Come funziona l’auto ibrida con motori in parallelo

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L’auto con schema ibrido parallelo “puro” è una soluzione discretamente diffusa fra i modelli ibridi oggi sul mercato. La sua caratteristica fondamentale è quella di prevedere una via meccanica diretta fra entrambi i motori (sia l’elettrico, sia il termico) e le ruote.

I due motori quindi collaborano, lavorando in parallelo (da qui il nome), all’applicazione meccanica diretta di coppia motrice alle ruote, proprio come due ciclisti che pedalano insieme su un tandem. In più è possibile il recupero di energia in frenata, attuato sfruttando all’inverso il collegamento meccanico fra motore elettrico e ruote.

Lo schema di funzionamento di un’auto ibrida con motori in parallelo

ibrido paralleloIn questo schema normalmente il motore termico è più potente del motore elettrico, e l’autonomia consentita dal carburante nel serbatoio è invariabilmente molto maggiore di quella consentita dall’energia immagazzinata nella batteria (la cui capacità è sempre maggiore nei modelli plug-in).

Le ibride parallele usano tipicamente il motore elettrico non per sostituire il motore termico, ma piuttosto per compensare le mancanze tipiche del motore termico, che sono: spunto a basso regime, recupero di energia in frenata

Il motore elettrico aiuta nelle partenze



Lo spunto a basso regime. Il motore termico ha coppia nulla a zero giri (infatti va avviato perchè possa fornire coppia; al regime minimo eroga coppia appena sufficiente per mantenersi in rotazione e per trascinare i servizi) e ha tipicamente la coppia massima ad almeno 1000-1500 giri al di sopra del regime minimo.

Quindi per partire da fermo occorre mandarlo in coppia e usare una frizione o dispositivo equivalente per rendere graduale la costituzione della catena cinematica e l’accoppiamento con le ruote, consentendo al motore di raggiungere e mantenere un regime sufficientemente alto per erogare la coppia necessaria finché le ruote non abbiano preso a girare a velocità sufficiente per poter rilasciare la frizione senza contraccolpi nè spegnimenti.

Per avere buone prestazioni da fermo nelle auto termiche si è costretti a dimensionare il motore termico per avere la quantità desiderata di coppia e potenza, al punto che poi lo stesso motore risulta perfino eccessivo in termini di velocità massima raggiungibile.

Infine, i motori termici, specie i Diesel, sono sempre più spesso sovralimentati con turbocompressore e questo, per quanto miniaturizzato e con turbina a geometria variabile, ha sempre una certa inerzia nel salire di giri prima di riuscire a creare la pressione necessaria. Il motore elettrico è il partner perfetto del motore termico, con caratteristiche esattamente complementari: ha una risposta istantanea, senza latenze, e ha (idealmente) la coppia massima a 0 giri o comunque già a bassissimo regime.

Nelle partenze può quindi essere di valido aiuto allo spunto: lo si potrebbe quasi considerare il suo campo d’impiego ideale. Un motore elettrico anche relativamente piccolo può fornire una buona spinta e integrare quella fornita dal motore termico, finchè il regime di rotazione e le condizioni generali non consentano a quest’ultimo di esprimersi pienamente. Questo significa anche che non è più così necessario surdimensionare il motore termico per ottenere buone prestazioni a basso regime e sullo spunto. Diventa così possibile un certo downsizing che porta con sè anche riduzioni di peso, attriti, consumi.

Si recupera energia in frenata con il motore elettrico



Il recupero energia in frenata è impossibile per un motore termico, che è una macchina non reversibile, è invece una funzionalità del tutto naturale per un motore elettrico, che è anche in grado di funzionare da generatore di corrente.

La Golf Gte è un'auto ibrida plug-in con motori a schema parallelo
La Golf Gte è un’auto ibrida plug-in con motori a schema parallelo

Inoltre, l’energia recuperata, immagazzinata in una batteria di bordo, sarà poi usata per alimentare lo stesso motore elettrico nelle fasi in cui lo si usa per “dare una mano” al motore termico. Quindi una quota di coppia motrice complessiva proverrà non dalla combustione di carburante nel motore termico, ma dal riuso di energia (altrimenti sprecata) recuperata in frenata. Questo significa minori consumi.

Poiché in una ibrida parallela il motore termico ha un collegamento meccanico diretto con le ruote, anch’essa, come le normali auto termiche, ha bisogno di un cambio di velocità (eventualmente automatico) e di una frizione o dispositivo equivalente (È il caso, ad esempio, di Golf GTE e Audi A3 e-tron). Le ibride con schema in serie, invece, ne possono fare a meno.

Peugeot-508-RXHOK
La Peugeot 508 RHX sfruttando i due motori aveva una trazione anche integrale 4×4

Generalmente è proprio a ridosso di (oppure fra) cambio e frizione che viene inserito il motore elettrico. Ci sono però anche varianti originali, come quella della Citroen DS5 Hybrid 4, o della Peugeot 3008 o 508 RXH basata sulla stessa tecnologia (oppure come quella della BMW 225xe o della futura Mini Countryman che ne condivide la piattaforma), in cui il motore elettrico e quello termico collaborano sì in parallelo alla fornitura diretta di energia meccanica di trazione, solo che il motore termico agisce sulle ruote anteriori mentre quello elettrico agisce su quelle posteriori. In questo ingegnoso schema il veicolo diventa, oltretutto, una 4×4. Altra particolarità della DS5 Hybrid e della 3008 Hybrid (o 508 RXH) è di avere il motore termico a ciclo Diesel anziché a ciclo Otto (benzina).

Dimensionare motori e batterie nelle auto ibride parallelo



Abbiamo già accennato al fatto che nelle ibride parallele il motore termico mantiene in genere un ruolo preminente, solo “assistito”, per ridurre i consumi e consentire un certo downsizing mantenendo buone prestazioni, dal motore elettrico.

La Honda Insight utilizzava uno schema di motori ibrido parallelo
La Honda Insight utilizzava uno schema di motori ibrido parallelo

Quando l’impostazione è effettivamente questa, la batteria ha una capacità limitata (e il motore elettrico è poco potente). Un esempio era la Honda Insight, in cui il motore termico aveva una potenza di 65 kW e quello elettrico di solo 10 kW; la batteria (agli idruri metallici) aveva una capacità di soli 0.6 kWh circa. La trasmissione meccanica era un cambio continuo CVT che (salvo diversa scelta da parte del guidatore) si incaricava soprattutto di mantenere i due motori al regime di funzionamento loro più congeniale.

Questo tipo di schema aveva come principale obiettivo la riduzione dei consumi. Non certo la marcia in modalità elettrica per distanze significative (non con una batteria da 0.6 kWh..) e nemmeno la sportività.

Honda_Insight_ZE2_Hybrid_systemTuttavia è anche possibile fare una scelta diversa, dimensionando in modo più generoso il motore elettrico (e di conseguenza la batteria) e riducendo quello termico in modo tale da creare un maggiore equilibrio tra le due “anime” e da ottenere, accanto a consumi comunque interessanti, prestazioni complessive elevate e una guida più appagante.

È il caso delle “cugine” Golf e Passat GTE e A3 e-tron, in cui il motore termico turbo benzina 1.4 litri da 110 kW (e 250 Nm a 1600 giri) è affiancato da un motore elettrico da 75 kW (e 330 Nm a 0 giri) mentre la batteria (al Litio) è da 8.8 kWh e permette di percorrere alcune decine di km in modalità elettrica. I due motori hanno “caratteri” complementari e combinati offrono 150 kW e 350 Nm.

Va però considerato che, proprio in virtù del fatto che in questa architettura propulsiva il motore elettrico non ha un ruolo marginale relegato alle partenze e al recupero di energia in frenata, ma contribuisce a fornire coppia e potenza in modo sostanzialmente paritetico rispetto al motore termico, qui avere la batteria scarica significa assistere a un calo di prestazioni per mancanza di “collaborazione” da parte del motore elettrico (nelle termiche invece le prestazioni sono le stesse, a serbatoio pieno come in riserva).

Anche per questo un costruttore di auto ibride non dichiara mai, per i valori complessivi di potenza e coppia del sistema ibrido, la somma aritmetica di quelli del motore termico e del motore elettrico, ma un valore sempre inferiore a tale somma. L’auto non potrebbe mai, per ipotesi, procedere indefinitamente a una velocità tale da richiedere costantemente 110+75 kW di potenza, perché mentre il motore termico è in grado di erogare costantemente i “suoi” 110 kW fin tanto che c’è benzina nel serbatoio, il motore elettrico per erogare 75 kW di potenza meccanica richiede che qualcuno gli fornisca con continuità una potenza elettrica dello stesso ordine di grandezza. Ma la batteria (da soli 8.8 kWh) non può fornirgliela per lungo tempo.

Quindi, a regime (entro qualche minuto di funzionamento a massima potenza), una volta esaurita la scorta contenuta nella batteria, l’elettricità dovrebbe essergli fornita da un generatore azionato dal motore termico. Ma questo può erogare solo 110 kW in tutto, e se li si sta già usando per far avanzare il veicolo non ne restano per azionare il generatore così da alimentare il motore elettrico. Morale 1: parlando di potenza e coppia dei sistemi ibridi l’aritmetica ha un’applicabilità limitata.

Gli “strani” consumi delle auto ibride



Anche sul consumo ci sono spesso delle sorprese. Per stare in argomento, l’A3 e-tron dichiara un consumo di 1.6 litri/100 km di benzina. La versione termica, con motore di potenza identica a quella del motore termico della e-tron, dichiara un consumo di circa 5 litri/100 km.

Come è possibile che l’ibrida consumi un terzo, visto che, come abbiamo visto, se si marcia a velocità costante, entro qualche km dalla partenza la carica della batteria si è esaurita (o il sistema di controllo smette di usarla) e l’unica fonte stabile di energia meccanica resta il motore termico che è identico nei due modelli?

Volvo XC90 consumo ZEROAncora più evidente il risultato “conseguito” da Volvo: nel ciclo extraurbano, la XC90 ibrida dichiara ufficialmente di consumare 0 (zero!) litri/100 km (come indicato nella sezione Specifiche tecniche sul sito Volvo). Magia o realtà?

La risposta sta nel ciclo di omologazione dei consumi, il solito Nedc, alquanto fittizio: se a inizio test consumi la carica della batteria è al 100%, e la sua capacità è sufficiente per durare fino a fine test consentendo al motore elettrico di contribuire alla spinta in misura significativa o addirittura in via esclusiva, chiamando in causa poco o per nulla il motore termico durante il test, è chiaro che il consumo di carburante apparirà bassissimo o addirittura nullo (e naturalmente sarà lecito e legale dichiarare l’eclatante risultato conseguito nel ciclo consumi).

Peccato che marciando a velocità costante il ruolo della batteria e del motore elettrico sarebbe presto diventato marginale e il motore termico avrebbe dovuto tornare protagonista, con consumi tornati a livelli normali, e forse anche nel ciclo misto se ne sarebbero viste delle belle, se il test fosse durato abbastanza a lungo da esaurire la riserva iniziale di energia nella batteria. Morale 2: prendere sempre cum grano salis i dati di consumo delle ibride.

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