Come funzionano le auto ibride elettriche?

Cos’è un powertrain?

Il powertrain non si limita esclusivamente al motore di un veicolo: comprende tutti i componenti coinvolti nella conversione dell'energia cinetica in movimento. Di conseguenza, include anche la trasmissione, la frizione, l'albero di trasmissione, il differenziale e gli assi.

Il motore a combustione interna

Inventato alla fine del 1700 e messo in uso pratico all'inizio del 1800, il motore a combustione interna (IC) presente nelle auto e nei camion di oggi è disponibile in due tipi fondamentali:

• Accensione a scintilla (SI) - in questo tipo di motore, l'aria viene mescolata con il carburante benzina (detta anche "petrol")  all'interno dei cilindri e viene accesa mediante una scintilla generata da una candela posta sulla parte superiore della camera del cilindro. Questo è il classico motore a benzina.

• Accensione a compressione (CI) - in questo tipo di motore, l'aria viene iniettata nei cilindri e quindi compressa. Successivamente, il carburante diesel viene spruzzato nell'aria compressa e calda, causandone l'accensione. A differenza dei motori a scintilla, in questo caso non è necessaria una candela. La maggior parte dei camion è equipaggiata con motori diesel perché sono più durevoli e forniscono più coppia, il che è importante quando si spostano pesanti carichi.

I motori a scintilla (benzina) ed i motori a compressione (diesel) funzionano tramite la combustione. Quando la miscela aria-carburante viene accesa (sia tramite scintilla che mediante compressione), si verifica un processo esotermico in cui l'energia chimica del carburante viene rilasciata, producendo una temperatura ed una pressione elevate. Questa espansione spinge i pistoni verso il basso all'interno dei loro cilindri.

Quando il conducente preme sull'acceleratore, i cilindri si accendono più rapidamente e l'albero motore gira più velocemente.

La figura sopra rappresenta un veicolo tipico a trazione posteriore. Le configurazioni a trazione anteriore e trazione integrale sono altrettanto comuni e disponibili oggi.

Il motore elettrico

Ci sono due tipi di base di motori elettrici a corrente alternata attualmente disponibili :

• Motore sincrono - il rotore gira alla stessa velocità del campo magnetico rotante creato dallo statore. Vantaggi: un'elevata coppia a basse velocità e la possibilità di realizzare fisicamente motori più piccoli e leggeri rispetto ai motori asincroni.

• Motore asincrono (o ad induzione) - il rotore non gira alla stessa velocità del campo magnetico rotante creato dallo statore. Cerca sempre di "raggiungerlo" in termini di velocità.

Sebbene alcune componenti dei sistemi dell'auto funzionino con corrente continua (DC), come ad esempio i fari, l'elettronica dell'intrattenimento, la navigazione, ecc., il motore stesso funziona con corrente alternata (AC) trifase. Pertanto, per il funzionamento del motore viene utilizzato un inverter che converte la corrente continua fornita dalle batterie in corrente alternata (AC) per il motore.

I motori elettrici sincroni sono composti da uno statore e da un rotore a gabbia di scoiattolo (squirrel-cage).

Il statore è costituito da un avvolgimento a tre bobine. Il termine "statore" fa riferimento alla parte del motore che rimane stazionaria, ossia non ruota. Gli avvolgimenti sono posizionati con precisione all'interno delle fessure del statore, il quale è realizzato tramite laminazioni altamente permeabili ed inserite all'interno di una struttura in acciaio o ghisa. Quando una AC trifase passa attraverso gli avvolgimenti, si genera un campo magnetico rotante (RMF).

Come sappiamo dalla fisica di base, quando una corrente elettrica passa attraverso un filo, genera un campo magnetico. Quando viene fornita una corrente trifase agli avvolgimenti disposti a 120° di distanza, il campo magnetico generato inizierà a ruotare, come mostrato nella figura qui sotto:

Un rotore a gabbia di scoiattolo (squirrel-cage) libero di girare viene inserito all'interno dello statore fisso. Il campo magnetico rotante generato dallo statore induce una coppia sul rotore, facendolo ruotare. Quando il conducente preme sull'acceleratore, viene inviata più corrente allo statore ed il rotore gira proporzionalmente più velocemente.

Il powertrain ibrido

Al livello più semplice, un sistema di powertrain ibrido combina un motore a combustione interna (ICE) con un motore elettrico (EM). Le auto ibride di solito sfruttano la guida elettrica a basse velocità, mentre il motore a combustione interna prende il controllo alle velocità più elevate. Attualmente, la Toyota Prius è uno dei modelli ibridi più famosi sul mercato. Tutti i principali produttori automobilistici hanno già incluso o aggiungeranno presto veicoli ibridi ed auto elettriche pure alle loro linee di prodotti.

Sebbene sia possibile che il motore a combustione interna in un sistema ibrido sia un motore diesel, la maggior parte delle auto ibride attuali incorporano un motore a benzina.

Caratteristiche speciali dei veicoli ibridi

Motore a combustione interna più piccolo

Poiché il motore elettrico svolge gran parte dell'opera di propulsione, il motore IC può essere dimensionato più ridotto. Un motore a combustione interna di dimensioni contenute si traduce in un miglior rendimento del carburante ed in una minore emissione di inquinanti.

Alta coppia e potenza massima

I motori elettrici offrono una coppia elevata ed una potenza massima considerevole. I motori a combustione interna non sono particolarmente efficienti nel superare l'inerzia ed avviare un veicolo fermo, ma i motori elettrici si distinguono in questo compito. Il risultato è un miglioramento delle prestazioni del veicolo.

Recupero dell'energia

Con i tradizionali motori a combustione interna, il carburante liquido può essere rifornito solo fermando il veicolo ed aggiungendo carburante al serbatoio da una fonte esterna.

D'altra parte, il sistema di propulsione elettrico è "bidirezionale". Il motore elettrico può riassorbire energia nel sistema delle batterie durante il funzionamento. Ciò avviene attraverso il freno rigenerativo, che trasforma l'energia cinetica in elettricità. Il processo di cattura di questa elettricità generata durante la frenata è chiamato recupero dell'energia.

La frenata dinamica utilizzata dalle auto a combustione interna impiega pastiglie dei freni ed attrito per rallentare e fermare il veicolo. In questo caso, l'energia cinetica generata dal veicolo viene dissipata sotto forma di calore e si disperde, riducendo l'efficienza del carburante.

D'altra parte, la frenata rigenerativa sfrutta il motore elettrico. Quando agisce in senso inverso, il motore elettrico applica un carico alle ruote motrici, rallentandole. In questa modalità inversa, un motore elettrico agisce come generatore, trasformando l'energia cinetica di frenata del veicolo in elettricità. Questa energia viene poi immagazzinata nuovamente nel sistema delle batterie.

Secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, un sistema di frenata rigenerativa può recuperare fino al 22% dell'energia durante una combinazione di guida urbana ed autostradale. I veicoli elettrici presentano solo una perdita di energia dal 15% al 20% rispetto al 64% al 75% dei veicoli a combustione interna. Questo rende i veicoli elettrici efficienti al 60% al 73%. Considerando gli effetti positivi della perdita minima di energia durante il ralenti e la frenata rigenerativa, questa efficienza aumenta dal 73% al 100%.

Va notato che i freni a frizione convenzionali vengono ancora utilizzati in parallelo, poiché i freni rigenerativi potrebbero non rallentare il veicolo abbastanza rapidamente come richiesto. Inoltre, potrebbero non essere in grado di fermare completamente il veicolo o impedirne il rollio quando l'auto è su una collina. A causa del loro principio di funzionamento, i freni rigenerativi sono indicati come sistemi di recupero cinetico (KERS - Kinetic Recovery Systems).

Fonti di propulsione ridondanti

A differenza dei veicoli a combustione interna convenzionali o dei veicoli puramente elettrici, i veicoli ibridi elettrici possono essere propulsi sia dal motore a combustione interna, dal motore elettrico o da entrambi contemporaneamente.

Rifornimento più rapido

A differenza dei veicoli completamente elettrici, un veicolo ibrido ha un sistema a motore a combustione interna (ICE) a bordo che può essere rifornito in pochi minuti. Le batterie del motore elettrico possono essere ricaricate dal motore a combustione interna durante il funzionamento del veicolo o quando il veicolo è fermo e collegato ad una fonte di energia elettrica.

Tipi di motori ibridi di oggi

Oggi esistono diverse configurazioni di veicoli ibridi elettrici (HEV - hybrid electric vehicles):

Serie HEV

Nei veicoli ibridi in serie, il motore a combustione interna non è direttamente collegato al gruppo motopropulsore, ma viene utilizzato per alimentare il motore elettrico. 

HEV parallelo (PHEV)

Nei veicoli ibridi in parallelo, sia il motore a combustione interna che il motore elettrico sono collegati indipendentemente alla trasmissione del veicolo. Di conseguenza, possono entrambi fornire propulsione contemporaneamente... in parallelo. Quando la batteria si scarica, il motore a combustione interna può assumere il controllo per guidare l'auto.

HEV in serie-parallelo (SPHEV)

Nei veicoli ibridi in serie-parallelo, il motore a combustione interna ed il motore elettrico operano in parallelo per fornire la propulsione. Inoltre, un secondo motore elettrico è impiegato per caricare la batteria. Un esempio notevole di veicolo ibrido in configurazione serie-parallelo è la Toyota Prius, un'icona nel mondo delle auto ibride elettriche.

Ibrido plug-in (PHEV)

Nei veicoli ibridi tradizionali, il sistema delle batterie si ricarica grazie al motore a benzina ed alla frenata rigenerativa. Al contrario, i PHEV possono essere collegati ad una fonte di alimentazione esterna per la ricarica delle batterie. Grazie a batterie di maggior capacità rispetto ai modelli ibridi standard, i veicoli ibridi plug-in hanno una maggiore autonomia quando alimentati solo dal motore elettrico.

Pro e contro dei veicoli ibridi elettrici

Pro:

• Gli HEV (veicoli ibridi elettrici) sono più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante rispetto ai veicoli a combustione interna (ICE).

• Gli HEV producono meno inquinamento da CO2 rispetto ai veicoli a combustione interna.

• Gli HEV hanno una migliore coppia a bassa velocità rispetto alla maggior parte dei veicoli ICE.

• A differenza dei veicoli puramente elettrici, gli HEV possono funzionare con benzina per la guida a lungo raggio.

• Sono più silenziosi acusticamente rispetto ai veicoli a combustione interna a causa del motore a benzina più piccolo.

• Sono meno costosi rispetto alla maggior parte dei veicoli elettrici (EV).

Contro:

• Costo iniziale più elevato rispetto ai veicoli ICE standard.

• Le riparazioni al sistema elettrico sono generalmente più costose rispetto ai veicoli a combustione interna.

• Prestazioni a velocità elevate inferiori rispetto alla maggior parte dei veicoli a combustione interna e veicoli puramente elettrici.

• Non sono acusticamente silenziosi come i veicoli puramente elettrici.

• Gli HEV producono più inquinamento da CO2 rispetto agli EV, che non ne producono affatto*. 

* Nota: Le batterie dei veicoli elettrici vengono tipicamente caricate tramite la rete elettrica. Nel 2021, il 61% dell'elettricità negli Stati Uniti è stata prodotta da combustibili fossili. In Europa, questo numero era del 76% e nell'Asia/Pacifico era dell'85%. Per ulteriori dettagli, consultare IRENA.org.

Tendenze del settore

Le auto ibride elettriche sono state lanciate a livello globale nel 2001, mentre i veicoli completamente elettrici nel 2010. Entro il 2021, le vendite di auto ibride elettriche negli Stati Uniti hanno superato le 800.000 unità, rappresentando il 5% delle vendite totali di veicoli leggeri nel paese. Tra queste vendite, oltre la metà erano costituite da veicoli Toyota.

Le auto completamente elettriche hanno raggiunto quasi 500.000 unità, mentre le ibride plug-in hanno toccato circa 200.000 unità. Tuttavia, nonostante questi numeri notevoli, i  HEV, PHEV o EV rappresentano ancora meno dell'1% di tutti i veicoli in circolazione negli Stati Uniti . Si stima che entro il 2050, circa il 50% dei veicoli sulle strade negli Stati Uniti saranno di tipo HEV, PHEV o EV. In termini percentuali, il Giappone è leader mondiale nell'adozione di veicoli HEV ed EV, seguito dagli Stati Uniti al secondo posto e dall'Europa al terzo posto.

Conclusioni

I veicoli HEV ed EV sono ormai parte integrante del panorama automobilistico e stanno guadagnando rapidamente popolarità. Rappresentano un'importante via per ridurre ed, a lungo termine, eliminare la nostra dipendenza dai combustibili fossili e le relative emissioni di CO2.