Veicolo ibrido

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Motore termico con alternatore e motore elettrico

Un veicolo ibrido, più propriamente veicolo a propulsione ibrida, è un veicolo dotato di due sistemi di propulsione, ad esempio motore elettrico con motore termico, l'accoppiata più diffusa[No, il sistema di propulsione è comunque unico, è la motorizzazione a poter essere doppia].

I veicoli in cui coesistano due o più forme di accumulo di energia, al fine della generazione di energia meccanica, sono detti veicoli ibridi. Da non confondere con i veicoli bimodali, che sono veicoli che possono funzionare con energia fornita dall'esterno oppure con un accumulatore a bordo, come ad esempio i filobus con batterie[1].

Alcuni possibili schemi di veicoli ibridi sono i seguenti:

  • motore a combustione interna - motore elettrico,
  • motore a combustione interna - accumulatori elastici,
  • motore a combustione interna - volano,
  • motore a combustione interna - motore pneumatico.

Alcuni definiscono come ibrido anche il veicolo termico policarburante (benzina/gpl, benzina/metano, gasolio/kerosene, benzina/idrogeno)[Senza fonte - Questi veicoli sono chiamati bi-fuel].

Elettrico-termico[modifica | modifica sorgente]

Disegno schematico di un motore ibrido termico/elettrico

I due propulsori sono adatti a coesistere in quanto hanno caratteristiche complementari. Il motore a combustione interna trasforma l'energia chimica del combustibile (di notevole densità energetica e facilmente approvvigionabile dalla rete di rifornimento) con una efficienza accettabile, in particolare in alcuni punti di funzionamento. Il motore elettrico invece converte con una maggiore efficienza e versatilità un'energia disponibile a bordo in minori quantità. Ogni macchina elettrica in sé è in grado di lavorare in trazione e generazione (nonché nei due sensi di marcia) e quindi ogni veicolo ibrido cerca di sfruttare nei rallentamenti la capacità di "frenare" con il motore elettrico, generando energia altrimenti dissipata nei freni.

L'energia elettrica si può immagazzinare con l'utilizzo di vari dispositivi che possono essere utilizzati anche in contemporanea.

  • Batterie: hanno densità energetica inferiore a quella del carburante, possono essere dimensionate per accumulare la massima energia, per scambiare la massima potenza o con un compromesso fra i due estremi. Le batterie funzionano con processi elettrochimici distribuiti al loro interno e non è banale controllare tutte le condizioni, ad esempio di temperatura, per limitare quanto possibile il decadimento di elettrodi ed elettroliti.
  • Supercondensatori: rispetto alle batterie, hanno minore densità energetica ma possono cedere e ricevere maggiori potenze. Sono basati su un processo fisico, maggiormente controllabile.
  • Volani ad azionamento elettrico: l'energia è immagazzinata come energia cinetica di un volano messo in rotazione da una macchina elettrica, è un processo del tutto meccanico e presenta problemi di controllo ancora differenti dai precedenti.

A seconda del grado di ibridazione (potenza del propulsore elettrico rispetto alla potenza totale installata) e della capacità del sistema di propulsione ibrido di immagazzinare energia elettrica si definiscono informalmente alcuni livelli di ibridazione:

  • ibridazione piena (full hybrid), allorché il sistema elettrico è, ad es., in grado da solo di far avanzare il veicolo su un ciclo di guida normalizzato, pur prescindendo dall'autonomia delle batterie
  • ibridazione leggera (mild hybrid), allorché il modo di funzionamento puramente elettrico non è in grado di seguire per intero un ciclo di guida normalizzato
  • ibridazione minima (minimal hybrid), normalmente confusa con la propulsione tradizionale munita di sistema start e stop,

caratterizzati da una decrescente percorrenza in modalità elettrica pura e da un decrescente grado di ibridazione.

I veicoli con funzione stop and start vengono anche impropriamente chiamati "micro hybrids", ma questa funzione, tipica anche di molti veicoli ibridi, è ottenuta con componenti tradizionali e non certo con un diverso sistema propulsivo.

Esistono due schemi costruttivi principali per l'integrazione di un motore termico ed una macchina elettrica: ibrido serie e ibrido parallelo. La combinazione dei due dà origine all'ibrido misto.

Ibrido serie[modifica | modifica sorgente]

Schema di un ibrido serie

Questa tecnologia è molto simile a quella utilizzata nelle locomotive diesel-elettriche. In questa tipologia il motore termico non è collegato alle ruote, esso ha il compito di generare la corrente per alimentare il motore elettrico che la trasforma in moto, mentre l'energia superflua viene utilizzata per ricaricare le batterie.

Nei momenti in cui viene richiesta una grande quantità di energia, essa viene attinta sia dal motore termico che dalle batterie. Poiché i motori sono in grado di operare su di una grande vastità di regimi di rotazione, questa struttura permette di rimuovere o ridurre la necessità di una trasmissione complessa. L'efficienza dei motori a combustione interna cambia al variare del numero di giri, nei sistemi ibrido serie i giri del motore termico vengono impostati per ottenere sempre la massima efficienza non dovendo subire né accelerazioni né decelerazioni. Data questa condizione e per compensare l'ulteriore trasformazione energetica, si può usare un motore termico (generatore) che abbia una fascia di sfruttamento/funzionamento molto stretta rispetto ai regimi totali e che per questo abbia un rendimento più elevato dei motori termici classici, per lo meno in quella fascia di regimi.

In alcuni prototipi sono installati piccoli motori elettrici per ogni ruota. Il notevole vantaggio di questa configurazione è di poter controllare la potenza erogata per ogni ruota. Uno scopo possibile potrebbero essere di semplificare il controllo della trazione o inserire/disattivare la trazione integrale.

Il maggiore svantaggio degli ibridi serie consiste nella seria riduzione di efficienza rispetto ai motori solo termici in condizioni di elevata e costante velocità (come fare i 130 km/h in autostrada). Questo è causato dal fatto che nella conversione termico-elettrico-moto parte dell'energia viene persa mentre non accadrebbe con una trasmissione diretta. Questo inconveniente non è presente negli ibrido parallelo. Gli ibridi serie sono i più efficienti per i veicoli che necessitano di continue frenate e ripartenze come le auto ad uso urbano, autobus e taxi.

Molti modelli di ibridi serie hanno, in dotazione, un pulsante per spegnere il motore termico. La funzione viene utilizzata specialmente per la circolazione nelle zone a traffico limitato. L'autonomia è limitata alla carica delle batterie, il motore termico, comunque, può essere riattivato con la pressione del medesimo pulsante. Il motore termico viene inoltre spento automaticamente durante le soste.

Ibrido parallelo[modifica | modifica sorgente]

Schema di un ibrido parallelo

Tale architettura è tra le più usate nelle auto ibride. È caratterizzata da un nodo meccanico di accoppiamento della potenza, per cui entrambi i motori (l'elettrico ed il termico) forniscono coppia alle ruote. Il motore termico può inoltre essere utilizzato per ricaricare le batterie in caso di necessità. La realizzazione costruttiva del nodo meccanico e la sua posizione nell'ambito del sistema di propulsione servono a distinguere ibridi paralleli pre-trasmissione (motore elettrico a monte del cambio), post-trasmissione (motore elettrico a valle del cambio) e post-ruote (i due assali hanno due motorizzazioni meccanicamente indipendenti, l'accoppiamento è dunque costituito dalla strada). Gli ibridi parallelo possono ulteriormente essere classificati a seconda del bilanciamento dei due motori nel fornire potenza motrice. Nella maggior parte dei casi, ad esempio, il motore a combustione interna è la parte dominante e il motore elettrico ha la semplice funzione di fornire una maggiore potenza nei momenti di necessità (principalmente in partenza, in accelerazione, ed alla velocità massima).

La maggior parte dei progetti combinano un grande generatore elettrico e un motore elettrico in una singola unità, spesso situata tra il motore a combustione interna e la trasmissione, nel posto del volano, rimpiazzando sia il motorino di avviamento che l'alternatore. Solitamente il cambio è automatico.

Il vantaggio sta nell'eliminazione delle marce basse (quelle che consumano più carburante) e del consumo a ruote ferme o a passo d'uomo. Inoltre permette cilindrate più basse in quanto alla massima velocità il motore termico può essere supportato da quello elettrico (anche se solo per qualche chilometro). Questo ne fa dei veicoli adatti ai ritmi cittadini piuttosto che alle lunghe percorrenze autostradali.

Ibrido misto[modifica | modifica sorgente]

Schema di un ibrido misto

Gli ibridi misti sono caratterizzati da un nodo meccanico, come negli ibridi paralleli, e da un nodo elettrico, come negli ibridi serie. Come questi ultimi, presentano due macchine elettriche. La modalità costruttiva per realizzare tale doppio accoppiamento può variare. Un esempio relativamente semplice è dato dall'architettura della 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.

Gestione dell'energia[modifica | modifica sorgente]

La gestione dei flussi di energia fra i vari convertitori (motore a combustione interna, motore/i elettrico/i, trasmissione) ed accumulatori (batterie, supercondensatori) per rispondere ad una data richiesta di potenza (coppia e velocità) da parte del conducente è compito del controllore di supervisione. Tale controllore, tipico dei veicoli ibridi, si colloca, rispetto ad una struttura di controllo in coppia tradizionale, in posizione intermedia tra gli algoritmi di interpretazione della volontà del conducente (trasformazione della posizione dei pedali di accelerazione e freno in richiesta di coppia) e quelli di controllo dei singoli componenti (motori, trasmissione, freni). Gli algoritmi di gestione dell'energia sono ispirati a dei criteri di minimizzazione del consumo energetico globale (combustibile ed elettricità) vincolata al rispetto di un'evoluzione mediamente costante dello stato di carica delle batterie, oltreché dei limiti fisici dei componenti e dei vincoli dettati dalle esigenze di guida piacevole (driveability).

Gli algoritmi di gestione dell'energia sviluppati finora appartengono a due categorie distinte, con possibilità di approcci misti:

  • Strategie euristiche, basate sulla traduzione di specifiche a vari livelli e su regole empiriche dettate dall'esperienza dei progettisti
  • Strategie ottimizzate, basate sull'applicazione di algoritmi matematici di controllo ottimo.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Lino Guzzella, Antonio Sciarretta, Vehicle Propulsion Systems. An Introduction to Modeling and Optimization (in inglese), 2ª ed., Heidelberg-Berlin-New York, Springer, 2007. ISBN 3642094155.

Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory, and Design (in inglese), 2ª ed., CRC Press, 2009. ISBN 1420053981.

Massimo Guiggiani, Dinamica del veicolo, Città Studi Edizioni, Torino 2007. ISBN 9788825173000

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ M. Guiggiani, Dinamica del veicolo, op. cit.