I veicoli ibridi: facciamo chiarezza

I veicoli ibridi: facciamo chiarezza

I veicoli ibridi: facciamo chiarezza – Una tecnologia all’apparenza identica in tutti i veicoli che ne fanno uso ma che sotto pelle nasconde in realtà moltissime differenze.

Un veicolo ibrido è una vettura nella quale al motore termico, sia esso benzina o diesel, vengono affiancati uno o più motori elettrici. Se il motore termico è alimentato tramite un carburante, i motori elettrici traggono il loro sostentamento da un pacco batterie che può essere situato o sul pavimento della vettura, in questo modo si va ad abbassare il baricentro della vettura e si cerca di migliorare la distribuzione dei pesi, oppure nella parte posteriore, di solito sotto il piano di carico del bagagliaio, nel caso in cui non vi siano le risorse economiche necessarie per riprogettare l’intero telaio.

Ibrido

L’ibridazione dei comuni veicoli a motore termico nasce dall’esigenza dei costruttori di voler in qualche modo ridurre i consumi di carburante e di conseguenza le emissioni inquinanti. E’ noto che i motori termici non brillano sicuramente per efficienza, in particolare in alcuni punti del loro funzionamento, e i loro rendimenti a malapena fanno segnare valori del 35%. Mentre i motori elettrici sono famosi per la loro elevata efficienza, garantiscono rendimenti anche al di sopra del 90%, sono caratterizzati da una curva di coppia massima fin da zero giri motore, non necessitano di trasmissioni e possono facilmente funzionare sia da motori che da generatori.

Infatti, se alimentati a energia elettrica questi motori forniscono potenza meccanica, se alimentati da energia meccanica (cinetica) funzionano da generatori fornendo potenza elettrica. Ogni qualvolta noi andiamo a frenare una vettura da un certa velocità (che ha quindi accumulato una certa energia cinetica a spese di un determinato consumo di carburante) trasformiamo dell’energia cinetica in energia termica (calore) che viene dispersa nei freni. Quest’ultima caratteristica è esattamente quella che ha permesso l’introduzione della frenata rigenerativa nella quale i motori elettrici in fase di rilascio o in fase di frenatura funzionano da generatori andando a ricaricare il pacco batterie con un’energia che altrimenti andrebbe persa.

Ibrido

Proprio per questi motivi i costruttori hanno pensato bene di affiancare  uno o più motori elettrici al già esistente motore termico così da aiutarlo proprio in quei momenti di minore efficienza, come le partenze, i sorpassi, le basse andature e i momenti di maggior carico, nei quali si ha il maggior consumo di carburante e si registra il maggior quantitativo di emissioni inquinanti. Attualmente in commercio esistono svariate tipologie di ibrido, ognuna diversa dall’altra in base al grado di ibridazione (potenza del propulsore elettrico rispetto alla potenza totale installata), alla capacità del sistema di propulsione ibrido di immagazzinare energia elettrica e in base al tipo di schema costruttivo adottato per l’integrazione tra il motore termico e la macchina elettrica.

Grado di ibridazione

Considerando il grado di ibridazione si posso definire tre diversi tipologie di ibrido:

Vetture full hybrid o a ibridazione piena —> Questo tipo di vetture ibride adottano il classico motore termico, benzina o diesel, uno o più motori elettrici di potenza piuttosto elevata, un impianto elettrico a 400 Volt e batterie di capacità tale da consentire alla vettura di percorre qualche chilometro in modalità puramente elettrica cioè a emissioni zero. I due motori vengono normalmente accoppiati tramite una trasmissione a variazione continua CVT oppure tramite un cambio automatico a convertitore o a doppia frizione. La simbiosi dei due motori, quello termico e quello elettrico è poi garantita dall’elettronica che ne gestisce il funzionamento permettendo a entrambi i motori di ottenere e garantire il miglior rendimento totale. Proprio per questo motivo le vetture full hybrid sono in grado di avanzare sfruttando il solo motore termico oppure solo il motore elettrico o ancora la combinazione di entrambi.

Full Hybrid

Lo stesso motore termico, nel caso in cui ce ne fosse la necessità, può essere declinato oltre alla trazione anche alla ricarica dello stesso pacco batterie. Inoltre, sempre il motore termico viene spento quando non necessario, come durante le soste, oppure la vettura può essere lasciata veleggiare con entrambi i motori scollegati. Infine nelle fasi di decelerazione e di frenatura il motore elettrico viene sfruttato come generatore di corrente per attuare la frenata rigenerativa così da ricaricare il pacco batterie sfruttando l’energia cinetica che altrimenti andrebbe persa in calore nei freni. Di questa tipologia di vettura ne esistono anche alcune nelle quali i due motori lavorano in modo separato, cioé dove il motore termico è stato adibito alla gestione di un assale e il motore termico alla gestione dell’altro assale. In questo caso i due motori non solo collegati uno con l’latro ma vengono gestiti dalla stessa elettronica permettendo quindi alla vettura di ricreare una sorta di trazione integrale ogni qualvolta il software aziona entrambi i motori nello stesso momento.

Full Hybrid

Vetture plug-in hybrid sempre a ibridazione piena —> Questo tipo di vetture ibride rispecchia in pieno quelle appena descritte (full hybrid) con la sola differenza che aggiungono una presa di corrente per la ricarica del pacco batterie tramite rete elettrica (casalinga o colonnina) e un pacco batterie di maggiori capacità consentendo in questo modo alla vettura ibrida di poter percorrere una distanza maggiore in modalità puramente elettrica cioè a emissioni zero. Per il resto sono identiche alle vetture full hybrdi e quindi ne condividono pregi e difetti oltre allo schema costruttivo.

Vetture mild hybrid o a ibridazione leggera —> Questo tipo di vetture ibride adottano il classico motore termico, benzina o diesel, un motore/generatore elettrico di modesta o ridotta potenza (sostituto del classico alternatore), un impianto elettrico a 48 Volt e batterie agli ioni di litio di minore capacità, separate dal resto dell’impianto elettrico, che consentono alla vettura di percorre alcune centinaia di metri con la sola trazione elettrica. Vera novità del sistema mild hybrid è l’impianto elettrico a 48 Volt che, sostituendo l’impianto ad alta tensione (400 Volt) dei sistemi full hybrid, si va ad affiancare al classico impianto elettrico a 12 Volt. Questa scelta progettuale ha permesso da un lato di adottare motori e pacchi batterie a 48 Volt quindi fino a 4 volte più potenti di quelli a 12 Volt, dall’altro lato di contenere le tensioni cosi da ridurre le dimensioni dei cavi addirittura del 75% in modo da contenere costi, ingombri e peso del cablaggio. Come per le full hybrid se è richiesta maggiore potenza il motore/generatore elettrico dà il suo contributo di spinta aggiuntiva al motore termico. In decelerazione o in frenata, invece, il motore/generatore agisce da freno per caricare la batteria con l’energia che altrimenti andrebbe persa.

Micro Hybrid

Attualmente in commercio esistono due diverse tipologie di sistema mild hybrid: il BSG (Belt driven Starter Generator) e il ISG (Integrated Starter Generator). Il Belt driven Starter Generator è un sistema semplice con tecnologia a 48 Volt che tramite un grosso alternatore/generatore-starter azionato a cinghia che va a sostituire il motorino di avviamento e l’alternatore. Grazie al collegamento al motore tramite cinghia il motore elettrico dell’BSG è in grado di funzionare da boost (+12.5 kW e +150 Nm) per il motore termico, da rigeneratore (10 kW) per la batteria da 48 volt, da efficientissimo start e stop e da funzione sailing per il veleggiamento quando in rilascio il motore termico si spegne. In questo modo si riescono a coprire tutte quelle fasi di minor efficienza del motore termico andando ad abbattere al contempo consumi ed inquinamento.

Belt driven Starter Generator

L’ Integrated Starter Generator, invece, è un sistema un pelo più complesso con tecnologia a 48 Volt che tramite un motore elettrico sincrono a magneti permanenti, posizionato tra motore termico e cambio, svolge le funzioni di motorino di avviamento e di alternatore/generatore così da assistere il motore termico quando ne ha bisogno e ricaricare la batteria mediante un recupero energetico ad alta efficienza. Questo motore elettrico è in grado di garantire una funzione di boost (+15 kW / +220 Nm) al motore termico, una funziona di start e stop estremamente efficiente e una funzione di rigenerazione (12 kW / 100 Nm) per la batteria da 48 volt permettendo in questo modo una considerevole riduzione dei consumi e dell’inquinamento. Questo sistema inoltre permette di eliminare il comando a cinghia per i gruppi ausiliari sul lato frontale del motore, così che sia la pompa dell’acqua che il compressore del climatizzatore vengono azionati elettricamente dal sistema a 48 volt.

Integrated Starter Generator

Vetture micro hybrid o a ibridazione minima —> Questo tipo di vetture, a dispetto del nome che portano, non sono delle vere auto ibride perché non adottano alcun tipo di motore elettrico declinato alla movimentazione della vettura. Su tali vetture viene normalmente modificato l’impianto elettrico in modo da renderlo più efficiente così da ridurre il consumo di carburante. Oltre all’impianto elettrico più efficiente si basano su sistemi Star and Stop, su alternatori di maggiori dimensioni a gestione elettronica e su batterie maggiorate capaci di immagazzinare un maggior quantitativo di energia. Grazie agli spegnimenti e accensioni automatiche nelle lunghe soste e all’energia prodotta durante i rallentamenti, tutti i servizi e gli accessori, in quanto azionati elettricamente, possono essere alimentati tramite questa energia elettrica senza gravare in termini di potenza e consumi sul motore termico.

Tipologie di ibrido

Considerando lo schema costruttivo principale si posso definire tre diversi tipologie di ibrido:

Ibrido serie —> Definita molto spesso “range extender” è uno schema costruttivo molto simile a quello utilizzato nelle locomotive diesel elettriche. E’ normalmente il sistema che troviamo nelle vetture elettriche con range extender che utilizzano un motore termico per ricaricare in moto le batterie così da estendere la capacità chilometrica totale. In questo tipo di vetture ibride il motore termico non è mai collegato alle ruote per trasmettere la trazione ma assolve unicamente il compito di generare la corrente elettrica o per alimentare il motore elettrico o per ricaricare le batterie. Il motore elettrico è quindi l’unico responsabile della trazione e attinge l’energia necessaria al suo sostentamento dalle batterie o dal motore termico o da entrambi quando viene una richiesta una grande quantità di energia. Invece, se non vi è questa grande richiesta allora l’energia superflua viene utilizzata per ricaricare le batterie.

Ibrido serie

Per poter beneficiare del massimo rendimento e ridurre al minimo le perdite di trasformazione, i motori a combustione interna in questo tipo di soluzione vengono progettati per girare sempre a un numero di giri ottimale per ottenere sempre la massima efficienza evitando così le continue accelerazioni e decelerazioni. Al contrario i motori elettrici, non soffrendo dal punto di vista dell’efficienza al variare del numero di giri motore, vengono fatti operare lungo tutto l’arco di regimi di rotazione consentendo al contempo di rimuovere o ridurre la necessità di una trasmissione complessa potendo contare su un grosso (massimo) quantitativo di coppia già da zero giri motore. Nella conversione termico-elettrica-cinetica però una buona parte dell’energia viene persa facendo crollare l’efficienza di questo tipo schema costruttivo. Ecco perché l’ibrido serie si è dimostrato ideale in quei veicoli che necessitano di continue frenate e ripartenze mentre è risultato poco adatto in quei veicoli che viaggiano a velocità costanti o elevate dove prevalgono gli ibridi con trasmissione diretta, meccanica o elettrica.

Ibrido parallelo —> In questo tipo di schema costruttivo, che ritroviamo sulla maggior parte dei veicoli ibridi in circolazione, entrambi i motori, sia l’elettrico che il termico, sono adibiti a produrre coppia e potenza alle ruote. La trazione può essere solo elettrica, solo termica o data dall’unione di entrambi i motori mentre le batterie possono essere ricaricate tramite la frenata rigenerativa garantita dal motore elettrico o tramite la produzione di corrente garantita dal motore termico. Ma vediamo nel dettaglio come si compone questo sistema. Di solito questo tipo di veicoli ibridi combinano un motore elettrico e un grande generatore elettrico in una singola unità che solitamente è situata tra il motore a combustione interna e la trasmissione, esattamente dove si trova il volano e la frizione.

Ibrido parallelo

Se da un lato il motore-generatore elettrico permette la rimozione sia del motorino di avviamento che dell’alternatore, dall’altro per poter funzionare necessita di una trasmissione a variazione continua CVT oppure di un cambio automatico a convertitore o a doppia frizione. La parte del leone la fa il motore termico sviluppando la maggior parte della potenza dell’intero powertrain ibrido mentre il motore elettrico assiste il termico nei momenti di maggiore necessità. Infine, altre volte il motore elettrico viene installato, invece che a monte del cambio (ibridi paralleli pre-trasmissione), subito a valle del cambio (ibridi paralleli post-trasmissione) o addirittura uno su un assale e uno su un altro assale (ibridi paralleli post-ruote) garantendo in questo caso la trazione integrale.

Ibrido misto —> Nello schema costruttivo misto troviamo, infine, la combinazione dei due schemi precedentemente visti, quello serie e quello parallelo. Il complesso sistema, infatti, si compone di due macchine elettriche, un generatore e un motore elettrico, e di un motore termico, benzina o diesel. La modalità costruttiva con la quale vengono collegate queste tre unità propulsive può variare da veicolo a veicolo e per questo andremo ad analizzare l’architettura della Toyota Prius HSD (Hybrid Synergy Drive) in quanto esempio molto chiarificatore. In questa vettura ibrida l’accoppiamento meccanico tra il motore termico, le due macchine elettriche e l’albero di trasmissione finale è stato realizzato tramite un rotismo epicicloidale e un riduttore.

Ibrido misto

Questo tipo di trasmissione consente tre diversi gradi di libertà che vengono selettivamente bloccati da una centralina elettronica in base allo stato di carica della batteria e alle fasi di guida. Il primo grado di libertà è occupato dal motore termico e dal motore-generatore elettrico, il secondo grado dal secondo motore elettrico deputato alla trazione e il terzo dalla trasmissione finale alle ruote. Variando continuamente il bloccaggio dei tre gradi di libertà il rotismo epicicloidale va a mimare o il funzionamento seriale oppure quello parallelo consentendo alla Toyota Prius HSD di poter avanzare in solo elettrico, in solo termico o con la combinazione di entrambi i propulsori. In definitiva questa trasmissione, chiamata e-CVT (electronic continuously variable transmission) e funzionante funzionante tramite principi simili al sistema a variazione continua CVT, è in grado di sostituire una normale trasmissione meccanica con una trasmissione definita elettromeccanica.

Toyota HSD

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