I veicoli ibridi: caratteristiche e prospettive

Da sempre si è data particolare attenzione in ambito scientifico ancor prima che industriale allo studio di veicoli che potessero utilizzare dei motori differenti da quelli tradizionalmente utilizzati. Sin dagli albori della motorizzazione su quattro ruote dell’umanità, accanto ai prototipi di Motori Otto o Diesel, venivano ad esempio presentate e realizzate carrozze con motori elettrici.

Se infatti fu dotato di motore elettrico il primo veicolo in grado di sfondare il muro dei 100 km/h nel lontanissimo 1899, nel giro di pochi decenni furono i motori ad accensione comandata ed a accensione per compressione, grazie a vari fattori fra cui sicuramente vanno annoverati l’affidabilità e l’autonomia, a diventare protagonisti del mondo dell’auto, relegando gli altri motori a prototipi ed esperimenti.

L'auto ibrida di Ferdinand Porsche - 1898 - fonte

Appurato che nella stragrande maggioranza dei casi i veicoli elettrici non comportano una reale riduzione di emissioni di CO2, a causa del fatto che  gran parte dell’energia elettrica è prodotta in centrali termoelettriche che bruciano combustibili fossili, a parte paesi come la Francia, la scarsa autonomia e la bassa densità energetica delle batterie rispetto ai combustibili liquidi hanno finora reso impossibile a tali veicoli di essere competitivi nel mercato dell’automobile.

Negli ultimi anni sta prendendo sempre più piede, invece, l’adozione di una scelta intermedia: i cosiddetti veicoli ibridi. Tale classe di veicoli, che montano insieme sia un motore termico che uno elettrico, a fronte di complessità, peso e costi maggiori, garantisce una riduzione dei consumi e di emissioni che in alcuni casi, in base agli schemi adottati, può superare il 30-40%.

Anche in questo caso, come spesso accade, l’idea di partenza è tutt’altro che innovativa, essendo stato presentato un prototipo di veicolo ibrido già nel lontano 1898 da Ferdinand Porsche ed essendo state vendute auto simili nei primi anni del 1900.

Negli ultimi anni, a fronte di una presenza nel mondo dell’industria dell’automobile ancora minima (fra le auto commercializzate la Toyota Prius ibrida è una vera e propria mosca bianca anche sono diverse le case produttrici che cominciano a prevedere motorizzazioni ibride nel proprio portafoglio motoristico da presentare ai clienti), c’è stato grande interesse da parte della comunità scientifica su questo tipo di veicoli individuati non a torto come il giusto compromesso nel breve periodo per ottenere delle automobili che possano da una parte rispettare le normative vigenti in termini di emissioni inquinanti e circolare anche nelle ztl cittadine chiuse ai veicoli inquinanti, dall’altra fornire quel giusto mix di prestazioni, autonomia, affidabilità e costi richiesti dal cliente medio che si appresta ad acquistare un’automobile.

Prima di entrare nel dettaglio sullo stato dell’arte sui veicoli ibridi, sulle scelte e proposte della comunità scientifica internazionale, va sottolineato che una caratteristica peculiare di tali veicoli è quella di recuperare l’energia che andrebbe dissipata in frenata sfruttando la caratteristica dei motori elettrici di poter al contempo funzionare in generazione ed in trazione: si tende pertanto nei rallentamenti ed in frenata di sfruttare la capacità di frenare con il motore elettrico, generando energia invece di dissiparla.

I veicoli ibridi possono essere classificati in diversi modi, in base al dimensionamento fra i diversi motori, in base alla tipologia di accumulatore scelto per immagazzinare l’energia elettrica (batterie, superconduttori), in base allo schema costruttivo adottato (serie, parallelo). 

Schema veicolo ibrido serie - fonte

Lo schema impiantisco del motore “ibrido serie” prevede che il motore termico non sia direttamente collegato alle ruote ma che generi corrente per alimentare il motore elettrico che poi trasforma l’energia in moto. L’energia in eccesso serve per ricaricare le batterie. In tal modo in condizioni di massimo carico l’energia viene attinta sia dal motore termico che dalle batterie. Va sottolineato che rientrano in questa categoria di ibridi anche i veicoli che utilizzano celle a combustibile, che vanno a sostituire nel layout il motore termico. L’indubbio vantaggio dell’ibrido serie è sicuramente il disaccoppiamento fra l’asse meccanico del motore endotermico e le ruote. Ciò consente di ottimizzare la gestione del motore primo in relazione alle richieste di potenza, essendo possibile lavorare praticamente a punto fisso in condizioni di massimo rendimento. Altro grande vantaggio è la semplificazione della trasmissione, venendo meno la necessità di avere sia frizione che cambio. Infine, fra i vantaggi, va annoverata la possibilità, allorquando le limitazioni di traffico lo impongano, di funzionare con autonomia di alcuni chilometri in condizioni di funzionamento “puramente” elettrico. Fra gli svantaggi va sicuramente evidenziato il problema dell’ingombro, in quanto il dimensionamento del generatore elettrico è per la piena potenza e le batterie devono essere tali da garantire autonomia dell’ordine della decina di chilometri. La conversione di energia da meccanica ad elettrica comporta ulteriori perdite che causano riduzioni di prestazioni soprattutto in caso di funzionamento a velocità costante e sostenuta. 

Schema veicolo ibrido parallelo - fonte

La seconda soluzione impiantistica che riguarda i motori ibridi è l’ibrido parallelo. In questo caso entrambi i motori possono fornire contemporaneamente potenza meccanica. La parte elettrica non è dimensionata per fornire piena potenza. Essendo indipendenti motore termico ed elettrico, un veicolo ibrido parallelo può sia funzionare in configurazione elettrico che puramente alimentato da combustibile, oltre che ovviamente nella configurazione mista ibrida. A differenza dell’ibrido serie, in questo caso il sistema di trasmissione risulta essere alquanto complesso, a causa della presenza di numerosi organi che da una parte impongono dei vincoli costruttivi e dall’altra sono causa di perdite energetiche per dissipazione.

Per quanto riguarda il funzionamento del motore termico, il legame che intercorre fra velocità delle ruote e punto di lavoro del motore non è completamente libero e pertanto non è possibile lavorare in condizioni di funzionamento ottimale come nel caso passato, a meno che, come mostrato in diversi studi presenti in letteratura, non si vogliano utilizzare complessi rotismi epicicloidali. 

motore ibrido Toyota - fonte gian.net

 Dall’analisi di quanto sopra scritto e dalle valutazioni deducibili sia dalla letteratura che dall’analisi dei comportamenti de veicoli ibridi già disponibili per la messa su strada, appaiono evidenti le differenze fra le due diverse schematizzazioni dell’impianto. Se sicuramente gli ibridi serie risultano essere maggiormente flessibili e senza organi di trasmissione, gli ibridi parallelo sono quelli ad essere al momento più adatti alla circolazione urbana ed extraurbana, anche in condizioni di elevata potenza per lunghi tratti. In entrambe le ipotesi esiste la possibilità di funzionare in sola alimentazione elettrica: a differenza però dell’ibrido serie, nel caso dell’ibrido parallelo l’autonomia è ridotta ed i rendimenti peggiori.

I costi dei veicoli ibridi sono in linea con le vetture di fascia medio-alta. Per quanto riguarda i rendimenti, gli incrementi di efficienza sono interessanti.

Va sottolineato che al momento i veicoli prodotti in serie sono degli ibridi “misti” in quanto presentano peculiarità dell’ibrido serie, come il doppio motore elettrico e il nodo elettrico, sia dell’ibrido parallelo, come il nodo meccanico per collegare motore termico a elettrico. La Toyota Prius, che realizza l'accoppiamento meccanico tra il motore termico, le due macchine elettriche e l'albero di trasmissione finale attraverso la combinazione di un rotismo epicicloidale ed un riduttore, ne è un esempio.

Oltre che ai necessari sistemi di controllo il cui scopo sia quello di garantire in qualsiasi condizione di funzionamento le migliori prestazioni possibili per entrambi i motori, buona parte dell’attenzione della comunità scientifica internazionale è rivolta allo studio di sistemi per aumentare l’autonomia del veicolo in condizioni di funzionamento puramente elettrico.

Allo stato attuale, per quanto riguarda gli ibridi parallelo e i misti, l’utilizzo del motore elettrico è limitato a fornire surplus di carico in particolari condizioni, come in accelerazione o a pieno carico oppure a funzionare per pochi chilometri in condizioni puro elettrico all’interno di zone a traffico limitato chiuse ai veicoli che emettono sostanze inquinanti. Ottimizzare il sistema di accumulo dell’energia elettrica, individuando pacchi di batterie che siano al contempo a maggiore densità energetica e che si scarichino più lentamente deve essere il punto focale principale degli studi futuri.

In tal senso va evidenziato che l’attenzione della comunità scientifica internazionale èrivolta soprattutto sulle batterie . Fra queste risultano particolarmente indicate le batterie agli ioni di litio (Li-ion), in quanto sono accumulatori potenti e leggeri, anche se relativametne costosi. All’anodo vi sono atomi di litio immersi in uno strato di grafite. Al catodo dei Sali litio (LiMn2O4). L’elettrolita è una soluzione di perclorato di litio e etilencarbonato, la differenza di potenziale ai poli è di 3.7 V. A differenza delle batterie di precedente sviluppo è assente l’effetto memoria ed è elevata l’energia specifica.

Sotto certi aspetti migliori ma più costosi sono gli accumulatori basati sui polimeri di litio. Essi necessitano di un sistema di controllo elemento per elemento e l’elettrolita non è in un solvente organico ma in un composto polimerico solido (poliacrilonitrile). Sono le batterie meno pericolose in quanto non risultano essere infiammabili ed hanno una differenza di potenziale di 4 V e energia specifica maggiore rispetto alle batterie “Li-ion”. Un grande pregio, soprattutto per quanto riguarda le applicazioni in questa sede riportate, rigaurdano gli ingombri. A differenza delle Li-ion, che sono contenute in minuscoli contenitori rigidi di metallo, queste hanno una struttura a fogli flessibili che permette un impacchettamento più denso con una maggiore densità energetica e potenze specifiche molto elevate.
Sempre basati sugli accumulatori Li-ion, si segnalano infine le batterie del tipo Litio-Ossidi di ferro-fosfato, 
che possono contare su buone prestazioni elettrochimiche, alta capacità specifica e un numero di cicli vita prossimo ai 2000. 

fra le altre tipologie di batterie utilizzabili, sono di sicuro interesse le cosiddette “ZEBRA” (acronimo per Zero Emission Battery Research Activities).    Tali batterie, al Nichel- cloruro di sodio (Ni-NaCl),  hanno il difetto di dover lavorare a temperature superiori ai 245°C, il che riduce l'efficienza, ma il pregio di avere prestazioni elevate ed una densità energetica elevata.
Al momento sono ancora oggetto di studio soprattutto perché la durata è davvero minima: si auto scaricano in meno di 10 giorni.

Per approfondimenti si suggerisce di utilizzare le parole chiave "veicoli ibridi" su http://scholar.google.it , facendo attenzione a individuare quegli articoli ed interventi che effettivamente si riferiscono ai veicoli ibridi, in quanto spesso come motore ibrido si intende erroneamente la possibilità di utilizzare due combustibili differenti.