By Introduzione al veicolo ibrido
I veicoli ibridi sono ormai una realtà affermata del panorama automotive mondiale. Da chi critica la mobilità elettrica perché non si sono risolte ancora le problematiche riguardo lo smaltimento delle batterie e la mancanza di infrastrutture adeguate, a chi lamenta un troppo elevato livello di inquinamento dell’aria, le auto ibride sono ormai riconosciute da molti come la soluzione migliore per la mobilità urbana.
Dal punto di vista “delle sensazioni” i veicoli ibridi sembrano mettere d’accordo sia i tradizionali automobilisti, sia chi decide di fare una scelta più ambientalista, prendendo il meglio da due mondi spesso contrapposti.
Si può dire che anche dal punto di vista ingegneristico le auto ibride riescano ad unire con ottimi risultati il mondo dei motori a combustione interna e quello delle macchine elettriche. In questo articolo approfondiamo il come.
Come sono fatte
In maniera molto sommaria, un veicolo ibrido si compone di due parti, una elettrica e una termica. Dalla parte elettrica troviamo:
- una sorgente di energia, generalmente elettrica/elettrochimica;
- un convertitore;
- un motore (EM) o macchina elettrica, che converte l’energia elettrica in energia meccanica;
- un riduttore;
mentre da quella termica:
- una sorgente chimica, il carburante;
- il motore termico (ICE);
- un cambio di velocità.
In un veicolo completamente termico il rendimento è molto basso, in quanto circa il 70% dell’energia viene dispersa sotto forma di calore su un ciclo significativo del motore, ovvero considerando valori medi. Come si vede dallo schema sottostante, alle ruote arriva solo circa il 15% dell’energia.
Al contrario, per un veicolo puramente elettrico a batterie (BEV) le perdite termiche sono nettamente più basse ed è possibile trasmettere alle ruote anche l’80% dell’energia iniziale. L’efficienza energetica di un pacco batterie è infatti molto elevata (superiore al 90%) e una macchina elettrica, a differenza di una termica, può raggiungere rendimenti molto alti, proporzionalmente al volume e alle condizioni di lavoro ottimali. La trasmissione, inoltre, è un “semplice” rinvio, in quanto per i motori elettrici non c’è bisogno del cambio di velocità.
Configurazioni
Esistono diverse configurazioni per il posizionamento del/i motore/i elettrico/i in un’auto. Tra quelle mostrate sotto, solo la seconda, la terza e la quarta hanno delle effettive applicazioni commerciali. L’utilizzo di un cambio a rapporti fissi (FG) o riduttore non è indispensabile, ma spesso consente di ridurre la dimensione del motore elettrico.
Infatti detta P la potenza, C la coppia e ω la velocità di rotazione del motore, valendo P = C⋅ω si capisce che, aumentando ω, si può ridurre C a parità di potenza e quindi è possibile scegliere un motore più piccolo, poiché con il riduttore si riporta la C sulle ruote a valori opportuni.
Le soluzioni che prevedono l’installazione del motore direttamente sulle ruote sono particolarmente sensibili alle problematiche di dinamica legate alle masse non sospese.
Vantaggi e svantaggi
Il motore elettrico, rispetto ad un classico ICE, ha diversi vantaggi:
- è bidirezionale e reversibile, ha cioè la possibilità di funzionare anche come generatore (e ricaricare ad esempio le batterie) ed eventualmente frenare il veicolo;
- silenzioso, non ha emissioni ed è caratterizzato da un elevato rendimento;
- facile da regolare, semplice da costruire e non presenta un’usura significativa delle sue parti.
Tuttavia, gli svantaggi principali sono legati alla fonte energetica utilizzata, cioè l’energia elettrica delle batterie. Queste:
- hanno una capacità e densità di energia molto inferiore al carburante, un’affidabilità e una durata limitate;
- sono pensanti ed ingombranti;
- hanno prestazioni non costanti (legate alla scarica) e si ricaricano in tempi molto lunghi e in infrastrutture ancora poco diffuse.
Perché la “tecnologia ibrida”
Analizzando quanto detto in questo articolo introduttivo è facile capire perché si è arrivati ad una soluzione di veicolo ibrido.
I grandi progressi tecnologici nel campo dei motori a combustione interna hanno consentito di costruire unità sempre più compatte ed efficienti a parità di potenza (o anche meglio), nonché di rispondere alla necessità di ridurre i consumi, le emissioni e il rumore nelle aree cittadine.
La componentistica elettronica è diventata sempre più sofisticata, compatta e performante, consentendo di costruire convertitori sempre più affidabili, e le caratteristiche degli accumulatori sempre più adatte alle applicazioni automotive.
La “tecnologia ibrida” riesce quindi a coniugare i vantaggi del motore termico e delle macchine elettriche, riducendo drasticamente gli svantaggi delle due parti prese singolarmente.
L’idea di base della trazione ibrida è quella quindi di utilizzare il motore elettrico prevalentemente per la trazione, mentre il motore termico con scopi di accumulo.
Profili di carico
Considerando i profili di carico come in figura, si intuisce come si possa demandare le due componenti di potenza ai due motori “separatamente”. Il profilo di carico medio viene seguito dal motore, che viene impostato a girare con velocità costante (e quindi erogare potenza costante) nei pressi del punto di suo massimo rendimento, mentre la potenza istantanea, da usare ad esempio in sorpasso o in accelerazione, viene fornita dal motore elettrico.
Vantaggi e svantaggi pt.2
Certo, tale innovazione non è esente da criticità. Infatti, l’aumento del numero di sottosistemi rende la gestione del veicolo più complessa. I molti componenti elettrici sono sensibili e a loro volta influenzano i campi magnetici dell’ambiente circostante e necessitano opportune schermature. In più a rete di assistenza è ancora poco familiare con la tecnologia e le alte tensioni dei componenti elettrici non facilitano l’operato delle officine tradizionali. Inoltre, per la guida extra-urbana i costi maggiori, sia iniziali che di manutenzione, non sono giustificati.
Tuttavia, i vantaggi che se ne ricavano riescono a compensare questi svantaggi.
Innanzitutto i veicoli ibridi sono progettati e pensati per la mobilità urbana: la possibilità di ottimizzare il punto di lavoro, ridurre la taglia e spegnimento automatico del motore termico in arresto consentono di ridurre drasticamente i consumi e l’inquinamento ambientale e la manutenzione. Inoltre, sebbene sia talvolta pericolosa, la silenziosità di questi veicoli consente di ridurre l’inquinamento acustico.
Rispetto ai ZEV (Zero Emission Vehicles), l’autonomia è elevatissima, poiché è possibile utilizzare il motore termico per ricaricare le batterie e quindi ci si svincola dalla necessità dell’infrastruttura di ricarica, e le batterie di dimensioni più contenute, facilitando lo smaltimento.
Per proseguire
Nei prossimi articoli approfondiremo le varie architetture di powertrain per veicoli ibridi:
