By L’ibrido serie
In un precedente articolo abbiamo introdotto i veicoli ibridi. Qui approfondiamo una delle architetture.
L’ibrido serie
Per ibrido serie si intende una tipologia di architettura di powertrain ibride. Si ha una macchina elettrica “assistita termicamente”, ovvero collegata ad un motore con la funzione di sorgente di energia ausiliaria. Il nome serie deriva quindi dal fatto che le varie macchine sono collegate “una dopo l’altra”.
In un ibrido serie, dunque, l’energia segue un unico percorso e viene fornita alle ruote sotto forma di energia meccanica dalla macchina elettrica.
Modi di funzionamento
Un veicolo ibrido serie può funzionare in diversi modi:
- solo batteria, in cui la macchina elettrica di trazione è alimentata dalla sola batteria, a motore termico spento;
- con motore, in cui la macchina elettrica di trazione è alimentata dal motore termico
- modo combinato, in cui il motore termico e la batteria alimentano la macchina di trazione;
- power-split, in cui il motore termico alimenta la macchina di trazione e ricarica la batteria;
- regen, in cui la macchina di trazione entra in funzionamento da generatore e va a ricaricare la batteria, recuperando l’energia cinetica.
Un’altra possibilità, che non si può considerare un modo di funzionamento vero è proprio, è quella di ricarica da connessione alla rete elettrica.
Diagramma che illustra i flussi di potenza in un ibrido serie.
Vantaggi e svantaggi
I vantaggi principali dell’architettura serie sono legati alla diminuzione delle problematiche dei motori termici. In un veicolo ibrido serie infatti il motore termico è svincolato dalla richiesta istantanea di potenza e velocità alle ruote ed è quindi possibile farlo girare sempre alla velocità corrispondente al massimo rendimento. E’ inoltre sottodimensionabile, in quanto deve fornire energia al motore di trazione e non direttamente alle ruote. Si deduce inoltre come il cambio non sia più necessario, visto che la velocità di rotazione è costante, e basti una trasmissione a rapporto fisso.
Tuttavia, le molte conversioni energetiche (vedi figura sopra) abbassano il rendimento complessivo dell’architettura. Infatti l’energia chimica del carburante viene trasformata in energia meccanica dal motore termico, che viene poi convertita in elettrica dal generatore e di nuovo in energia meccanica dal motore di trazione.
Grado di ibridizzazione
Diagramma del grado di ibridizzazione serie. Si legge dall’alto verso il basso e indica le percentuali di potenza prodotta dalle varie componenti del veicolo
Si definisce il grado di ibridizzazione serie la seguente quantità:
[latex] R_{h,s} = \frac{P_{trac,electr}}{P_{gen,electr}}[/latex]
e cioè la parte di energia elettrica prodotta a bordo veicolo destinata alla trazione. Nel diagramma superiore, la riga più alta è rappresentata dalle automobili tradizionali, la riga centrale dai veicoli elettrici puri (o ZEV) e la parte bassa dai veicoli ibridi serie. Analizzeremo le tre tipologie più diffuse, che si distinguono in base al coefficiente sopra definito.
Range Extender
Un ibrido serie range extender è un veicolo in cui il motore termico è pensato con lo scopo di aumentare l’autonomia della batteria ad alta tensione, generalmente 400 V. Il motore elettrico di trazione viene quindi dimensionato in maniera completa, sia per fornire la potenza media sia la potenza massima.
Come in un veicolo elettrico puro la trazione è completamente elettrica e la batteria è più piccola in quanto ricaricata dal motore termico. Per questa configurazione è inoltre possibile la frenatura rigenerativa, con l’energia cinetica recuperata che va a ricaricare la batteria.
La caratteristica principale di questa configurazione è che la potenza del motore è sempre minore della richiesta di potenza di trazione e che, quando non richiesto, il motore termico può essere spento (funzione start&stop).
La BMW i3, una delle auto con funzionalità range extender
Load follower
Anche in questa configurazione la trazione è completamente elettrica, ma a differenza del RE in un veicolo load follower la massima potenza generata dal motore può essere uguale alla richiesta di potenza di trazione. L’architettura e i componenti restano uguali ai precedenti, ma cambia la proporzione tra potenza immagazzinata e generata.
In questo tipo di veicoli, infatti, la capacità della batteria è molto ridotta e può venire a mancare la funzione start&stop. E’ anche possibile prevedere soluzioni multi-trazione di tipo 4WD con opportuni differenziali.
Full series
A differenza delle precedenti, in questa configurazione manca completamente la batteria. E’ dunque un veicolo a trazione elettrica dove però l’energia viene prodotta dal motore termico, il quale asseconda le richieste di potenza istantanea per la trazione. Non è una soluzione molto diffusa per le applicazioni automotive; è oggetto di studio in altri campi, come quello navale ed aeronautico.
In campo navale il motore diesel verrebbe utilizzato solo per la produzione di energia elettrica da inviare alle eliche, eliminando il gigantesco albero di trasmissione ad oggi necessario. In aeronautica si cerca invece di ridurre i consumi installando una singola turbina per la generazione di energia elettrica da inviare a nuove tipologie di motori.
Un’applicazione di architettura FS è il veicolo speciale Komatsu 230e. Il motore termico genera energia da inviare ai motori installati direttamente nelle ruote.
