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pubblicato il 8 gennaio 2011

Ibrido ed elettrico, le infinite sfumature

Il passaggio dal petrolio all’elettrico può essere definito in vari modi

Ibrido ed elettrico, le infinite sfumature
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Il veicolo ibrido inteso come auto elettrica parziale rappresenta un importante punto di arrivo della tecnologia automobilistica, ma è anche un punto di partenza verso l'auto elettrica totale. Nella linea evolutiva che unisce ibrido ed elettrico esistono due vie di mezzo: l'ibrido plug-in e l'elettrico ad autonomia estesa (REEV - Range Extended Electric Vehicle). Non esiste un criterio netto per distinguere le due razze, ma quello secondo noi più valido e oggettivo è rappresentato dal collegamento tra le ruote e il motore a scoppio, che in entrambi è presente. Su un ibrido plug-in l'unità a combustione interna - in modo diretto o indiretto, continuamente o a tratti - dà coppia alle ruote, mentre su un REEV è solo il motore elettrico a farlo in ogni condizione di marcia, con quello a scoppio impegnato esclusivamente a ricaricare la batteria (pur senza escludere la possibilità di allacciarsi alla presa domestica). A ognuno tuttavia piace definirsi come vuole.

IBRIDA O ELETTRICA? OGNUNO È QUEL CHE GLI PARE
Ad esempio, la Chevrolet Volt (e Opel Ampera) si presenta come un'elettrica ad autonomia estesa, ma un collegamento meccanico indiretto tra il 4 cilindri 1.4 a benzina e le ruote esiste ed è stata la stessa casa americana a svelarlo in occasione della presentazione alla stampa avvenuta alla vigilia della sua introduzione sul mercato d'Oltreoceano. Oltre a questo, le impressioni del nostro primo test dicono chiaramente che in talune condizioni entrambi i motori rimangono avviati, anche quando il livello di carica della batteria sarebbe sufficiente a garantire al solo motore elettrico l'energia per dare trazione alla vettura. Al contrario, la Fisker Karma si definisce ibrida plug-in, ma a muovere l'auto sono i due motori elettrici montati al retrotreno (uno per ogni ruota), mentre il motore 2 litri turbo a iniezione diretta di origine General Motors (collocato anteriormente) assolve una duplice funzione: ricaricare la batteria all'esaurirsi dell'energia accumulata dalla rete elettrica e durante le richieste di massime prestazioni, garantendo in ogni caso il surplus di potenza che la batteria non potrebbe comunque fornire.

IBRIDO IN SERIE O IN PARALLELO
La questione dunque è alquanto controversa, anche perché riguarda sfumature tra due mondi - quello del motore alimentato con idrocarburi e quello alimentato ad elettroni - ai quali in precedenza avevamo dato genericamente la definizione di ibrido. Torniamo dunque alle origini e diciamo che cosa è un veicolo ibrido: è un mezzo di trasporto dotato di un sistema di propulsione composto da un motore a combustione interna e uno più motori elettrici. La disposizione reciproca di queste due sorgenti rispetto alle ruote che trasmettono il moto caratterizza la natura dell'ibrido, che può essere così definito "in serie" o "in parallelo". Un ibrido è in serie se il motore a scoppio produce l'energia elettrica che viene poi trasmessa tramite un generatore alla batteria che supporta il motore elettrico. Un ibrido è in parallelo se entrambi i tipi di motore forniscono insieme o in alternanza, secondo tempi e modalità differenti da auto a auto, sommando le rispettive coppie e potenze da convogliare verso le ruote motrici. Le principali modalità di funzionamento di un parallel hybrid sono concettualmente quattro. "Marcia Normale": il motore a combustione interna fornisce la trazione e parte della coppia trascina la macchina elettrica per ricaricare le batterie. "Accelerazione": l'unità endotermica è coadiuvata dal motore elettrico nel fornire coppia ai semiassi, che ricevono anche tutta l'energia presente nelle batterie escludendo del tutto la fase di ricarica."Rigenerazione": nel transitorio di rilascio il motore a scoppio viene trascinato e fornisce il moto all'unità elettrica per ricaricare le batterie; Nei rallentamenti e nelle frenate di media intensità l'energia, altrimenti dissipata in calore, viene in buona parte recuperata per ricaricare gli accumulatori. "Marcia Elettrica": la batteria alimenta il motore elettrico affinché dia trazione al veicolo, con il limite (dettato dalla struttura della batteria stessa) di non poter garantire una elevata autonomia. In entrambe le architetture (serie o parallelo), i punti di forza dei motori elettrici (rendimento e coppia elevati a basso numero di giri) sopperiscono alla maggiore criticità del motore a scoppio (sofferenza nei transitori), permettendo così di ridurre i consumi a parità di potenza erogata e ridurre la "taglia" dei motori endotermici (downsizing).

I GIOCHI SEMANTICI SUL FILO DEGLI ELETTRONI
Stando a queste definizioni, sono ibride parallele le Honda ibride (Civic, CR-Z, Insight), la BMW ActiveHybrid7, la Mercedes S400 Hybrid, la Porsche Cayenne e la Volkswagen Touareg e infine la Infiniti M35h. Sono invece ibride in serie auto come la Fisker Karma mentre già la Volt è una via di mezzo, come del resto lo è il sistema di Toyota. Anche su Prius e Auris, oltre alle varie Lexus ibride (CT 200h, RX 450h, GS 450h, LS 600h), infatti il sistema può spingere l'auto con il solo motore a scoppio, con il solo motore elettrico o con entrambi lasciando che il primo rimanga in azione senza essere collegato alle ruote per ricaricare la batteria. Questa combinazione avviene attraverso un sistema a rotismi epicicloidali denominato "Power Split Device" che collega attraverso un singolo componente meccanico il motore a scoppio, quello elettrico di trazione e l'alternatore. Il sistema della Volt è molto simile, quello che cambia è il grado di elettrificazione - diretta conseguenza della batteria - molto più capiente e potente sulla Volt. Su una Prius la potenza è di 27 kW e il motore elettrico eroga 60 kW e 200 Nm con un'autonomia massima di 2 km e una velocità massima di 50 km/h ad emissioni zero. Nella versione plug-in questi dati migliorano notevolmente: 20 km di autonomia in elettrico con velocità massima di 100 km/h grazie alla batteria agli ioni di litio che eroga una potenza di 100 kW e ha una capacità di 5,2 kWh. Sulla Volt la batteria ha una capacità di 16 kWh e una potenza di 90 kW, mentre il motore elettrico eroga 111 kW e 350 Nm.

L'IBRIDO DEFINITO PER TASSO DI ELETTRIFICAZIONE
Tutto questo per dire che l'ibrido può essere definito anche in base al tasso di elettrificazione del sistema. In questo senso possiamo distinguere il "micro ibrido", l'"ibrido morbido" o "mild", e l'"ibrido pieno" o "full". Per micro ibrido s'intende una vettura provvista almeno di stop&start e di sistema di recupero dell'energia in rilascio realizzato attraverso un alternatore che ricarica solo in rilascio. In questo modo si recupera parte dell'energia cinetica e si riducono gli assorbimenti quando si marcia a velocità costante o in accelerazione. Già per applicazioni ibride di questo tipo è necessaria una batteria diversa che, solitamente, è del tipo AGM accoppiata a piccoli supercapacitori come nel caso del sistema e-HDI di PSA Peugeot-Citroen, che usa uno starter generatore integrato nel volano. I supercapacitori hanno il pregio di caricarsi molto velocemente di grandi quantità di energia e di restituirla in maniera altrettanto celere, assicurando in questo modo riavvii velocissimi. Qui l'elettrificazione gioca - per così dire - ancora in difesa.

QUANDO L'ELETTRICITÀ COMINCIA A GIOCARE D'ATTACCO...
Per ibrido mild si intende un'auto nella quale il motore elettrico aiuti in accelerazione e ripresa quello a scoppio, ma la sua potenza non sia tuttavia sufficiente a muovere da sola la vettura. Il motore elettrico svolge anche le funzioni di stop&start e di recupero dell'energia, ma in modo più intenso rispetto a un micro-ibrido poiché la prima azione frenante è compiuta dal motore elettrico stesso, che può recuperare così ancora più energia. E' necessaria però una messa a punto più complessa dell'impianto frenante, che adotta un servofreno elettrico per armonizzare le due fasi della frenata impressa con il pedale: la coppia negativa proveniente dal motore elettrico e il momento decelerante dato dalla meccanica, con i pistoncini che imprimono la forza sul disco attraverso le pastiglie. D'obbligo citare l'elettrificazione di altri componenti, come la pompa del climatizzatore e del servosterzo idraulico, sempre che non sia elettromeccanico. In questa classificazione rientrano le già citate Honda, Mercedes S400 Hybrid e BMW ActiveHybrid7. Il salto di potenza della parte elettrica ha come protagonista la batteria, che deve essere "almeno" al nichel-metal-idruro, ma esistono modelli mild hybrid provvisti di batteria al litio, molto più compatte e leggere, ma altrettanto costose.

...E PUÒ FARE ANCHE DA SOLO
Per ibrido full si intende invece un'auto nel quale il motore elettrico è in grado di spingerla da solo. Crescono la potenza elettrica installata e, di conseguenza, anche la quota di energia recuperabile. Aumentano anche la potenza e capacità della batteria che, a parità di tecnologia (nichel-metal-idruro o litio), aumenta proporzionalmente di peso e volume. L'elettrificazione dei componenti è ancora più spinta: l'impianto frenante diventa necessariamente elettroidraulico, le pompe del cambio (se è automatico o automatizzato di vario tipo) di lubrificazione e attuazione diventano elettriche. Stando a questa definizione e ricordando che, in ogni caso, l'ibrido implica la presenza del motore a scoppio per produrre quantomeno energia elettrica se non moto, anche le cosiddette elettriche ad autonomia estesa rientrano nella categoria dell'ibrido, metaforicamente inteso come quel lungo ponte costituito da molteplici soluzioni tecnologiche che fanno da tramite tra l'era del petrolio e quella degli elettroni.

QUESTIONI DI LIQUIDO
Ed è proprio allo stivaggio di queste due "sostanze" che è legata la transizione tra le due "ere". Oggi la benzina o il gasolio rappresentano vettori di energia formidabili: sono abbondanti, sicuri, maneggiabili da tutti in modo veloce, molto densi di energia e sono liquidi, dunque assumono la forma del contenente che ha un peso e un costo irrilevanti. Queste caratteristiche fanno sì che con le nostre mani in 3 minuti riusciamo a stivare nella nostra vettura quello che è necessario a farla marciare per centinaia e centinaia di chilometri. L'energia stivata, ovvero il contenuto, nell'auto elettrica non ha peso in sé, ma il contenente sì, eccome! Una batteria al litio per un'automobile elettrica pesa circa 250 kg, ha un volume tipico di 150 litri, costa almeno un terzo dell'intera vettura e per ricaricarla occorrono in media 6 ore per avere un'autonomia di 130-150 km. In mezzo a questi due estremi c'è l'ibrido che, come in un'evoluzione della specie, vedrà vetture con serbatoi sempre più piccoli e batterie sempre più capienti e potenti, il cui aumento di costo, volume e peso si spera venga bilanciato dall'evoluzione tecnologica ed industriale che le dovrebbe rendere più piccole, leggere ed economiche.

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Autore: Nicola Desiderio

Tag: Tecnica , mobilità sostenibile , auto elettrica , auto ibride


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