Come funziona l’auto con motore ibrido in serie, alias elettrica con range extender

Iniziamo con questo articolo, dedicato all’auto con motore ibrido in serie (anche detto Range extender, o con autonomia aumentata), una serie di puntate per capire come i motori elettrici possono funzionare sulle auto green.

Nello schema ibrido in serie sulla vettura sono presenti motori sia elettrici sia termici, ma la forza meccanica di trazione è assicurata direttamente solo da motori elettrici. È il caso sul mercato italiano della Bmw i3 RE (fra l’altro recentemente entrata a far parte della flotta DriveNow).

L’energia dalla presa o dal motore termico

L’energia elettrica che alimenta il o i motori elettrici, immagazzinata in accumulatori a bordo, può essere stata inizialmente fornita dall’esterno durante un processo di ricarica (se l’ibrida è plug-in), ma viene anche fornita da un generatore azionato da un motore termico, che a seconda degli schemi può ricaricare l’accumulatore, che alimenta a sua volta il motore elettrico, oppure può concorrere con l’accumulatore ad alimentare direttamente il motore elettrico.

Il motore termico non dà trazione ma ricarica la batteria

Il motore termico, essendo scollegato meccanicamente dalle ruote, non “segue” le accelerazioni e rallentamenti della vettura ma è invece libero di lavorare costantemente al suo regime di funzionamento più efficiente per la generazione di energia meccanica (punto di consumo specifico minimo, dipendente dal regime di rotazione e dalla pressione media effettiva).

Per esempio, in questo esempio di diagramma di consumo specifico di un motore termico, il punto di ottimo, in cui si consumano solamente 206 grammi di carburante per ogni kWh prodotto, è poco sopra i 2000 giri e in condizioni quasi di piena ammissione, con Pme=circa 15 bar.

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Se il motore potesse lavorare costantemente in quelle condizioni si avrebbe il consumo minimo possibile (per quel tipo particolare di motore). Questo non è possibile nelle auto termiche tradizionali, in cui il regime di rotazione e la posizione dell’acceleratore devono continuamente cambiare per seguire le condizioni di guida; solo eccezionalmente alle condizioni di funzionamento del motore capiterà di trovarsi proprio in corrispondenza del punto di ottimo del grafico.

Invece in un’ibrida in serie si possono creare le condizioni per ottimizzare il funzionamento del motore termico, perché questo deve solo produrre energia elettrica nel modo più efficiente possibile. Sarà poi il motore elettrico a variare il proprio regime di funzionamento per adeguarlo alle necessità della guida.

Non a caso, nello schema ibrido serie, l’intera sezione elettrica del powertrain, venendo a trovarsi fra il motore termico e le ruote motrici, può essere considerata alla stregua di una trasmissione elettrica (generatore, batteria, motore elettrico) che fa le veci della tradizionale trasmissione meccanica (cambio di velocità, frizione).

Inoltre, grazie alla possibilità di far lavorare il motore termico costantemente nelle migliori condizioni, e grazie alle ottime prestazioni del motore elettrico nello spunto e ai bassi regimi, si può evitare di sovradimensionare il motore termico come si deve generalmente fare nelle termiche per avere buone prestazioni in accelerazione e ripresa: è la regola, nelle termiche, che il motore inutilmente consenta velocità ben superiori al massimo consentito su autostrada (quindi un assurdo spreco, assumendo che i limiti vengano rispettati), perché lo si è dovuto dimensionare in funzione delle prestazioni nello scatto e in ripresa.

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La definizione di elettrica con range extender

Se la vettura esiste sia in versione puramente elettrica (quindi necessariamente plug-in come unica fonte di approvvigionamento dell’energia accumulata a bordo) sia in versione ibrida serie (non necessariamente plug-in in quanto grazie al motore termico è autonoma), allora questa seconda variante viene considerata un’evoluzione di una elettrica pura in grado di assicurare un’autonomia più estesa rispetto alle sole batterie, e viene infatti chiamata “elettrica con range extender” anzichè “ibrida serie”.

Anche l’entità della provvista di carburante rispetto alla capacità della batteria concorre a qualificare l’auto in un modo rispetto all’altro: per esempio in California per potersi considerare una “range-extended battery-electric vehicle” un’auto deve avere un’autonomia elettrica di almeno 120 km, e il suo range extender non deve fornire un’autonomia aggiuntiva superiore a quella della parte puramente elettrica.

Il paradosso della BMW i3 RE negli Usa

Così la BMW i3 RE, il cui serbatoio da 9 litri avrebbe dato un’autonomia supplementare “eccessiva”, nella versione americana, per rientrare nella classificazione desiderata, secondo alcune fonti avrebbe dovuto inserire una modifica software che dopo aver usato 7.2 litri dei 9 possibili, disattiva l’extender anche se ci sarebbe ancora carburante disponibile nel serbatoio!

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Un grafico per capire meglio il ruolo del motore termico su una elettrica range extender

Nel grafico qui sotto, in cui ogni puntino rappresenta un particolare modello di ibrida (verde), di plug-in (blu) o elettrica con extender (arancione) risulta immediatamente evidente il diverso rapporto esistente tra l’energia immagazzinata nel serbatoio sotto forma di carburante e quella immagazzinata nella batteria per i tre tipi di auto.

Come si vede, le ibride “pure”, ossia non plug-in (al momento sul mercato italiano sono tutte con schema parallelo oppure con schema misto) hanno una batteria di capacità minima, sufficiente quanto basta per supportare il recupero di energia in frenata e per marciare pochi chilometri in modalità elettrica, ma in compenso hanno una buona scorta di carburante che consente una buona autonomia facendo ricorso al motore termico, che di fatto lavora per gran parte del tempo di marcia.

Il serbatoio è abbondante anche sulle plug-in, che però hanno anche una batteria di capacità non trascurabile, dato che queste vetture hanno comunque l’aspirazione di poter percorrere tragitti anche significativi, non episodici, in modalità elettrica.

Infine le elettriche con extender hanno una batteria molto più capace di quella delle ibride e delle plug-in, mentre per converso la capacità del loro serbatoio è minima, in quanto la loro vocazione è fondamentalmente di elettriche e l’extender serve solo per mitigare, se occorre, i due problemi delle elettriche: autonomia e rapidità di rifornimento.

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Esempi di veicoli con schema ibrido serie sono una motrice diesel per treni o, per chi se la ricorda, la Fisker Karma, prodotta fino al 2012. Quest’ultima aveva due motori elettrici per 403 kW complessivi, una batteria da 20 kWh e un motore turbobenzina 2 litri, 4 cilindri in linea, da 260 CV usato esclusivamente per azionare un generatore che alimentava i motori elettrici (oltre a tener carica la batteria)

La Opel Ampera/Chevrolet Volt è spesso considerata una ibrida serie ma impropriamente, poichè è presente un accoppiamento meccanico che in certe condizioni di guida consente al sistema di controllo di collegare direttamente il motore termico alle ruote; per questo la Ampera/Volt deve essere considerata una ibrida con schema misto serie-parallelo.

Al momento in Italia troviamo solo la BMW i3 RE

L’unico esempio di ibrido serie proposto come variante range extender di una elettrica pura oggi disponibile sul mercato italiano è la BMW i3 RE (di cui è stata recentemente lanciata una versione con batteria maggiorata). Come la versione elettrica pura, ha un potente motore elettrico da 125 kW e una batteria da 27 kWh che assicura 170 km di autonomia, ma aggiunge un bicilindrico termico a benzina da 647 cc e 28 kW con un serbatoio da 9 litri a cui spetta il compito di generare abbastanza energia da portare l’autonomia complessiva a 300 km.

I vantaggi di un’auto elettrica con range extender

Rispetto a un’elettrica pura, la presenza del motore termico (ma, soprattutto, del suo serbatoio di carburante!) risolve due importanti problemi: quello dell’autonomia e quello della velocità di rifornimento.

Ma mentre il problema dell’autonomia delle auto elettriche è già in via di progressiva soluzione, grazie ai miglioramenti nella tecnologia e nei costi delle batterie al Litio, con modelli anche di costo non inavvicinabile che ormai possono vantare autonomie di 400-500 km o più, il problema della velocità di ricarica è tutt’altro che risolto, anzi si sta aggravando con l’aumento della capacità delle batterie di bordo.

Infatti più capace è la batteria installata (per il lodevole scopo di aumentare l’autonomia), più energia occorre fornire per ricaricarla, e quale che sia la potenza di ricarica impiegata, “fornire più energia” si traduce implacabilmente e matematicamente in “impiegare più tempo”.

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Per esempio, quando un’elettrica pura come l’Opel Ampera-E sarà disponibile sul mercato, con la sua batteria da 60 kWh (straordinaria per una compatta), una ricarica completa con normale utenza residenziale da 3 kW richiederà 20 ore.

Ma se per ipotesi la vettura fosse dotata di range extender termico, allora per fornire gli stessi 60 kWh sotto forma di energia chimica (il carburante versato nel serbatoio) basterebbe meno di mezzo minuto. È questo il maggiore vantaggio del range extender rispetto a un’elettrica pura: non tanto l’eliminazione della cosiddetta “range anxiety” ma soprattutto la normalizzazione dei tempi di rifornimento.

Viene però da chiedersi: se per rendere accettabili i tempi di ricarica di un’elettrica siamo costretti ad acquistarla provvista di motore termico, qual è il vantaggio rispetto a un’auto termica?

Gli svantaggi di un’auto elettrica con range extender

La complessità tecnica è tutto sommato superiore a quella di una termica tradizionale. Anche il costo è senz’altro superiore. E localmente si inquina comunque perché non è stata eliminata la combustione.

Tuttavia si consuma e si inquina meno, perché l’efficienza energetica è migliore (soprattutto grazie alla possibilità di ottimizzare stabilmente il regime di funzionamento del motore termico). Inoltre, quando si ha l’occasione di ricaricare da rete elettrica anziché usando l’extender termico, si crea se non altro la possibilità di usare energia da fonti rinnovabili eliminando non solo le emissioni locali ma anche quelle globali.

Se poi l’energia elettrica della rete sia effettivamente, e in quale misura, prodotta da fonti rinnovabili, questo dipenderà dalle politiche del gestore, spesso impreparato ai nuovi scenari di generazione e distribuzione di energia da fonti rinnovabili.

Ma questa è un’altra storia. Una storia in cui le auto elettriche possono anche collaborare con la rete elettrica, integrandosi in essa.

Nei prossimi articoli analizzeremo gli schemi ibrido parallelo, ibrido parallelo su assali indipendenti e ibrido serie-parallelo.

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