Auto Ibride - Esplorazione Tecnologie

Oggi, questo blog ospiterà qualcosa di nuovo, di diverso. Ho da poco acquistato un'auto elettrica. Sono contento del mio acquisto e non ho intenzione di tornare a motori endotermici nel futuro. La loro diffusione richiederà però tempo, tra costi alte delle vetture ed autonomie ancora limitate. Quindi il motore termico avrà vita ancora lunga. Però sta cambiando, si sta evolvendo e si sta elettrificando. Perché? Come? In questo articolo illustrerò le varie soluzioni tecnologiche che si stanno sviluppando in questi anni e che verranno offerte da tutte le case costruttrici sulle praticamente tutte le vetture.

Se preferite una versione audio/video da tenere in sottofondo, potete guardare il video qui. Altrimenti continuate pure la lettura.

Motore Termico - Funzionamento

Per capire il perché di questo cambiamento tecnologico, occorre partire dall'inizio. Il cuore pulsante di un'automobile è il suo motore a combustione interna, organo meccanico in grado di trasformare l'energia contenuta in carburante in moto del mezzo. Ultimamente vengono abbreviati come ICE, la sigle inglese che significa "Internal Combustion Engine", ma se preferite l'italiano, possiamo chiamarli MCI per brevità.

Vari ingegneri nella seconda metà del 1800 iniziarono a provare a realizzare un MCI e l'invenzione del primo sistema è Italiana, anche se il luogo geografico che ne vide la nascita fu l'Inghilterra, perché sia mai che noi riusciamo ad essere geniali in patria, no anche nel 1800 si emigrava. 

L'idea alla base di tutto è che quando una cosa esplode, genera uno spostamento d'aria. Provate a stare di fianco ad un'esplosione. Se questa è sufficientemente potente, verrete sbalzati via, oltre probabilmente ad ustionarvi e morire da danni interni ed esterni. Bene, E SE POTESSIMO SFRUTTARE IL POTERE DELLE ESPLOSIONI per del bene? Per esempio per far ruotare un cilindro di metallo, detto albero, collegato ad una ruota? 

Tra una cosa e l'altra, dopo mille brevetti, si arrivò al motore a scoppio come lo conosciamo oggi. Un numero variabili di cilindri hanno il compito di raccogliere all'interno di una camera un quantitativo di aria e di carburante, fare esplodere tale composizione e raccogliere l'energia dell'esplosione per mettere in rotazione un albero, che poi a sua volta metterà in rotazione le ruote del mezzo.

Ora, le cose non sono proprio viste come BUM BUM entra, rotazione esce. Il comportamento del ciclo di funzionamento di un ICE è espresso dal ciclo termodinamico di funzionamento. I più famosi sono il ciclo Otto ed il ciclo Diesel. Cosa sono però?

Diesel & Otto

Il ciclo Otto è quello che sfrutta il carburante noto come "benzina" o per i nostalgici come me "la rossa/verde". Nella fase iniziale del lavoro, viene eseguita un'aspirazione a pressione costante, con l'aria che entra nella camera di scoppio, nel tratto 0-1. Questa poi viene compressa adiabaticamente, ovvero senza scambio di calore tra il sistema e l'ambiente. Ovviamente questo idealmente, ma vista la rapidità con il quale avviene, è approssimabile ad una trasformazione adiabatica.

Arrivati al punto 2, avviene l'accensione della miscela aria-carburante. Questo causa un aumento rapido della pressione nella camera di scoppio fino al punto 3. A questo punto l'aria si espande rapidamente andando a spingere verso il basso il pistone con un'espansione adiabatica.  Nel tratto 4-1 ho l'espulsione dei gas per la differenza di pressione con l'esterno e la fase 1-0 è l'espulsione forzata.

Ciclo Otto Ideale

Ciclo Otto Reale

Come è possibile vedere dai grafici, il ciclo reale ha una forma un po' diversa, a causa di tutte le non idealità del caso, ma il principio di funzionamento rimane lo stesso.

Il ciclo Diesel ha un funzionamento simile, ma tutti sappiamo che non ha la candela per accendere il carburante, questo esplode da solo a causa della forte pressione interna. Ecco quindi che il tratto 2-3 della curva rappresenta un'aumento di volume senza un aumento di pressione dovuto ad un'esplosione forzata da una candela.

Ciclo Diesel Ideale - Reale

Matematicamente è possibile descrivere ogni curva con un'equazione, e risolvendole è possibile capire quanto questi cicli sono efficienti nel prelevare energia dalla miscela e trasformarla in lavoro utile. Se andiamo a considerare un ciclo Diesel ed Otto con la stessa temperatura di input e lo stesso rapporto di compressione, si scopre che il ciclo Otto produce più lavoro, quindi è più efficiente. Purtroppo, nella vita reale non è affatto così per via dei rapporti di compressione ai quali i cicli operano. Il Diesel, potendo avere rapporti maggiori, risulta essere nella pratica più efficiente dei motori Otto.

In linea generale, un motore a ciclo otto ha un rendimento reale del 30%, un Diesel vicino al 40%. Quindi di tutto il carburante che inserite nel serbatoio, riuscite ad usarne solo il 30-40% per movimentare l'automobile. Il resto va sprecato.

In ogni caso le due tecnologie, avendo diversi punti deboli e di forza, coesistono tranquillamente da anni sul mercato. L'avanzamento tecnologico li ha migliorati entrambi, con tecnologie che vengono prima implementati su uno dei due tipi di motori e poi riadattate sull'altro, insieme a tante nuove tecniche costruttive, nuovi materiali, controlli elettronici, hanno permesso a queste tecnologie di migliorarsi nel tempo.

C'è però ora un grosso problema apparentemente insormontabile. I limiti di inquinamento.

In Europa abbiamo tra le leggi più stringenti per il quantitativo di inquinanti che le automobili possono emettere e questo ha costretto i costruttori di automobili a cercare in ogni modo di abbassare l'inquinamento prodotto dalle loro auto per poter essere vendute. 
Dopo il famoso Dieselgate, che vedeva l'auto riconoscere di essere su un banco di prova e ridurre forzatamente le emissioni, il sistema di test è migliorato e ci sono molti più occhi puntati sulla questione, quindi ora le cose si devono fare davvero. Per questo i Diesel per sopravvivere si sono dotati di Adblue, che è praticamente urea diluita in acqua, per abbattere le sostanze inquinanti in uscita dai tubi di scarico. I Motori a Benzina invece, stanno seguendo strade diverse, in primis quella dell'elettrificazione, ma non è l'unica. 

Quindi mi concentrerei un attimo sui semplici motori a benzina per vedere come stanno cambiando nel tempo per renderli più efficienti, anche senza un lavoro di elettrificazione. Perché un motore più efficiente consuma meno ed inquina meno.

Ottimizzare il motore termico: parte 1 - Meccanica e Termodinamica

Cicli Termodinamici Alternativi

Una caratteristica fondamentale dei cicli Otto e Diesel è la loro uguaglianza del ciclo di espansione e compressione. Questo, pur essendo ideale per estrarre alte potenze, è deleterio per l'efficienza. Ed un motore più efficiente, arriva a consumare di meno e produrre meno inquinanti. Ecco quindi che tra Toyota, Hyndai, Volkswagen e tanti altri si sono adottati altri cicli di lavoro termodinamici. I più comuni sono il ciclo Atkinson ed il ciclo Miller.

Ciclo Atkinson Ideale

Questi cicli sono in grado di raggiungere rendimenti del 40%, praticamente appianando la differenza che c'è tra un motore Benzina ed un Diesel. 
L'obiettivo termodinamico da raggiungere è il seguente: aumentare al massimo la fase di espansione del motore. Il lavoro viene estratto da questa fase, poiché è quella che spinge il pistone verso il basso.
Quando viene eseguita l'espulsione del gas di scarico dalla camera del cilindro dopo la fase di espansione, questi hanno ancora dell'energia residua, che va sostanzialmente sprecata. Ridurre al minimo la pressione dell'aria prima di buttarla via del tubo di scappamento, è essenziale per aumentare l'efficienza. Nel grafico vediamo il ciclo Atkinson ideale, che ha le due fasi distinte del Otto e Diesel (2-3 e 3-4) ed in più sul finale ha un raffreddamento a volume costante (5-6) ed uno a pressione costante (6-1). 

I primi brevetti del ciclo Atkinson provano ad immaginare un sistema meccanico molto complesso per andare a creare una corsa del pistone variabile, in grado appunto di aumentare il rendimento del motore. Un po' complicati in termini meccanici ed oggigiorno si usa il sistema Miller per raggiungere lo stesso scopo. 

Chiudendo la valvola di aspirazione qualche istante dopo rispetto al ciclo Otto, è possibile far risalire il pistone per un tratto senza che questo comprima l'aria, che sfoga nei condotti di aspirazione. A questo punto, una volta chiusa la valvola, parte la fase di compressione. Siccome il rendimento del ciclo dipende dal rapporto tra compressione ed espansione, lasciando l'espansione sempre uguale, con questo espediente posso modificare la fase di compressione in base al mio punto di lavoro.

Questo metodo di funzionamento ha anche un beneficio di alterare le temperature nella camera di combustione e dei gas di scarico con l'effetto di ridurre la produzione di gas nocivi. Ora, ovviamente, immettere meno aria all'interno della camera di scoppio, vuol dire perdere potenza. Miller aveva previsto l'uso di un compressore volumetrico. Le perdite erano evidenti più a bassi regimi di rotazione. E se avete letto il titolo dell'articolo, forse potete intuire dove stiamo arrivando.

Downsizing - Cilindrata Variabile - Rightsizing

L'altro punto dove si è concentrata l'evoluzione del motore benzina negli ultimi anni è nel trovare una cilindrata ottimale per compiere il giusto lavoro, rispettando due parametri agli opposti: le regolazioni anti inquinamento ed il piacere di guida/volontà degli acquirenti.

Il guidatore vuole un'auto che sia veloce, con risposta al pedale pronta, in grado di dare una sensazione di potenza. Il che non vuol dire correre ed andare forte e basta. Vuol dire avere un propulsore che risponda alle mie richieste, quindi che sia in grado di darmi potenza quando viene richiesta. Però più potente e pronta rendo un'auto, più inquina e consuma. E questo non va bene.

Si sono adottate diverse strade negli anni per gestire questi due diverse anime.

Molti, quasi tutti, hanno seguito la strada del Downsizing. Termine che tradotto vuol dire rimpicciolire. Ecco quindi che i motori hanno iniziato a ridurre la propria cilindrata. A diminuire sia il numero di cilindri, che a farli più piccoli. Sono nati quindi tantissimi motori 1.0 tricilindrici. I vantaggi di un sistema più compatto sono molteplici. Minor cilindrata equivale a minor consumo. Motori più compatti sono più leggeri e quindi l'auto pesa di meno. La corsa dei pistoni, essendo più corta porta meno attriti e quindi a meno dispersioni. Ovviamente un motore più piccolo compie anche meno lavoro.  La soluzione è stata quella di aggiungere turbine e compressori, passare ad iniezione diretta, apertura variabile delle valvole ed altre tecniche. Questa strategia sta però iniziando ad incontrare i suoi limiti.

Il tricilindrico Ecoboost di Ford. Piccole cilindrate, turbo, iniezione diretta e disattivazione di 1 cilindro.

Ci sono altri modi approcciare il problema meccanicamente. Mazda per esempio segue la strada del "rightsizing" ovvero invece di ridurre la cilindrata del motore, lo progetta per lavorare a potenze ottimali per l'efficienza. Ecco perché mantiene ancora oggi una flotta di motori ad alta cilindrata, senza turbo, ma con un numero di cavalli "basso" rispetto alla concorrenza. E malgrado ciò, in termini di consumo ed inquinamento è una delle migliori sul mercato.

Un'altra tecnica che sta prendendo piede su motori sempre più piccoli, è quello di implementare un sistema di cilindrata variabile. Normalmente un ICE quando lavora a bassi regimi di coppia e velocità , è estremamente inefficiente. Quindi per riportare il motore in una condizione più ottimale, si spegne parte dei cilindri del motore, che diventano un peso morto per gli altri cilindri da trascinare. Questo vuol dire che i restanti due dovranno lavorare di più e quindi raggiungere una condizione di lavoro più efficiente. Questa tecnologia ha trovato la sua strada in modo più o meno regolare su veicoli commerciali dal 2005. Prima riservato per grossi motori con 12 o 8 cilindri, oggi trova uso su molti motori Mazda, alcuni Volkswagen e gli Ecoboost della Ford.

Ora, tutte queste scelte meccaniche e termodinamiche si mescolano con un nuovo mondo: quello del motore elettrico.

Ottimizzare il motore termico parte 2 - Elettrificazione.

Coppia e Potenza - Termico vs Elettrico

Per capire bene perché si stia seguendo questa strada dell'elettrificazione, occorre capire bene la relazione tra potenza, coppia massima e consumo di un motore termico. Spesso si parla di queste grandezze senza capire veramente cosa rappresentano e che sono legate tra loro.

La coppia è con molta probabilità la grandezza più importante per un qualsiasi oggetto che deve muoversi con delle ruote. Questa è la forza, la spinta, che la vostra macchina è in grado di imprimere alle ruote. La seconda legge della dinamica è chiara. Maggiore è la forza che applico ad una massa, maggiore sarà la sua accelerazione.

Più un'auto avrà coppia, più questa sarà in grado di raggiungere la velocità desiderata rapidamente. La coppia non ha un andamento costante, ma sale mano mano che salgono i giri del motore. Arrivati ad un certo punto, questa inizierà a scendere, diminuendo mano a mano che i giri aumenteranno.

La potenza è definita come il lavoro compiuto su unità di tempo ed è anche una rappresentazione della coppia per la velocità. Nella prima parte della curva, la potenza sale linearmente con l'aumentare di giri. Si arriverà ad un punto di massima potenza, oltre il quale li attriti sono tali da far si che la diminuzione della coppia non sia più compensata dall'aumentare dei giri.

Solitamente lo spazio tra i punti di coppia massima e potenza massima viene definito come campo di stabilità, quindi la zona di rotazione del motore nel quale è possibile girare senza cambio marcia. Idealmente i giri motore della vostra macchina dovrebbero sempre rientrare in questo campo per lavorare al meglio.

Questa zona infatti è anche quella dove si registrano i minori consumi del motore termico.

Ora, andiamo a guardare quella di un motore elettrico, qui rappresentato dai motori della Tesla model S. Come è possibile vedere dal grafico, un motore elettrico è in grado di dare la massima coppia da 0 rpm. Una volta superata una certa velocità però la coppia decresce.

Andiamo quindi ad unire un attimo le informazioni che si sono dette nel paragrafo meccanico/termodinamico e quello che si può imparare osservando le curve di coppia. 

Esistono modi di ottimizzare il motore a ciclo Otto oltre lo standard attuale, sfruttando i cicli Miller/Atkinson. Farlo, fa perdere potenza al motore, che faticherà nella parte bassa del contagiri. I motori elettrici danno coppia subito al massimo da velocità nulla. Esistono delle zone di funzionamento del motore termico dove i suoi consumi sono elevati, come i bassi regimi. Consumi elevati vuol dire tanto inquinamento. 

Ecco quindi che si nota un vuoto, che può essere colmato dall'unione di un motore elettrico ed uno benzina. Per avere sempre coppia. E se il motore elettrico si prende carico delle basse velocità, posso andare a progettare il motore termico SOLO per le alte velocità. Ecco quindi che arriviamo a tante diverse implementazione della stessa soluzione: costruire un sistema che possa avere i vantaggi di entrambi i motori: elettrico e termico. Un veicolo IBRIDO.

Le implementazioni tecnologiche sono molte ed ora le passeremo al setaccio. 

Veicoli Ibridi

Abbiamo quindi capito che il motore termico ha dei limiti che possono essere sopperiti creando un sistema ibrido, cioè composto da parti diverse. Cercare attraverso l'unione di due tecnologie di trovare un compromesso migliore delle due prese separatamente. Da un lato l'inquinamento dei motori termici, con le regole Europee sempre più stringenti, dall'altro un costo delle batterie e la loro limitata capacità che frena un passaggio di massa alla semplice auto elettrica.

Andiamo quindi ad analizzare tutte le tecnologie ibride, le loro funzioni ed i campi applicativi. Molto interessante lo schema di Continental, una sorta di riassunto che prova ad anticipare la penetrazione nella fasce del mercato delle varie tecnologie. 

Micro-Hybrid (mHEV)

Vi svelerò un segreto. Le auto hanno sempre avuto motori elettrici a bordo. Il motore a scoppio ha infatti un problema. Non può partire da solo. Se si prova ad avviarlo, non è in grado di superare un numero minimo di rotazioni al secondo per autosostenersi. Le prime autovetture avevano avviamento a manovella, o a corda. Dal 1960 in poi, un motorino elettrico si prese il compito di muovere questa manovella, alimentato da una piccola batteria, che veniva ricaricata dal motore termico una volta in marcia grazie ad un alternatore a bordo dell'auto collegato all'albero motore. 

Classico guasto è quello di trovarsi con la batteria scarica e non riuscire a far partire l'auto. E quindi vi tocca spingere l'auto per farle prendere velocità prima di avviarla, oppure trovare qualcuno che ricarichi la vostra batteria.

Motore 1.6 dCi Renault con tecnologia Micro Ibrida

Migliorando le funzioni del motorino di avviamento, si ottengono le auto Micro-Ibride. Queste auto rimangono con il loro motorino d'avviamento a 12V, la tensione standard da quando sono stati introdotti, ma riescono a compiere un paio di lavori extra. In primis la loro funzione start&stop è migliore che in passato. Possono spegnere il motore quando si è fermi durante la marcia, come ad un semaforo rosso e possono riavviarlo senza vibrazioni eccessive, quindi con un ottimo confort, e senza ritardi. 
Altre funzioni dei micro è la possibilità di recuperare energia durante la frenata, in modo molto lieve.

Questa tecnologia è stata implementata sulle Volkswagen con i motori Bluemotion a benzina e dalla Mazda con il nome di i-ELOOP, giusto per citare due case che associano un nome marketizzabile a questi sistemi. Nessuna di queste auto viene classificata come ibrida.

L'uso dei 12V e di motori molto piccoli porta ad un risparmi del 5-6% di Co2. Quindi si tratta di una tecnologia che esiste da molti anni e che non è sufficientemente invasiva da considerarsi un vero ibrido.

Mild Hybrid (MHEV)

La tecnologia Mild Hybrid è la prima dove le cose iniziano a farsi interessanti. Il concetto alla base è quello di prendere il motorino di avviamento e l'alternatore già presenti nelle auto, rimuoverli e sostituirle con un singolo motogeneratore in grado di eseguire entrambe le funzioni dei componenti rimossi e molte altre funzioni. 

Possiamo classificare i sistemi Mild-Hybrid  in base alla loro tensione o tecnologia costruttiva. Le tensioni con la quali sono costruite sono tre: 12V, 24V e 48V.

L'aumentare delle tensioni dei motori elettrici permette di poter usare motori sempre più potenti e quindi arrivare a dare un contributo sempre maggiore al motore termico. I 12V sono un retaggio dei sistemi micro ibridi e della tensione dei sistemi ausiliari dell'auto. Scelta oramai vista come economica. Lo standard industriale sembra si stia stabilizzando sulla scelta dei 48V, una tensione in grado di fornire il giusto beneficio al motore termico.

In ogni caso, la tecnologia Mild-Hybdrid non è molto invasiva e non rivoluziona la struttura di un'auto tradizionale, non alterandone il modello di guida in modo significativo ed offre una serie di benefici accessori in grado di diminuire l'emissione di CO2 del 10-15%. 

Facciamo una veloce carrellata delle implementazioni prima di passare a discutere delle varie funzioni, che saranno utili anche per le motorizzazioni più avanzate.

Le tre implementazioni di architetture Mild-.Hybrid sul mercato sono : BiGS, TiMG, CiSG. Tutte sigle inglesi, lo so, ma adesso le spiego e le traduco.

BiGS sta per Belt-Integrated Starter Generator, quindi motore di avviamento integrato con cinghia, TiMG ha la T che indica la Trasmissione ed il motore viene migliorato a Motor Generator, CiSG ha la C che identifica la Crankshaft, cioè l'albero a gomiti.

Il BiGS, essendo collegato con una cinghia, è la soluzione più economica ma più limitata in termini di funzionalità e potenza trasferibile al motore. Solitamente parliamo di motori da pochi Kw. Tutta la gamma ibrida Suzuki è costruita in questo modo, e la maggior parte della loro flotta usa motori da 12V, anche se ora li sta aggiornando uno dopo l'altro a modelli con 48V, come sulla Swift Sport 2020.

 

La tecnologia TiMG è la più flessibile in termini di funzionalità, con potenze dei motori che possono arrivare ai 20KW senza problemi. Qui il motore è montato lato trasmissione e se si guarda da fuori il sistema sembra essere quello di un Full Hybrid, solo operante con tensioni e potenze più basse. Jaguar e Land Rover hanno mostrato sistemi Mild-Hybrid concepiti in questo modo, così come i motori Boxer di Subaru.

La tecnologia CiSG come ho già detto sopra è montata sull'albero a gomiti, tra trasmissione e motore. Qui le potenze in gioco e tensioni possono essere più alte. Honda utilizza questa soluzione tecnologica sui suoi motori IMA.

Quindi, capito che può essere montato in modo diverso, cosa fa un motore elettrico in assistenza al motore termico?

Features

Start&Stop in movimento : Questa modalità di Start e Stop è in grado di spegnere il motore mentre il veicolo è in movimento ed in fase di rallentamento. Quando premiamo il pedale del freno e continuiamo a rallentare in modo lineare, come per fermarci ad un semaforo rosso o un segnale di stop, una volta scesi sotto una certa velocità, il motore viene spento e viene disconnesso dalle ruote. Questo sistema permette di aumentare il tempo nel quale il motore viene spento. La potenza garantita dal motore a 48V e la capacità della batteria permettono ripartenze improvvise per cambi di idea e di alimentare tutti i servizi ausiliari anche a motore spento.

Questo sistema può funzionare con un cambio manuale, come sulla nuova Fiat 500 mild-hybrid, ma raggiunge la sua massima efficienza se accoppiata con un sistema di cambio automatico con frizione, come quello presente nei 1.5 eTSI di Volkswagen, in grado di spegnere il motore una volta scesi sotto i 20km/h. La versione non Mild-Hybrid li spegne una volta scesi sotto i 7km/h. Una bella differenza.

Spostamento punto di lavoro motore: Questa è una funzione molto interessante dell'accoppiata motore elettrico-termico. Una delle variabili più importanti per valutare l'efficienza di un motore endotermico è il consumo specifico. È il rapporto tra la quantità di carburante consumato dal motore e l'energia da esso erogata. Normalizzando il tutto, il consumo specifico indica quanti grammi di carburante occorrono generare 1 KW in un'ora di funzionamento.Questo si misura in g/Kwh e per un motore a benzina Otto siamo sui 250g/Kwh, mentre per un diesel sui 200g/Kwh.

Questo valore varia in base al regime di funzionamento dell'auto. 
Bene, avendo un motore elettrico con me, vuol dire che posso decidere di applicare un carico variabile al motore, applicando una resistenza e cambiando il punto di lavoro dell'auto in uno più favorevole, in grado di abbassare il consumo specifico. 

Possiamo provare con un esempio numerico. Se io chiedo al motore 50 Nm di coppia a 1500 giri, perché sto andando piano piano mezzo incolonnato, l'efficienza del mio motore è penosa. Parliamo di qualcosa come 500 g/Kwh. Ecco, se il mio motore elettrico applica una resistenza, portando la richiesta a 100Nm, il mio motore termico si trova a si sforzarsi di più, ma lo fa lavorando ad un consumo specifico ben minore, per esempio di 400g/Kwh. 

 

Questo genere di compensazione non è un qualcosa che può fare l'utente, ma è tutto gestito dalla centralina che interverrebbe solo quando questo porti un effettivo beneficio.
Questo effetto risulta utile nelle auto FHEV e PHEV, quando il motore termico si trova con carichi troppo leggeri e questi vengono aumentati usandolo per caricare la batteria.

Riempimento buchi di coppia: 

Un motore termico genera la sua coppia attraverso il movimento di numerosi organi meccanici e di fluidi. Tutti elementi che hanno una loro inerzia e pertanto un motore termico non potrà mai dare coppia istantaneamente all'utente. Ci sarà sempre un ritardo, soprattutto se il guidatore affonda il pedale. Il motore elettrico, può colmare questi buchi di coppia. Ha praticamente una sola parte da muovere, il suo albero rotore, e essendo azionato da forze elettromagnetiche può dare coppia istantaneamente. È la cosa più bella dello guidare elettrico su un veicolo elettrico. Qui questa caratteristiche aiuta a colmare tutti i vuoti del motore termico. Questo apporto è fondamentale a bassi regimi di rotazione, quindi nelle partenze da fermo.

Boost di Coppia: 

Considerando quello che abbiamo detto prima, un motore elettrico può sommare la propria coppia a quella del motore termico, migliorandone le performance generali. Come dimostra questo video di accelerazione di una Suzuki Swift con Mild Hybdrid a 48V, la decisione di Suzuki di togliere alcuni cavalli e coppia al motore 1.4 turbo benzina e ridarglieli con il motore elettrico non è affatto stupido. In questo modo Suzuki rientra nelle regole europee e l'utente mantiene il piacere di guida precedente.

Veleggio: 

Conosciuta anche con il termine inglese coasting o sailing, è l'atto di procedere a motore spento e disconnesso dalla trasmissione con una velocità che diminuisce lentamente. Sulle auto a cambio manuale questo è possibile farlo semplicemente premendo la frizione e spegnendo il motore. Capite bene che non è il massimo delle esperienze. Ecco quindi che i sistemi Mild Hybrid sono in grado di gestire queste situazioni, permettendo un recupero veloce del motore se si decide di accelerare. In sostanza il sistema è simile in concetto allo start & stop, solo eseguito mentre si viaggia. Anche in questo caso l'integrazione migliore sul mercato è lasciata al gruppo Volkswagen con i loro motori eTSI.

Recupero d'energia: 

Quando il motore è connesso alle ruote e non si sta premendo né acceleratore né freno, si sta procedendo con la sola inerzia, senza inserimento di carburante. In questo momento il motore sta agendo da freno per il sistema, con l'energia cinetica del veicolo che viene passata al motore mentre si dissipa tra tutti gli attriti presenti. In questi momenti, il motore elettrico collegato agirà da generatore, agendo anche lui da freno ulteriore. L'energia che il motore va a mangiare, normalmente verrebbe dissipata in tempi più lunghi in calore nei vari componenti della macchina. In questo modo, ci si fermerà prima perché ci sarà più freno motore, ma l'energia recuperata verrà usata dal motore elettrico e ricaricherà la rete elettrica a 12V (i Mild Hybrid da 24 e 48V hanno a bordo un convertitore da 48/24V a 12V per ricaricare la batteria dei servizi.). Maggiore è la capienza della batteria, più energia si può immagazzinare e migliore diventa l'apporto dell'ibrido al sistema.

Rigenerazione con freno: Su un'auto con motore Mild-Hybrid, è possibile far si che alla pressione del pedale del freno, non entrino in azione solo i freni meccanici, ma anche il motore elettrico, lavorando all'unisono se necessario. Quanto forte frenerà il motore elettrico dipende da tanti fattori, come le velocità di partenza, la pressione sul pedale e la % di carica della batteria. 

In linea di massima, il 46% dell'energia usata per far accelerare un'auto in città serve per muovere l'inerzia, mentre sulle strade ad alta percorrenza, questa percentuale scende anche al 10%, a causa degli attriti aereodinamici e meccanici che diventano preponderanti. Una frenata rigenerativa può catturare il 70-80% di questa energia. Capite come i sistemi ibridi risultino molto efficaci in tratte urbane.

Guida Elettrica: Generalmente i sistemi Mild Hybrid più diffusi fino al 2021 non permettono all'auto di marciare con il motore elettrico. Se l'architettura è una TiMG, il motore elettrico può sopperire l'avanzamento automatico dei motori con cambio automatico. Avete presente quando con il cambio automatico, in modalità D, la macchina avanza piano piano? Ecco fare questa cosa è quanto di più inefficiente possa esistere. Un'opportuno sistema Mild-Hybrid potrebbe lasciar eseguire il creep al motore elettrico per poi passare al termico una volta superata una certa velocità. Dal 2022 in poi si stanno vedendo sempre più implementazioni di questo tipo.

Tutte queste funzionalità che hanno uno scopo ben preciso: abbassare i consumi, aumentare l'efficienza del sistema motore. Il tutto lasciando intatta l'esperienza di guida per l'utente. Guidare un'auto mild-hybrid non richiede di cambiare il proprio stile di guida. Nel 99% dei casi, farà tutto la centralina dell'auto. Giusto quelle con cambio manuale, richiedono combinazioni specifiche di freno-frizione-acceleratore e cambio per attivare funzioni di coasting, come la fiat 500 o Kia. 

FULL Hybrid (FHEV)

I veicoli definiti Full Hybrid, ibridi pieni, è dove inizia la vera rivoluzione. In questo caso abbiamo l'uso di due fonti diverse per la propulsione del mezzo. Il motore elettrico ed il motore termico. I motori elettrici passano ad operare ad alta tensione, dai 300 ai 600V a seconda delle scelte progettuali fatte.

Toyota sono anni che ce la mena con questa tecnologia ed a conti fatti è l'unica casa che ha implementato questo motore su quasi tutta la gamma. Le possibilità offerte da un veicolo Full Hybrid sono tutte quelle elencate nella sezione del Mild-Hybrid, ovviamente amplificate grazie alla maggior potenza della parte elettrica e capienza della batteria. La parte che risulta più accentuata è la possibilità di muovere l'auto con la sola trazione elettrica, con la potenza del motore elettrico in grado di gestire l'auto fino a velocità elevate. Le prime implementazioni potevano dare una mano fino ai 30km/h, mentre quelle moderne sono in grado di supportare anche fino a 75km/h o anche in autostrada. 

La batteria delle auto HEV è molto più capiente, in grado di teoricamente garantire tra 1 e 5 km di percorrenza solo elettrica a seconda dell'auto, ma lo scopo dell'auto non è quello di usare solo l'elettrico, ma di creare un concerto superiore rispetto alle due parti prese separatamente.

Altro aspetto importante delle auto FHEV è che NON hanno modo di essere ricaricate esternamente. Tutta l'energia elettrica è generata dal propulsore termico e dalle decelerazioni/frenate rigenerative. Non serve collegarla alla spina.

Ci sono molti modi di costruire una macchina Full Hybrid, ed esplorandoli capiremo come questi funzionano e come si guida un'auto full electric. 

Parallelo doppia frizione

Questo sistema, comune per le trazione posteriori, ha due frizioni. La prima connette il motore termico a quello elettrico, la seconda quello elettrico alle ruote. Questo sistema permette di scollegare il motore termico completamente aprendo la sua frizione. Il vantaggio di questo è che durante le frenate/decelerazioni, non dobbiamo preoccuparci dell'effetto frenante del motore termico, andando a rigenerare tutto sull'elettrico. Allo stesso modo, in questo modo si può anche scollegare l'elettrico e andare in veleggio. Il termico quando deve passare potenza alle ruote, lo fa collegandosi all'elettrico per forza di cose. Questa tecnologia è usata sulla Nissan X-Trail ad esempio.

Parallelo con DCT

Un'altra soluzione tecnologia relativamente diffusa tra le auto ibride è quella del parallelo con una trasmissione doppia frizione. Questa viene sfruttata per auto a trazione anteriore, vista la necessità di essere il più compatti possibili. Hyundai con le sue auto HEV usa questa tecnologia. 
In questo caso abbiamo un cambio DCT classico. Per chi non sapesse come funziona un cambi oa doppia frizione automatico, questo ha due alberi, uno per le marce dispari ed uno per le marce pari. Il mentre sta usando una marcia, prepara la successiva o precedente sull'altro ramo, così da offrire cambiate molto veloci. Questo tipo di cambio è molto efficiente e marchio di fabbrica di molte case automobilistiche, dallo ZF usato da Alfa e BMW, al DSG del gruppo Volkswagen, al DCT di Hyundai passando per l'EDC di Renault.

Un cambio molto europeo come stile di guida. A noi piace guidare, piace la cambiata manuale e la sportività e abbiamo un'occhio ai consumi e questo stile di cambio automatico è perfetto per noi. 

Il motore elettrico viene accoppiato ad uno dei due rami di marce, quindi o le dispari o le pari. Questa soluzione è estremamente flessibile, come ha dimostrato appunto Hyundai, visto che produce la sua Ioniq con DCT sia da semplice Ibrida che PLUG IN.
Tra l'altro, c'è da dire che il cambio DCT ha sempre avuto un problema: l'avvio. Partire da fermo non è immediatissimo, c'è sempre qualche ritardo. Il motore elettrico va a sopperire a questo suo unico difetto, rendendolo a mio avviso, definitivo. 

Un altro modo di realizzare questo sistema è quello di avere il motore elettrico prima del cambio, andando quindi a sfruttare tutte le marce e non solo quelle pari o dispari. Il risultato è comunque simile: durante la guida elettriche sentirete le cambiate del cambio automatico invece di avere un'erogazione continua.

HEV assi separati

Questa soluzione prevede un motore dedicato alle ruote anteriori, ed un altro alle ruote posteriori. Normalmente, abbiamo nell'avantreno il motore endotermico, visto che occupa più spazio, e nel retrotreno l'elettrico.

Il vantaggio ovvio di questa soluzione sta nelle performance. Il motore elettrico e termico possono agire contemporaneamente sui due assi, rendendo l'auto una 4x4 e potendo scatenare a terra davvero la potenza combinata dei due motori. Ovviamente per evitare che le ruote di un asse accelerino in modo troppo diverso da quelle dell'altro non ci sarà mai una vera somma, ma rimane comunque la soluzione al momento più performante sul mercato.

Il problema è che avendo i motori separati però, non posso sfruttare l'elettrico per far partire il motore termico o ricaricare il motore elettrico con il termico qualora serva una guida continua 4x4 Quindi questi sistemi hanno un mild o micro hybrid sul motore termico, che permette di effettuare la partenza e di rigenerare energia dall'avantreno. Questo sistema inoltre mantiene intatta l'unicità del motore termico, che avrà solitamente una forma di trasmissione automatica. 

Peugeot usa questo sistema sulla 3008, così come BMW sulla 225Xe o sulle Jeep Renegade. Visto lo spazio che c'è e la distanza tra motore termico ed elettrico quest'architettura è favorita dalle PLUG-IN Hybrid ed al momento non ci sono auto costruite in questo modo solo HEV.

HEV Serie

Questa è un'architettura particolare dove il motore termico non fornisce mai energia alle ruote direttamente, ma è usato per caricare la batteria dell'auto per dare energia al motore elettrico, mediante un secondo motore elettrico che funziona da generatore. Soluzione molto semplice da implementare meccanicamente, perché non c'è bisogno di generare tutta la trasmissione tra il motore termico e le ruote, ed è possibile far lavorare il motore termico sempre al regime di massima efficienza. Ha senso Sulle REEV.

HEV Serie - Parallelo

Questo sistema prende l'HEV serie ed aggiunge una trasmissione motore-ruote che entra in gioco solo quando c'è davvero bisogno. Questo si traduce in un sistema che userà il motore termico solo ed esclusivamente nelle sue regioni di massima efficienza. A basse velocità girerà ad un rateo fisso per dare energia al motore elettrico ed alla batteria. Ad alte velocità prenderà il posto o lavorerà insieme al motore elettrico per spingere l'auto dalle ruote. 

La nuova Honda Jazz, ha un'architettura di questo tipo. 

HEV power split

Questa è la VERA macchina Ibrida. . Questo sistema usa due motori elettrici ed è in grado di funzionare sia in serie che in parallelo e combinare i motori nel modo che vuole. 

La soluzione Toyota viene definita un eCVT, un cambio a variazione continua costruito su un rotismo epicicloidale, dove le varie velocità relative dei tre motori dell'auto generano i suoi infiniti rapporti di trasmissione. Per molti è la trasmissione del futuro, ma ha un piacere di guida molto scarso per noi europei, andando più a toccare le corde degli asiatici. Richiede però una manutenzione nulla, è affidabilissima ed è molto efficiente. Renault ha dato la sua interpretazione al problema con il sistema E-Tech.

Il sistema power split è il migliore dei due mondi e quello che realizza davvero una soluzione ibrida completa e con un'ottima efficienza.

PLUG-In HYBRID (PHEV)

Le auto Plug-In Hybrid, non sono altro auto Full Hybrid con una batteria più capiente, motori elettrici più potenti e la possibilità di ricaricare la batteria da una presa di corrente esterna.

Tecnologicamente quindi non cambia nulla da ciò che ci siamo detti sopra. Rimangono in piedi tutti i sistemi di funzionamento e tutte le possibilità, solo viene aumentata la dimensione della batteria ed il peso dell'auto ed aggiunto un caricatore per trasformare la 220V nella tensione della batteria ibrida.

Molti le vedono come il meglio dei due mondi. Poter fare 40-60km in elettrico permette di coprire gli spostamenti casa-lavoro, di poter viaggiare nei centri urbani senza inquinare localmente e di godere del piacere di guida nel silenzio e con coppia immediata di un'auto elettrica. Ricaricare a casa ogni sera o a lavoro è inoltre estremamente economico. Se si sfrutta solo l'elettrico quotidianamente con ricarica casalinga, si riesce a spendere meno di un'auto a metano. 

Nel caso si debbano macinare chilometri, il motore a benzina e la rete di distribuzione di carburante sono in grado di sostenere il tutto senza problemi. Anche con batteria "totalmente scarica", una Plug-In Hybrid riesce a far risparmiare perché si comporta come una FHEV, andando a rigenerare in frenata e decelerazione e sfruttando i momenti di basso carico del motore termico per ricaricarsi. Il peso maggiore dovuto alla batteria porta a consumi più alti dell'equivalente FHEV quando la batteria è scarica, ovviamente, ma globalmente si tratta di auto con un'efficienza superiore ad una solo benzina. Questo almeno in teoria. In pratica, dopo aver visto numerosi modelli arrivare sul mercato, a batteria scarica le performance di consumo sono ottime solo sui sistemi che nascono FHEV, come quelli Toyota, Huyndai, Honda, Renault. Insomma, quelli che in modalità elettrica offrono consumi da auto elettrica. Molte altre soluzioni sono inefficienti. Se volete provare l'ebrezza del peggio, guardate al sistema 4xe di Jeep. 

Giusto per precisarlo, le batterie sono gestite in modo da non scaricarsi mai allo 0%, semplicemente sotto una certa soglia di carica l'intervento dei motori elettrici è ridotto e l'auto si comporta come una FHEV.

Questo tipo di tecnologia è visto come la salvezza delle supercar ed auto di lusso. Poter comunque contare su un motore ad alte prestazioni, roboante e godurioso, ma allo stesso tempo elettrizzarsi quanto basta per evitare multe e/o bolli, poter girare silenziosamente in città ed essere generalmente più efficienti e piacevoli nella guida quotidiana. 

Range Extender Eletric Vehicle (REEV)

I veicoli Elettrici con Range Extender non sono altro che sistemi serie FHEV, dove però la parte elettrica è predominante rispetto a quella a combustione. Come ci siamo già detti, il motore termico ha il solo ruolo di ricaricare la batteria e fornire energia al motore elettrico, ma questi mezzi sono in grado di camminare per centinaia di chilometri solo in elettrico e possono essere ricaricati alla presa come un'auto elettrica. Quando la batteria scende sotto una predefinita soglia, il motore termico entra in funzione al suo regime ottimale per ricaricare la betteria.

In un uso ideale, il range extender non dovrebbe mai entrare in funzione, a differenza di una FHEV serie ordinaria. Qui il Range Extender è un sistema d'emergenza nel caso si debbano fare ancora chilometri e non c'è modo di ricaricare l'auto. Sul mercato di questo tipo di vetture c'era la BMW i3 fino al penultimo modello, e probabilmente arriverà la Mazda MX-30. La BMW usava un motore dei loro scooter come generatore, mentre la Mazda sta pensando si usare un generatore con tecnologia Wankel.

Wow, abbiamo finito. O quasi. È tempo direi di fare un riassunto di tutto quello che abbiamo imparato con due esempi prendi dal mercato per capire come i costruttori di auto stanno elettrificando le loro automobili.

Compiti a Casa

Volkswagen 1.5 ACT eTSI DSG

Volkswagen è la prima/seconda azienda di auto al mondo, se la gioca con Toyota da sempre. Il suo insieme di marchi è diventato un simbolo dell'auto europea, una potenza mondiale. Dopo i suoi scandali con il dieselgate, dove le sue auto truccavano i risultati dei test grazie a sapienti usi della centralina, la casa sembra aver voltato pagina. Si sta lanciando nella produzione di veicoli elettrici a testa bassa, ristrutturando se stessa per cercare di non essere sotterrata da Tesla e da quel modo di fare business nel mercato dell'auto.

Non starei a guardare però la sua produzione elettrica, ma quella Ibrida, visto che Volkwagen ha forse al momento uno dei migliori esempi di motori Mild-Hybrid sul mercato. 

Il 1.5 ACT eTSI è un motore che incorpora diverse tecnologie. In primis, la strada verso l'ottimizzazione iniziò con le versioni precedenti. Quelle incorporavano sapientemente un po' tutto quello di cui abbiamo spiegato in questo articolo. Il motore opera secondo il ciclo Miller, raggiungendo un rapporto di compressione di 12,5:1. Il sistema Turbo è a geometria variabile. Il motore supporta la modalità di disattivazione dei cilindri, dove 2 dei 4 cilindri vengono spenti a bassi carichi. 

La versione precedente integrava un sistema micro ibrido, che grazie al cambio DSG poteva permettere il coasting a motore spento. L'ultima versione, integra un motore elettrico a 48V, andando a migliorare ancora di più l'efficienza. Volkswagen dichiara un miglioramento di 0,4l/100km con i vari sistemi di coasting e recupero di energia. Un miglioramento del 10% rispetto al motore senza questi accorgimenti. Al momento è possibile trovare questo motore su Golf, Octavia e Leon.

Possiamo dire quindi che questo motore fa uso di un po' tutte le cose che abbiamo spiegato fino al capitolo del Mild-Hybrid. L'anima classica, portata alla sua "massima" efficienza senza stravolgere il progetto.

E poi ci sono altre strade, come quella intrapresa da Renault.

RENAULT E-TECH

Renault invece ha fatto i compiti sul Full Hybrid. Praticamente è l'unica azienda Europea che si è lanciata in questo segmento, con gli altri che ballano tra Mild-Hybrid - Plug-In e Elettriche piene, con un motore brevettato e unico, con nome di E-Tech.

Ad una prima ispezione sempre un sistema Toyota Serie/Parallelo. Niente frizione, due motori elettrici, uno generatore ed uno di trazione. Ma Renault ha mantenuto un cambio automatico a 4 rapporti, senza frizione e senza sincronizzatori (organi meccanici che servono a sincronizzare i giri dei vari componenti durante le cambiate sui sistemi con frizione). Gli innesti sono frontali a dente di cane ed il tutto è aiutato dal motore elettrico che esegue la funzione di sincronizzatore.

Andando a sommare tutte le cose che ci siamo detti sino ad adesso, Renault ha ottimizzato il motore per percorrenze autostradali. Suo sarà il compito di prendere in mano l'auto solo ad alte velocità, con le ultime 4 marce. Il motore è aspirato, non ha bisogno del turbocompressore ed ha solo 2 valvole per cilindro, senza variatore di fase. Praticamente "un cesso" per gli standard odierni, ma ha senso se si pensa a quando viene usato.

Dopo il suo inserimento sul mercato, da molti utenti ed altri blog che l'hanno analizzato a fondo, risulta una gran ciofeca. Alcuni errori di gioventù stanno venendo risolti con aggiornamenti firmware alle centraline, ma è un sistema che vedrà la sua maturità tra una o due revisioni. Aggiornamento: le revisioni ci sono state e questo sistema è qui per restare funzionando sulla strada discretamente.

E con questo, concludiamo questa lunga disamina. Spero sia utile a qualcuno, visto il grande cambiamento che sta avvenendo nel mercato dell'auto. Se avete dubbi, domande e curiosità, se c'è qualche passaggio poco chiaro o notate qualche errore, fatemelo sapere nei commenti!

Stay Classy, Internet.