Come funziona l’auto ibrida con motori in schema serie-parallelo

Lo schema ibrido più complesso e sofisticato, quello serie-parallelo, chiamato a volte anche schema misto, è il più diffuso nel parco circolante su strada

0
7539
adv

Dopo aver descritto come funzionano le auto ibride con motori in parallelo e in serie è ora la volta dell’auto ibrida con motori in serie parallelo o schema misto.

Le quattro versioni della Toyota Prius a confronto
Le quattro versioni della Toyota Prius a confronto, sono le esponenti più famose delle auto ibride con motori in serie parallelo

Proprio lo schema ibrido più complesso e sofisticato, quello serie-parallelo, chiamato a volte anche schema misto, è il più diffuso nel parco circolante su strada e il più diffuso fra i modelli attualmente sul mercato, in virtù del fatto di essere lo schema adottato da Toyota per il suo sistema HSD, che ha attraversato quattro step evolutivi ed è utilizzato, con qualche variante o con differenze di dimensionamento, su numerosi modelli ibridi Toyota e Lexus: innanzitutto la Prius, ma anche auto come Yaris, Auris, Rav4 o le ibride Lexus delle serie IS, GS, NX, LS, RX. Ma anche la BMW X6 ActiveHybrid utilizza uno schema serie-parallelo.

Come funziona l’auto ibrida con motori in serie-parallelo o misto

Lo schema serie-parallelo coniuga, come suggerisce il nome, le peculiarità dello schema serie con quelle dello schema parallelo, e consente di avvantaggiarsi, a seconda delle circostanze, dei vantaggi dell’uno o dell’altro, oltretutto con la possibilità di passare da una logica all’altra in frazioni di secondo (aprire o chiudere una frizione) se non addirittura istantaneamente (risposta asimmetrica di rotismi epicicloidali; apertura o chiusura di circuiti elettrici).

Dallo schema serie lo schema misto eredita la possibilità di usare il motore termico solo per generare corrente da destinare alla ricarica della batteria o all’alimentazione del motore elettrico, lasciando a quest’ultimo il compito di azionare le ruote.

Dallo schema parallelo eredita invece la possibilità di far lavorare in tandem per la trazione il motore termico e quello elettrico, realizzando per entrambi una catena cinematica diretta verso le ruote.

Da entrambi gli schemi infine si eredita la possibilità di recuperare energia in frenata per ricaricare la batteria riducendo così la necessità di attingere all’energia primaria (carburante) nelle prossime occasioni in cui servirà coppia per la trazione (ripartenze, ripresa, mantenimento della velocità di crociera).

Tutta questa flessibilità di comportamento e di gestione è consentita da un aumento di complessità degli accoppiamenti meccanici tra il motore termico e la sezione elettrica.

ibrido serie-parallelo

Tutte le possibilità date dallo schema serie parallelo o misto



Con degli opportuni sistemi di frizioni elettroattuate e di rotismi epicicloidali (eventualmente anch’essi provvisti di sistemi elettroattuati di blocco parziale o totale) diventa possibile realizzare in modo flessibile una moltitudine di scenari di funzionamento:

  • incanalare la coppia erogata dal motore termico direttamente verso le ruote (con o senza affiancamento da parte del motore elettrico nel lavoro di trazione)

ibrido serie-parallelo caso1

  • incanalare la coppia del motore termico solamente verso un generatore di corrente, col cui output principalmente ricaricare la batteria (per esempio se il conducente ha arrestato il veicolo, ma il motore termico era già in funzione e la batteria risulta parzialmente scarica; allora, prima di spegnere del tutto il motore termico, il sistema di controllo può decidere che conviene lasciarlo lavorare ancora quanto basta per portare al 100% la batteria e prepararsi così per la prossima ripartenza del veicolo, che è solitamente affidata al motore elettrico)

ibrido serie-parallelo caso2

  • incanalare la coppia del motore termico solamente verso un generatore di corrente, col quale principalmente azionare il motore elettrico (ad esempio se la batteria è già sufficientemente carica e/o il motore elettrico è sotto sforzo e necessita di abbondante e/o costante alimentazione non fornibile per lunghi periodi dalla batteria di capacità limitata):

ibrido serie-parallelo caso3

  • incanalare la coppia del motore termico verso una combinazione delle due destinazioni (ad esempio se i progettisti preferiscono far funzionare il motore termico, per quanto possibile, tipicamente a un certo regime ottimale per i consumi, e se a quel regime il motore termico produce energia meccanica in eccesso rispetto a quanta ne basterebbe in un dato istante per alimentare il motore elettrico, allora si cerca innanzitutto di incanalare il surplus verso il generatore e quindi verso la batteria, se questa non è completamente carica e quindi ancora in grado di assorbirlo)

ibrido serie-parallelo caso4

  • scollegare completamente il motore termico da tutti i carichi a valle per poterlo spegnere del tutto e interrompere il consumo di carburante mentre alla propulsione provvede il motore elettrico: in modalità esplicita zero emissioni…

ibrido serie-parallelo caso5…o mentre si sta decelerando o frenando, con solo recupero di energia; del recupero di energia possono occuparsi il generatore vero e proprio, oppure il motore elettrico fatto funzionare come generatore, oppure una combinazione di entrambi, definita in funzione della velocità (quindi dell’energia cinetica recuperabile), dei limiti dei flussi energetici gestibili dal generatore (molto più piccolo del motore elettrico usato come generatore), dell’urgenza di ricaricare la batteria, dell’entità voluta per l’effetto freno motore da produrre (veicolo in discesa in forte pendenza, pedale del freno premuto fortemente dal guidatore, logica del cambio in modalità “sport”,..):

ibrido serie-parallelo caso6o infine, ovvio, mentre il veicolo banalmente è fermo e non c’è l’esigenza di ricaricare la batteria.

La trasmissione meccanica come elemento principale



Da questa molteplicità di situazioni di funzionamento si capisce facilmente come un elemento cardine dello schema ibrido serie-parallelo sia la trasmissione meccanica. Questa ha il compito di gestire il collegamento o la separazione cinematica del motore termico dalle ruote, ma anche di dosare i flussi di coppia fra motore termico, generatore e motore elettrico principale.

La trasmissione meccanica si incarica inoltre di conciliare l’esigenza di ottimizzare e per quanto possibile stabilizzare il regime di rotazione del motore termico con la necessità delle ruote di girare a velocità fortemente variabili in base alle condizioni di guida, cercando al tempo stesso di dare al guidatore una esperienza di guida simile a quella di un’auto con cambio di velocità (come fosse un eCVT, o addirittura dando l’illusione di un robotizzato a rapporti discreti).

Spesso queste esigenze sono contemperate adottando un rotismo epicicloidale nel quale, per così dire, confluiscono le coppie e le velocità di rotazione delle tre macchine di bordo: il motore termico, il generatore e il motore elettrico principale.

Per adeguare la velocità del motore termico (che si preferisce tenere il più possibile stabile) a quella fortemente variabile delle ruote, invece di usare rapporti discreti o un cambio continuo, si fa variare la velocità di rotazione del generatore, in modo tale che sia lui ad assorbire la differenza di velocità tra ruote, motore termico e motore elettrico.

Il sistema HSD alla base delle auto ibride di Toyota



Nel sistema HSD di Toyota, nel tempo si sono anche aggiunti dei rotismi supplementari per inserire sulla linea del motore termico una demoltiplica a rapporto fisso, con corrispondente variazione di coppia, così da poter usare un motore relativamente piccolo e potente tenuto opportunamente sotto carico per maggiore efficienza e leggerezza; il motore è a sua volta ottimizzato adottando il ciclo Atkinson e scegliendo opportunamente il punto di funzionamento in funzione delle mutate caratteristiche cinematiche della trasmissione a valle.

Il risultato è un rendimento notevolmente elevato con significativa riduzione dei consumi (soprattutto nel ciclo urbano o in situazioni con abbondanza di rallentamenti e ripartenze; assai meno nella marcia a velocità costante).

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here