Previsioni (e motivi) sulla diffusione delle auto ibride ed elettriche

1999 EV1 by GM
Creative Commons License photo credit: RightBrainPhotography

Articolo del luglio 2010 presente in originale nel gruppo Hainz di google.

Spesso commentando i miei articoli molti amici mi dicono “ma parli sempre di ibridi”. Devo dire che non hanno tutti i torti, ma il motivo è presto detto: ritengo che questa sia la vera soluzione per l’immediato futuro (3/5 anni) insieme al possibile uso di piccole auto elettriche per l’uso urbano.

Siccome l’argomento “mobilità sostenibile” è vasto in questo primo articolo mi concentrerò sugli ibridi che, come molti sanno, vanno dall’ibrido che aiuta il termico definito“mild” come quello della Honda Insight all’ibrido “full” della Toyota Prius (il motore elettrico può spingere da solo l’auto) o alla Volt di General Motors (in realtà un’elettrica ad autonomia estesa con un motogeneratore).

Premetto subito che nessuno di questi sia esattamente l’ibrido che si diffonderà per i seguenti motivi:

– l’elettrico di Honda permette piccoli miglioramenti nel consumo e non permette di procedere con il solo motore elettrico per i piccoli spostamenti;

– la Prius ha un ottimo ibrido che diverrà l’anno prossimo anche plug-in garantendo 20 km di autonomia in puro elettrico, ma in sostituzione del cambio ha un riduttore epicicloidale specifico per questa applicazione che non ha rendimenti confrontabili a quelli dei cambi manuali oltre alla necessità di avere due motori elettrici.

Come dico sempre la chiave fondamentale per il successo (e quindi la diffusione) nel settore automotive è la condivisione di componenti. Per questo ritengo l’ibrido ideale il seguente: un piccolo motore turbo abbinato ad un cambio a doppia frizione sul quale interviene anche il motore elettrico sufficientemente potente da spingere l’auto a bassa velocità e nei tratti urbani.

Esistono già motori abbastanza piccoli con cambi a doppia-frizione efficienti come ad esempio la Golf con il 1,4 tsi e il cambio a doppia-frizione DSG con frizioni a secco a 7 marce, un analogo abbinamento arriverà a settembre anche su Giulietta con il 1,4 turbo Multiair da 170cv con il TCT a 6 marce. Queste auto hanno già ottime percorrenze in autostrada e nei tratti extraurbani, ma hanno un consumo in città abbastanza elevato come del resto nei piccoli tragitti urbani in cui la centralina motore inietta più benzina del necessario in modo da innalzare la temperatura dei gas di scarico per velocizzare il warm-up del catalizzatore. Si arrivano anche a percorrenze imbarazzanti per questi Euro V supertecnologici sopratutto in inverno, io stesso, più volte, ho percorso 5km in città con 1 litri di benzina quando magari in autostrada se ne fanno 13/14km al litro!

Per queste percorrenze servirebbe un motore elettrico, perciò se aggiungiamo all’interno del cambio a doppiafrizione (o esternamente dal lato opposto del motore termico) un motore elettrico che possa, quindi, agire anche solo su alcune marce (per esempio le pari) otteniamo un perfetto ibrido con costi contenuti, perché i componenti sono gli stessi della versione normale (quindi decisamente ammortizzati). In più posso realizzare la versione ibrida sulle medesime linee produttive della versione normale seguendo per di più il mix produttivo richiesto dal mercato.

Inoltre la rapida diffusione di questi ibridi nei prossimi anni ridurrà fortemente i costi dei soli componente aggiunti: i motori elettrici, gli inverter e, in parte, le batterie. Queste ultime miglioreranno in prestazioni e il loro costo diminuirà, ma non esponenzialmente in quanto il litio non è un materiale comune in natura (e infatti si stanno studiando altri tipi di batterie come le zinco-aria). Inoltre gli spazi ristretti e la necessità di avere auto leggere per consumare poco mi fanno pensare che l’autonomia in elettrico debba essere di 20/30km reali; solo così l’auto ibrida sarà un vero vantaggio per tutti i clienti e piacerà anche ad Harald Wester, chief enginering di FiatChrysler, che sostiene che ora l’ibrido non costituisca un vantaggio per il cliente essendo ancora troppo costoso.

Di tutt’altra idea sono gli ingegneri e il management di General Motors che sta per lanciare la sua elettrica ad autonomia estesa con la quale si percorrono 64km in puro elettrico.
Il problema di quest’auto è che non è competitiva a meno di non essere fortemente sovvenzionata da governi con incentivi o sgravi fiscali come fatto in America. Inoltre tutti sottovalutano un fattore: il pacco di batterie per 64km di autonomia è particolarmente pesante (180kg) e ingombrante, ciò ha imposto un’abitabilità per sole 4 persone con un vano di carico limitato.
In più GM sostiene che l’auto possa essere usata in modalità puramente elettrica per l’80% degli americani, perché giornalmente percorrono meno di 60km per andare al lavoro, ma questo dato non dà l’esatta trasposizione della realtà. Infatti il dato privo della distribuzione non ha alcun significato e vi propongo questo esempio significativo che ho in casa: mio padre al lunedì mattina prende l’auto e si fa 200km per andare al lavoro (lavora in un’altra regione), durante la settimana si ferma in zona dove difficilmente percorre più di 20km e al venerdì rientra facendo altri 200km. Il totale è 420km la cui media giornaliera è proprio 60km, peccato che la distribuzione degli spostamenti non si concentra attorno ai 60km! Vi sono anche utilizzi completamente diversi come quello di mia madre che usa l’auto praticamente solo in città: per andare al lavoro quando piove distante 2 km netti e per gli spostamenti cittadini al massimo di 4/5km a tratta che, sommate, difficilmente nell’arco della giornata superano i 10-12km.

Perciò ritengo che un’autonomia in puro elettrico di 20/30 km è più che sufficiente per tutti quelli spostamenti cittadini e non, si può quindi sistemare le batterie al di sotto dei sedili posteriori dove attualmente vi è il serbatoio del carburante. Quest’ultimo può essere spostato per esempio al di sotto dei sedili anteriori con una sezione triangolare e sfruttando il fatto che la benzina è liquida e quindi non ha una forma propria come fatto da Honda con la Civic http://www.flickr.com/photos/gruppohainz/6883398729/

Tornando al discorso sulle percorrenze urbane devo segnalare i microspostamenti del tipo “ho la macchina fuori, la metto in garage” e i piccoli spostamenti che sono particolarmente nocivi, in quanto, non si riesce a far entrare in temperatura il motore e, di conseguenza, neanche il catalizzatore. Quest’ultimo componente lavora unicamente a temperature molto elevate (inizia a funzionare dai 350°), perciò, secondo dati fornitemi da un famoso motorista, se l’auto si trova a 20° impiega 2 minuti per entrare in temperatura (immaginatevi quando ce ne sono 0° o in montagna a -20°!). Ma la cosa più impressionante è che in questi due minuti si concentrano il 90% delle emissioni veramente nocive come HC, NOx e CO che sono cancerogene!

Devo inoltre sfatare un altro mito e cioè che l’ibrido non ha vantaggi in autostrada. Innanzitutto non si tiene conto del fatto che molto spesso anche queste arterie sono congestionate e che gli ibridi attuali prevedono motori aspirati oltre a sistemi che funzionano da cambio di velocità, ma non hanno i rendimenti di un cambio meccanico come ad esempio Prius e le Lexus. L’ibrido di cui vi parlo, invece, dispone di un cambio a doppiafrizione con frizioni a secco, perciò con il rendimento di un cambio meccanico e con l’efficienza di una spinta continua e corposa fornita, se necessario, da entrambi i motori. Per di più, come avvenuto sulla Prius, si possono eliminare tutti quei sistemi che durante la storia dell’auto si sono aggiunti mano mano al motore collegandosi per lo più tramite la cinghia secondaria o “dei servizi” o dall’albero motore con il risultato di dover seguire i carichi del motore e i suoi regimi:

– alternatore e motorino di avviamento (ci pensa il motore elettrico);

– il condizionatore che diventa elettrico, quindi “on-demanded” e posto lontano da una fonte di calore come il motore (non considerato durante i vari cicli di omologazione);

– pompa del vuoto e servosterzo idraulico (quest’ultimo è già stato soppiantato in molte vetture dall’elettrico che porta un risparmio dell’1% del consumo essendo anch’esso “on-demand”) ;

– pompa olio elettrica;

– pompa acqua elettrica per un più veloce warm-up;

Si possono anche prevedere altri sistemi intelligenti per scaldare prima il motore come uno scambiatore tra motore elettrico e olio cambio o con il liquido di raffreddamento del motore termico.

La vera svolta, però, la si avrebbe con un sistema di navigazione intelligente che analizzi il percorso da fare e il traffico. Tale sistema riconoscerebbe se si sta salendo un passo appenninico (quindi l’altimetria e la velocità media) dando fondo a tutta la riserva elettrica sicuro che poi in discesa potrà ricaricare le batterie quanto si vuole sfruttando l’energia potenziale accumulata e, se si è in estate e la discesa è particolarmente lunga, si può utilizzare l’energia rigenerata per far andare il compressore del condizionatore per accumulare liquido freddo. Oppure, se si stanno percorrendo gli ultimi km di autostrada prima di entrare in città, il navigatore lo rileva e comunica al sistema ibrido di aumentare il carico del motore termico in modo da far funzionare il motore elettrico come generatore, cosicché si caricano a sufficienza le batterie per arrivare a casa senza dover far funzionare il motore a benzina (o diesel) in città (dove ha un rendimento bassissimo sfruttando, invece, le batterie e il motore elettrico che ha rendimenti decisamente superiori e consuma molto poco negli stop ai semafori e altro). Questo sistema non è ancora presente su nessuna auto e sottolineo come di questa mia “invenzione” ne parlai già l’anno scorso nell’articolo sull’ibrido Fiat: Ibrido Fiat, il più furbo

Bmw, però, sta implementando un sistema analogo per la sua Serie 5 ibrida che permettere di estendere l’autonomia dell’elettrico del 30%. Ritengo, però, che la vera soluzione è l’integrazione di questi sistemi di navigazione intelligenti con dati provenienti sul traffico dal un bacino il più vasto possibile. Ed è per questo che penso che Fiat debba acquisire un sistema di navigazione condiviso anche con i cellulari come quello proposto dall’americana Waze (c’è per Android, iPhone, Blackberry e Symbian). Un ulteriore vantaggio è la possibilità da parte dell’Anas o del responsabile di poter analizzare i dati sul traffico per migliorarne la viabilità (e ne avrebbero assolutamente bisogno); anche le Case auto potrebbero trarne beneficio registrando magari come l’auto viene utilizzata aggiungendo eventualmente anche alcuni parametri del sistema ibrido e dei motori in modo da capire eventuali problemi (magari registrando in una “scatola nera” gli ultimi 30km utili anche per le compagnie assicurative).

Vi è però una categoria di auto che trarrebbe ancor più vantaggio dalla trasformazione in ibrido: si tratta di tutte quelle auto a trazione integrale, in particolar modo quelle con motori trasversali perché hanno un basso rendimento dato dall’aggiunta di due differenziali e dall’albero di trasmissione.

Queste auto hanno un consumo più elevato rispetto alle analoghe versioni con la sola trazione anteriore per via del maggior peso e del peggioramento del rendimento dovuto all’aggiunta di due differenziali che ne compromettono il rendimento (in “costruzione di veicoli” si è sempre fatto idealmente e molto approssimativamente un conto semplice e molto ottimistico: 0,98*0,98=0,96…4 punti percentuali persi subito) oltre ad un’inerzia maggiore.

Se quindi all’ibrido da me presentato aggiungiamo un motore elettrico posteriore (o uno per ruota migliorando la dinamica se è massa non sospesa) si riescono ad eliminare il doppio passaggio dai differenziali (si ha un rendimento migliore) e l’albero di trasmissione. Ci sono, quindi, vantaggi anche per l’abitabilità in quanto non si deve avere tunnel centrali particolarmente alti e ingombranti che sono limitanti sia nelle versioni a trazione integrale che quelli con la semplice trazione anteriore. In genere un’auto a trazione integrale pesa 100kg di più rispetto a quella con la sola trazione anteriore e un’ibrida a trazione anteriore un buon 150kg, ma un’ibrida a trazione integrale circa un 180/200kg. Perciò la differenza di peso rispetto alla trazione anteriore è molto elevata, mentre rispetto all’integrale “meccanica” il delta peso si riduce a 80/100kg. Ci sono marchi, come Peugeot, che non hanno auto a trazione integrale (a parte 4007 fatta con Mitsubishi), perciò il loro pianale non era pensato per il passaggio dell’albero di trasmissione. Con questo “escamotage” riescono come nel caso della 3008 ad avere un’auto integrale per di più ibrida. Questo sistema si diffonderà anche ad altre Peugeot come la 308 ma sopratutto la RC-Z, tutte abbinano il 2 litri diesel da 163cv con un motore elettrico posteriore da 37cv ottenendo ottime prestazioni con consumi davvero contenuti (si parla per il crossover 3008 di 109g/CO2 nel ciclo omologativo) e una silenziosità nel traffico cittadino eccezionale perché il diesel rimane spento!

Concludo sottolineando come se un costruttore restio all’ibrido come Volkswagen ha appena presentato il Touareg ibrido e prevede che il 20% della prossima generazione della Golf sarà ibrida un motivo ci sarà.

Enzo Ceroni – Hainz 31/07/2010

Un piccolo angolo di fantasia per spiegarvi il funzionamento dell’ibrido di cui vi parlo e delle potenzialità dell’integrazione con il navigatore intelligente.

Pensate alla concept elettrica ad autonomia estesa (E.r.e.v.) di Chrysler: la 200C presentata a Detroit nel 2009, come si può vedere dallo spaccato reperibile su internet quest’auto prevedeva un motore elettrico da 200kW e 400Nm (più del nuovo V6 Pentastar che si ferma a 360Nm) che agisce sulle ruote posteriori, mentre nel grande cofano anteriore vi è un motore bicilindrico di cilindrata ignota che, abbinato ad un generatore elettrico, generava 55kW.

Pensiamo a provare quest’ipotetica Chrysler/Lancia dotata, ovviamente, del sistema di navigazione e gestione delle batterie di cui ho parlato in tre tipi di percorrenze “virtuali”.

Il primo è quello cittadino dove la centralina che comanda la gestione dell’auto supportata dall’impostazione del conducente per un percorso di 4 km al mattino e successivi 7km al pomeriggio procede spinta solo dai motori elettrici in quanto la necessità di spostamento è inferiore ai 20 km di autonomia in puro elettrico.
Ma passiamo ad un secondo test ben più critico e costituito dalla partenza da Milano in inverno per una destinazione di montagna. Come previsto anche per la Volt si controlla lo stato di carica delle batterie direttamente dallo smartphone dal quale si impostare l’orario di partenza previsto. Se l’auto è in garage o collegata ad una presa elettrica si preparerà per il viaggio caricando le batterie in tempo, scaldando l’abitacolo ed eventualmente l’olio del cambio.

Entrati nell’auto con un semplice comando vocale al navigatore del tipo “montagna” si impostano subito i parametri e il percorso del sistema di navigazione. La centralina rileva la lunghezza, l’orografia e il traffico del percorso indicato e cioè 200km totali di viaggio comprendente 5km in città, alcuni km in tangenziale seguiti da 100km in autostrada e un tratto finale composto da strade di montagna con un passo, un po’ di strada extraurbana a velocità sui 60-70km/h e una salita finale lunga.

Si parte in modalità elettrica con il motore anteriore più piccolo ed efficiente attivo supportato negli scatti come negli eventuali sorpassi dal motore posteriore. Si arriva in tangenziale procedendo in elettrico fin tanto che le batterie non sono scariche, a quel punto entra in funzione il piccolo bicilindrico che spinge sia le ruote per la velocità di crociera che il motogeneratore anteriore che ricarica le batterie (andando quindi a funzionare a carichi maggiori dove ha un miglior rendimento) sino al casello di uscita. A quel punto le batterie sono completamente cariche e si inizia a salire sul primo passo spinta dai motori elettrici, ma, siccome la centralina rileva un’insufficiente autonomia in elettrico, viene comandata l’accensione anche del motore a benzina che supporta il tutto. Si arriva in cima al passo con batterie praticamente scariche che si caricano completamente durante la discesa attraverso il recupero di energia ottenuto sulle 4 ruote attraverso i due motori elettrici, mentre il motore termico rimane completamente spento, ma sempre caldo attraverso la chiusura di parte della griglia frontale. Arrivati in fondovalli si procede con il motore elettrico anteriore a bassa velocità aiutato durante i sorpassi e a velocità più elevate dal motore elettrico posteriore. A 20km dall’inizio della salita finale il motore termico torna a funzionare in modo da caricare al massimo le batterie in vista dell’ultima salita sulla cui sommità si arriva grazie a tutti e tre i motori e attingendo a fondo alla carica delle batterie.

Vi è anche un vantaggio ulteriore nel caso abbia iniziato a nevicare: la perfetta dosabilità della potenza del motore elettrico, cosa che garantisce una sicurezza ulteriore e una tranquillità impareggiabile (le Prius infatti vanno bene sulla neve ovviamente se dotate di gomme adatte e cioé invernali).

L’ultimo percorso è quello tipico dei weekend estivi ma anche incubo degli automobilisti: rientro a Milano dalla Liguria.
L’auto è parcheggiata sul lungomare al sole, ma, essendo collegata ad una colonnina, fa funzionare la ventola con il risultato che quando si entra in auto non si cuoce e non si ricorre fortemente al condizionatore, anzi, pochi minuti prima della partenza, la centralina comanda l’accensione del climatizzatore con il risultato di entrare nell’auto trovando la temperatura voluta.

Partiti, nel paese ligure ci si muove con il motore elettrico anteriore e il condizionatore acceso fino all’ingresso in autostrada dove si accende il motore termico che è già in perfetta temperatura (60°C) grazie allo scambio termico con il circuito di raffreddamento del motore elettrico. Siccome il navigatore con funzionalità “Waze” rileva una coda di 5 km dopo 40 km il motore termico funziona al massimo delle sue possibilità e il motore elettrico posteriore aiuta a caricare le batterie durante i vari rallentamenti o nei frequenti saliscendi dell’autostrada dei fiori fino a che non ci si ferma in coda. Durante i frequenti stop&go tipici delle code autostradali si procede nel silenzio più assoluto con il motore elettrico anteriore. Dopodiché si riprende la velocità di crociera di 130km/h e cioè con il motore a pistoni che spinge l’auto e carica le batterie in vista dei Giovi durante i quali tutti i motori spingono l’auto essendo una salita decisamente provante. Arrivati in cima il motore termico si spegne e entrano in gioco i motori elettrici che alternano fasi di spinta a fasi di ricarica. Siccome la discesa è lunga le batterie raggiungono facilmente la carica e la gestione comanda il compressore del condizionatore di lavorare di più del richiesto in modo da accumulare liquido refrigerante. Arrivati in pianura i motori elettrici continuano a spingere l’auto prevedendo in questo caso frequenti accensioni del motore termico per spingere l’auto e caricare le batterie e successivi km in cui si spegne fino a che non si è prossimi a Milano al cui casello si arriva con le batterie cariche per arrivare sino a casa.


«
»

Taggata come: , , , , , , , , ,

2 Commenti

  1. Quello che scoraggia l’acquisto di auto elettriche oltre il costo (ma un aiuto arriva dagli incentivi) è soprattutto la durata delle batterie di solito non superiore ai 120km e il tempo di ricarica 3/4 ore. Una soluzione potrebbe essere il progetto che porta avanti Ibm sulle batterie litio-aria che con una singola ricarica fanno percorrere ad un auto 800 km.

    • Dalla ricerca all’industrializzazione ne passa di tempo, di tale ricerca avevo letto che si vedrà qualcosa nel 2020. Nel frattemp penso che l’ibrido, specialmente se plug-in ad un costo ragionevole, sia la soluzione ideale per coniugare un prezzo abbastanza contenuto, risparmiando soldi e inquinamento potendo realizzare la mobilità urbana/ a corto raggio in elettrico. Inoltre si riduce notevolmente l’inquinamento vero, dato da CO, NOx e HC che si concentrano nei primi minuti di funzionamento.

Invia una Risposta