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26 ottobre 2010
di Gabriele Bolognini
tag: Approfondimenti

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Propulsioni ibride

Come e perché

Le maggiori case automobilistiche, impegnandosi nella continua ricerca per costruire mezzi meno inquinanti e, al tempo stesso, più parsimoniosi nei consumi, si stanno orientando da diverso tempo sullo sviluppo delle propulsioni ibride.
Cerchiamo di analizzare gli aspetti di questa soluzione tecnologica cercando di capire, innanzi tutto, cosa si intende per “propulsione ibrida”.
Per non generare confusione è bene fare una precisazione: una cosa sono i motori ibridi (motorizzazioni policarburante, benzina/gpl, benzina/metano) ed una cosa sono le propulsioni ibride, laddove per ibrido s’intende l’accoppiamento di tue differenti tipi di motore, in genere uno termico Diesel o benzina e l’altro elettrico.
I tradizionali motori a combustione interna hanno una bassa efficienza energetica, soprattutto nei cicli urbani, richiedendo, infatti, alti livelli di energia per le accelerazioni e sprecandone molta, quasi la metà, frenando e mantenendo un basso numero di giri. Un veicolo ibrido può convertire l'energia prodotta in eccesso per ricaricare la batteria.
Il maggior risparmio di combustibile avviene nel ciclo urbano, dove i motori a combustione interna altresì raggiungono il massimo spreco; ad esso può essere aggiunto il risparmio di energia dovuto all'utilizzo di motori più piccoli e leggeri.

VEICOLI A PROPULSIONE IBRIDA
Uno dei principali motivi che spinge le grandi case costruttrici a spingersi su questo terreno è la perfetta compatibilità tra i due tipi di motore, termico ed elettrico.
In buona sostanza al motore a combustione interna sono affidate due funzioni: la prima,
tradizionalmente, consiste nel trasformare l’energia chimica del carburante in energia cinetica per far girare le ruote e spingere la vettura; la seconda consiste nel generare energia per ricaricare la batteria del motore elettrico.
Al motore elettrico invece è affidato il compito di aiutare il propulsore a combustione interna a spingere il veicolo, ma anche di recuperare energia in rilascio e in frenata. La funzione di rallentamento della vettura è affidata, infatti, al motore elettrico che, opponendosi alla rotazione delle ruote, trasforma l’energia cinetica in energia elettrica che viene immagazzinata in una apposita batteria.
Esistono due schemi costruttivi principali per combinare le due motorizzazioni termica ed elettrica: ibrido in serie e ibrido parallelo. La combinazione dei due, inoltre, da origine all'ibrido misto. Tutte le combinazioni integrano il sistema di recupero d'energia cinetica sviluppata in fase di frenata.

IBRIDO IN SERIE
In questa combinazione il motore termico non è collegato alle ruote ed ha il compito di generare corrente per alimentare il motore elettrico che la trasforma in moto, mentre l'energia superflua viene utilizzata per ricaricare le batterie.
In fase di spunto, quando viene richiesta una grande quantità di energia, quest’ultima viene attinta sia dal motore termico che dalle batterie.
L'efficienza dei motori a combustione interna cambia al variare del numero di giri, nei sistemi ibrido in serie i giri del motore termico vengono impostati per ottenere sempre la massima efficienza non dovendo subire né accelerazioni né decelerazioni.
In alcuni prototipi è stata sperimentata l’installazione di piccoli motori elettrici per ogni ruota.
Questa configurazione consentirebbe di controllare la potenza erogata per ogni ruota, e di inserire/disattivare la trazione integrale a seconda delle necessità.
Il maggiore svantaggio degli ibridi in serie, rispetto ai motori solo termici, consiste nella notevole riduzione di efficienza in condizioni di velocità costante ed elevata come nelle lunghe tratte autostradali. La causa dipende dal fatto che, nella conversione termico>elettrico>moto, parte dell'energia viene persa, cosa che non accade con una trasmissione diretta, termico>moto, elettrico>moto.
In definitiva la propulsione ibrida in serie è più efficienti per i veicoli che necessitano di continue frenate e ripartenze come furgoni ad uso urbano, autobus e taxi.
Molti modelli di ibridi in serie hanno la possibilità di spegnere il motore termico per la circolazione nelle zone a traffico limitato. L'autonomia, in queste condizioni, è limitata alla carica delle batterie. Il motore termico, inoltre, si spegne automaticamente durante le soste.

IBRIDO PARALLELO
Questa soluzione, attualmente è tra le più diffuse, sia per facilità costruttiva che per praticità d’uso. Entrambi i motori in questo caso, elettrico e termico, forniscono coppia alle ruote. Il motore termico, inoltre, può essere utilizzato per ricaricare le batterie in caso di necessità.
Vari sono gli schemi costruttivi per questo tipo di combinazione:
- ibrido parallelo pre-trasmissione con il motore elettrico posizionato a monte del cambio;
- ibrido parallelo post-trasmissione col motore elettrico situato a valle del cambio;
- ibrido parallelo post-ruote laddove i due assi hanno motorizzazioni meccanicamente indipendenti.
Nella maggior parte dei casi il motore a combustione interna è la parte dominante e il motore elettrico ha la semplice funzione di fornire una supporto di potenza nei momenti di necessità (tipo in partenza, in accelerazione, ed alla velocità massima).
La maggior parte degli schemi costruttivi combina un grande generatore elettrico e un motore in una singola unità, spesso collocata tra il motore termico e la trasmissione, al posto del volano, rimpiazzando sia il motorino di avviamento che l’alternatore. Solitamente in queste soluzioni il cambio è automatico. Questo tipo di soluzione consente l’adozione di cilindrate più basse in quanto alla massima velocità il motore termico può essere supportato da quello elettrico.
La ZF in collaborazione con Continental produrranno dal 2011 in grande serie dei moduli che permetteranno di realizzare veicoli commerciali a propulsione ibrida da applicare alle linee produttive di veicoli tradizionali. Questa tecnologia potrà quindi essere implementata in parallelo senza dover riprogettare i veicoli esistenti. Un modulo con motore da 60 kW/82 cv sarà sufficiente per essere adattato ai veicoli commerciali leggeri.
Il sistema lavorerà principalmente nelle partenze ed alle basse velocità per massimizzare il risparmio nel traffico urbano e sarà dotato di Start/Stop, recupero di energia in frenata, avviamento elettrico del veicolo e ovviamente assistenza in fase di accelerazione e, soprattutto, permetterà di eliminare la batteria a 24 Volt della vettura ed il classico motorino d’avviamento. Questo ed il downsizing del motore endotermico compenseranno la presenza del modulo e delle relative batterie agli ioni di litio. Sarà possibile anche viaggiare in modalità totalmente elettrica ad emissioni zero con un sistema di frizioni che escluderà il motore a scoppio, mentre i caso di utilizzo ibrido si ipotizzano consumi ridotti fino al 30% nel ciclo urbano.

IBRIDO MISTO
E’ un sistema estremamente versatile che permette di passare dal sistema “in serie” a quello “in parallelo” e viceversa.
Alcuni veicoli sono dotati di un computer di bordo che decide autonomamente la migliore combinazione per utilizzare uno delle due soluzioni oppure entrambi a seconda del percorso, urbano o extraurbano, che si sta facendo.

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