F1 – quindi la nostra natura fondamentale è legata all’ambito delle prestazioni elevate, e credo che questo sia il nostro principale fattore di differenziazione.”

“C’è stata davvero una forte spinta a accelerare lo sviluppo tecnologico attraverso lo sport motoristico, per poi trasferirla ai motori più tradizionali. Il primo motore che abbiamo realizzato per le competizioni all’inizio della mia carriera, ad esempio, produceva circa 100 kW in modalità continua. Ma già dopo due anni, integrando alcune tecnologie provenienti dallo sport motoristico, abbiamo ottenuto un motore in dimensioni simili in grado di erogare 200 kW in modalità continua. Oggi, nello stesso spazio dimensionale, riusciamo a ottenere 400 kW in modalità continua. Quindi, questa tecnologia ha fatto passi da gigante in un mercato che molti considerano statico.”

Piccolo e leggero

Gli obiettivi principali di prestazione di Edwards sono esattamente gli stessi in ogni progetto: ridurre le dimensioni e il peso, i due fattori fondamentali a cui viene data la massima priorità nel motorsport. “La nostra esperienza proviene da progetti in cui la dimensione e la massa sono critiche, quindi questa filosofia è stata integrata nei nostri motori”, continua. “Passare a applicazioni come i treni consiste semplicemente nel ridurre le temperature massime desiderate, per prolungare la vita utile di alcuni materiali isolanti; così si ottiene un motore che è dieci o venti volte più piccolo di un motore tradizionale per treni.”

I progetti veramente “senza limiti” realizzati presso Helix rientrano nell’ambito della sua “X Division” sperimentale, il cui lavoro Edwards descrive come “la ricerca dell’arte del possibile”. Questo approccio si riflette poi nelle tecnologie di base utilizzate nei settori marittimo, off-road, difensivo e aeronautico, portando alla creazione di motori più piccoli e potenti rispetto a quelli precedenti. Di conseguenza, Edwards e i suoi colleghi mirano a dare maggiore importanza allo sviluppo dei motori, in un settore che troppo spesso si concentra esclusivamente sulle nuove tecnologie batteriche come unica reale opportunità di progresso.

“Se lo si considera dal punto di vista dell’efficienza, tutto dipende dalle dimensioni e dalla massa,” conclude. “Se si utilizza lo spazio per i motori, non si può utilizzarlo per le batterie o il carico utile – e questo vale per ogni settore. Ovunque le dimensioni e il peso siano limitati, possiamo offrire una soluzione migliore.”

“Questo è particolarmente rilevante per i progetti navali, che sono un po’ insoliti. Nelle auto c’è un ottimo rapporto tra potenza e peso, e quando le persone premono sull’acceleratore vogliono accelerare subito. Nelle imbarcazioni, invece, l’accelerazione è relativamente lenta a causa della forte resistenza dovuta alla viscosità dell’acqua. Quindi, mentre in un’auto si può tenere l’acceleratore premuto per 10 secondi per poi ridurlo al 10%, in mare si va a pieno carico e si può rimanere così per ore intere.”

“Si tratta di un ciclo di funzionamento completamente diverso che richiede una configurazione leggermente differente, quindi esistono molte opportunità di ottimizzazione in questo ambito. Abbiamo lavorato su E1 Racing e Magic Carpet E, una straordinaria imbarcazione da regata in fibra di carbonio che abbiamo completamente elettrificata per eliminare l’uso di un generatore durante le gare. Forniamo soluzioni ai produttori di motori esterni, a quelli di propulsori posteriori, ai catamarani e ad almeno tre applicazioni difensive per operazioni marine.

“Lo stesso vale per numerose altre applicazioni in cui è presente un sistema convenzionale e i clienti desiderano migliorare le prestazioni o ottenere un funzionamento più silenzioso. Questo favorisce senz’altro l’elettrificazione, ma spesso non c’è abbastanza spazio per installare l’equipaggiamento aggiuntivo. Pertanto, forniamo queste soluzioni ai clienti che ne hanno bisogno – e questo è estremamente importante al momento.”

“Abbiamo realizzato diversi prototipi di componenti per veicoli minerari, ad esempio, dove l’elettrificazione porta a benefici indiretti di cui spesso non ci si rende conto – come la riduzione dell’energia necessaria per far passare l’aria nella miniera e la eliminazione di combustibili volatili che possono causare atmosfere esplosive. Nel settore edile, invece, molti veicoli richiedono buone linee di visuale e qualsiasi cosa che ostacoli il conducente nel vedere ciò che si trova intorno alle ruote e al cestello rappresenta un grosso problema per l’operatore; pertanto, man mano che i motori diventano più grandi e vengono sottoposti a sempre maggiori trattamenti post-elaborazione, possiamo offrire loro dei vantaggi installando un motore davvero piccolo.”

“Poi c’è il settore aerospaziale, dove osserviamo un grande interesse per i veicoli di lancio spaziale a causa delle severe limitazioni di massa. Si tratta soprattutto di efficienza e riduzione della massa, poiché è proprio questa a costituire il carico utile. Possono addirittura fissare un prezzo per chilogrammo sui satelliti, quindi hanno una visione molto chiara in merito, visto che vengono pagati per chilogrammo. Stiamo anche collaborando con i produttori di motori a reazione per migliorare l’efficienza delle turbine a gas introducendo un supporto elettrico in alcune fasi del loro funzionamento, così da non essere limitati in un’area quando la maggior parte del volo avviene in un’altra. Ancora una volta, si tratta di minimizzare la massa per queste applicazioni, e questo valorizza davvero i nostri punti di forza principali.”

È evidente, dunque, che esista ampio spazio per lo sviluppo dei motori elettrici in tutti i settori industriali – tuttavia, recenti cambiamenti nelle licenze per gli magneti in Cina minacciano di esercitare pressione su tale sviluppo. Per Edwards, invece, ciò rappresenta un’opportunità per rivalutare le ipotesi riguardanti la progettazione dei motori. “Ciò cambierà le strutture in una certa misura, quindi il futuro sarà caratterizzato dall’ottimizzazione dell’utilizzo di magneti a basso o nullo contenuto magnetico e di materiali magnetici diversi”, conclude. “Probabilmente questo sarà il prossimo impatto sui motori.

“Molti produttori di automobili non utilizzano affatto i magneti, ma ciò tende a far necessitare motori più grandi, e loro riescono ad affrontarlo grazie alla riduzione dei costi e allo spazio disponibile. I veicoli ad alte prestazioni e le altre industrie di cui ho parlato non hanno questo lusso. Pertanto, credo che ciò influenzerà sicuramente quei motori di fascia alta, ma per superare questa difficoltà riusciremo comunque a ottenere la stessa efficienza e ad aumentare la potenza in modi diversi – non ne ho alcun dubbio!”

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