8.2
Sistemi a trazione ibrida
8.2.1 Introduzione
Nel 20° secolo, la grande disponibilità di petrolio, la relativa semplicità dei processi di raffinazione e di produzione dei carburanti e la facilità della loro distribuzione
globale hanno favorito la diffusione di autoveicoli equipaggiati con motori a combustione interna. La concorrenza della trazione elettrica, presente già nei primi anni
del secolo, è stata facilmente vinta dai motori a combustione interna, che sono stati protagonisti della motorizzazione di massa dell’intero pianeta.
All’inizio del 21° secolo assumono però importanza sempre maggiore le problematiche legate alla protezione ambientale e alle limitate risorse della Terra. Lo
smog, il buco dell’ozono, l’effetto serra preoccupano
l’opinione pubblica che avverte gli effetti di uno sviluppo energetico basato sullo sfruttamento di risorse non
rinnovabili e sul deperimento della qualità dell’aria, del
suolo e dell’acqua. Inoltre, le tensioni internazionali
legate allo sfruttamento delle risorse petrolifere ancora
disponibili hanno contribuito alla forte crescita del prezzo del petrolio.
I motori a combustione interna sono caratterizzati da
scarsa efficienza, utilizzano combustibili fossili (le cui
riserve sono destinate a esaurirsi), provocano inquinamento atmosferico, danno luogo a perdite nel suolo e
nell’acqua in seguito allo stoccaggio. Si è così rivolta
l’attenzione verso gli autoveicoli elettrici, capaci di assicurare la mobilità senza produrre direttamente emissioni nocive. Tuttavia i veicoli elettrici, che sembrano garantire il superamento dei problemi elencati, pur essendo
ormai familiari all’opinione pubblica, sono ancora penalizzati da diverse limitazioni, in particolare il prezzo troppo alto, le prestazioni modeste, l’autonomia limitata.
Nel 2005 un’automobile con motore a combustione
interna consuma la metà di combustibile e inquina cento
volte meno di una vettura degli anni Settanta ed è in grado
di garantire prestazioni migliori. Tuttavia, l’efficienza
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
media di un motore a benzina non supera il 15%: il rimanente 85% è dissipato tra perdite termiche e aerodinamiche, attriti lungo la catena cinematica e di rotolamento
degli pneumatici. Aggiungendo un motore elettrico a un
sistema di trazione equipaggiato con un motore a combustione interna si ha un notevole miglioramento dell’efficienza complessiva. Si ottiene in questo modo un
sistema a trazione ibrida, che consente di sfruttare il
motore a combustione interna nelle condizioni di funzionamento a rendimento più elevato, minimizzandone
l’utilizzazione nelle condizioni di basso carico.
In sintesi:
• il motore elettrico può sostituire del tutto o in parte
il motore a combustione interna nelle condizioni di
stop and go (guida in condizioni di traffico congestionato) e di carico ridotto;
• il motore elettrico può coadiuvare il motore a combustione interna in accelerazione, il che consente di
utilizzare motori termici di dimensioni minori, intrinsecamente più efficienti date le minori perdite termiche e per attrito, senza alcuna riduzione delle prestazioni complessive;
• il motore elettrico può essere utilizzato per recuperare una parte dell’energia cinetica del veicolo in
decelerazione (frenata rigenerativa), energia che altrimenti andrebbe dissipata per attrito e che viene viceversa convertita in energia elettrica;
• la potenza elettrica addizionale generata dal motoregeneratore elettrico può essere utilizzata per sostituire, con componenti elettrici di elevata efficienza,
ausiliari idraulici di bordo come la pompa del servosterzo o la pompa dell’acqua.
I vantaggi della tecnologia ibrida, già noti all’inizio
del 20° secolo, sono diventati fruibili solo recentemente, con lo sviluppo di sistemi di controllo elettronici e di
accumulatori di energia elettrica sofisticati e dal costo di produzione accettabile. Ciò può consentire la
commercializzazione di veicoli su larga scala: i veicoli
699
AUTOTRAZIONE
altri mercati
20%
America Settentrionale
36%
Giappone
8%
Europa
36%
parco circolante dei principali paesi in via di sviluppo
(India ⫹7,6%, Cina ⫹7,5%, Brasile ⫹4,6%) tra il 2002
e il 2003.
È prevedibile che la tendenza alla crescita sia confermata nei prossimi anni, con un incremento decisamente più marcato proprio per paesi come la Cina, in
fortissima crescita economica e con una popolazione di
oltre un miliardo di abitanti; come conseguenza, si stima
che nel 2020 il parco circolante mondiale sarà di ben
1,2 miliardi di veicoli (fig. 2).
Conseguenze ambientali
fig. 1. Parco circolante nelle diverse aree geografiche
alla fine del 2003 (circa 695 milioni di veicoli).
ibridi-elettrici sono oggi disponibili sul mercato e sono
in grado di ridurre in maniera consistente il consumo di
carburante e l’impatto ambientale complessivo, senza un
eccessivo aggravio dei costi.
8.2.2 Problematiche ambientali
attuali e prospettive
di soluzione
Parco automobilistico
L’automobile è parte integrante della società moderna e ha svolto un ruolo notevole nello sviluppo economico e industriale, ma anche nella vita quotidiana. L’Europa costituisce, al termine del 2003, l’area geopolitica con il maggior numero di veicoli circolanti, circa
254 milioni, seguita a breve distanza dall’America Settentrionale, circa 250 milioni, e quindi dal Giappone,
con circa 55 milioni (fig. 1).
Nel decennio 1993-2002 il numero di veicoli immatricolati annualmente nel mercato globale è cresciuto in
modo quasi lineare, passando all’incirca da 33 a 38 milioni (⫹15%); da sottolineare l’incremento percentuale del
L’aumento del parco circolante a livello globale, e
più in generale il modello di sviluppo basato su cicli aperti (fluido in evoluzione restituito all’ambiente) e su produzione di energia in massima parte da combustibili fossili, pongono problemi rilevanti per quanto riguarda la
qualità dell’aria, i cambiamenti climatici, una domanda
di energia sempre crescente.
Da anni inoltre è in corso un processo di espansione
dei paesi in via di sviluppo che, unitamente agli standard
di vita sempre più elevati richiesti dagli abitanti dei paesi
più ricchi, rischia di provocare un incremento incontrollato dell’inquinamento atmosferico e della produzione di gas serra (CO2 in primis). Si aggiunga che le
automobili rilasciano nell’atmosfera sostanze nocive
all’ambiente e pericolose per la salute.
Le principali emissioni di inquinanti sono: a) il monossido di carbonio (CO), gas inodore e incolore, che si
sostituisce all’ossigeno nell’emoglobina del sangue, con
conseguenze letali se assunto in dosi elevate; b) gli ossidi di zolfo (SOx), che provocano le cosiddette piogge
acide; c) gli ossidi di azoto (NOx) che, oltre a provocare piogge acide e danni all’apparato respiratorio, generano ozono, contribuendo allo smog fotochimico e al
riscaldamento globale; d ) gli idrocarburi incombusti
(HC) che, oltre a essere agenti cancerogeni, contribuiscono alla formazione dello smog; e) il particolato (PM),
che provoca gravi malattie polmonari e cardiovascolari.
1.600
fig. 2. Previsioni
di crescita del parco
circolante mondiale.
1.400
parco circolante
(milioni di veicoli)
1,2 miliardi di veicoli nel 2020
1.200
1.000
800
600
400
200
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
anno
700
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
L’aumento del parco circolante si deve pertanto confrontare con l’esigenza non più eludibile di migliorare
la qualità dell’aria, soprattutto nelle aree a più elevata
concentrazione di attività umane (civili e industriali). In
particolare preoccupa la prospettiva di un aumento esponenziale di automobili nei paesi di recente o prossima
industrializzazione, come la Cina, dove le normative sulle
emissioni di inquinanti sono assai meno restrittive rispetto all’America Settentrionale, all’Europa e al Giappone.
Oltre a rilasciare inquinanti, le automobili concorrono ad aumentare la concentrazione nell’atmosfera del
biossido di carbonio (CO2), che contribuisce per il 70%
all’effetto serra (i contributi di CH4 e N2O sono pari al
25% e al 5% rispettivamente). Il CO2 è essenzialmente
prodotto dall’ossidazione di combustibili fossili come il
carbone, i derivati del petrolio e il gas naturale. Un notevole contributo all’aumento della concentrazione di CO2
nell’atmosfera è dato anche dalla deforestazione. Secondo dati aggiornati al 2000, il principale settore di generazione di CO2 da attività umane è il settore della produzione di energia (43%), seguito dai trasporti (24%) e
dall’industria (19%); all’interno del settore dei trasporti, l’autotrazione svolge un ruolo molto importante come
indicato in fig. 3.
Un rapporto dell’Agenzia Europea per l’Ambiente (EEA, European Environment Agency), relativo al
novembre 2004, fa il punto sull’emissione di CO2 da
parte dei paesi dell’Unione Europea. L’attuale scostamento del 2,1% rispetto all’obiettivo fissato dai 15 firmatari del Protocollo di Kyoto (progressiva riduzione
delle emissioni di gas serra dell’8% rispetto al 1990 entro
il 2010) è attribuito soprattutto all’aumento del trasporto su gomma, sia di passeggeri sia di merci, quantificato nel 20% nell’ultimo decennio del 20° secolo. Nel 2000
a causa di attività umane sono stati rilasciati nell’atmosfera 6 miliardi di tonnellate di CO2.
Oggi nell’atmosfera vi è una concentrazione di CO2
superiore del 31% rispetto a 250 anni fa, prima della
uso
residenziale
8%
altri usi
6%
uso
industriale
e civile
19%
produzione
energia
43%
rivoluzione industriale; agli attuali ritmi di sviluppo si
prevede che entro la fine del 21° secolo questa concentrazione raddoppierà, raggiungendo 700 ppm.
Di pari passo con l’incremento della concentrazione
di gas serra nell’atmosfera, si registra un considerevole
innalzamento della temperatura media della superficie
terrestre. Il rapporto del 2001 dell’Intergovernmental
Panel Climate Change (IPCC), gruppo di lavoro creato
nel 1988 dalla World Meteorogical Organisation (WMO)
e dal United Nations Environment Program (UNEP), per
lo studio dei cambiamenti climatici e dei loro effetti, conferma il rapporto causa-effetto tra l’aumento delle emissioni di CO2, CH4 e N2O e il riscaldamento globale.
In sintesi: a) negli ultimi 140 anni la temperatura media della superficie terrestre è cresciuta di circa
0,6 °C; b) dall’introduzione delle rilevazioni da satellite (1979), la suddetta temperatura è cresciuta in media
di 0,15 °C ogni decennio; c) il decennio 1990-2000 è
stato il più caldo di sempre e in particolare il 1998 ha
fatto registrare le temperature medie più elevate; d ) in
media, tra il 1950 e il 1993, le temperature minime notturne sono aumentate di 0,2 °C ogni decennio.
Di seguito sono elencate le principali conseguenze
del riscaldamento globale indicate dal rapporto dell’IPCC:
a) estensione delle stagioni prive di brina e ghiaccio nelle
regioni di latitudine medio-alta e diminuzione di circa il
10% della copertura nevosa a partire dalla fine degli anni
Sessanta; b) evidente riduzione dell’estensione dei ghiacciai non polari dell’emisfero settentrionale; c) riduzione del 10-15% dell’estensione dei mari ghiacciati dell’emisfero settentrionale nel periodo primaverile ed estivo, a partire dal 1950, e riduzione del 40% dello spessore
del ghiaccio dei mari artici nel periodo fine estate-autunno; d ) incremento dello 0,5-1% per ogni decennio delle
precipitazioni nelle regioni di medio-alta latitudine dell’emisfero settentrionale, con una maggior frequenza
degli eventi di forte intensità; e) a partire dalla metà degli
anni Settanta, incidenza sempre maggior del fenomeno
detto El Niño nelle regioni tropicali, sub-tropicali e di
media latitudine, con aumento delle temperature e delle
precipitazioni di eccezionale intensità.
Di fronte alla questione ambientale e ai cambiamenti climatici, l’industria dell’automobile deve contribuire alla drastica riduzione dello sfruttamento di combustibili fossili e quindi delle emissioni di inquinanti e gas
serra.
Dai veicoli convenzionali a quelli ibridi
trasporti
24%
fig. 3. Emissioni globali di CO2 per settori
di utilizzazione di combustibili fossili (2000).
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
Come già detto, per il 2020 si prevede un incremento del parco di veicoli circolanti sulle strade del pianeta
di circa 500 milioni di unità. Rispetto a trenta anni fa le
automobili inquinano cento volte di meno, ma dal momento che sono venti volte più numerose e percorrono in
media un numero di chilometri dieci volte maggiore,
l’impatto ambientale derivante non è diminuito, anzi è
701
AUTOTRAZIONE
raddoppiato. È dunque cruciale che le principali case
costruttrici investano risorse importanti per raggiungere al più presto l’obiettivo finale: la produzione e la commercializzazione a costi industriali compatibili della
ultimate eco-car, l’automobile a emissioni zero. La ricerca e lo sviluppo non si sono concentrati solo su un settore (negli anni Ottanta i veicoli elettrici furono a torto
considerati una meta raggiungibile in tempi brevi), ma
ha riguardato diversi tipi di motori, sia quelli a combustione interna (con alimentazione a benzina, a gasolio e
a gas), sia quelli elettrici.
Lo sviluppo dei motori a benzina e diesel ha portato all’introduzione di tecnologie in grado di assicurare
rendimenti sempre più elevati e livelli di emissioni sempre più ridotti (iniezione diretta, miscela magra, fasatura variabile delle valvole di aspirazione per i motori a
benzina, iniezione diretta common-rail, filtri per intrappolamento del particolato per i motori diesel), ma ciò
che più avvicina l’automobile di oggi all’automobile a
emissioni zero è l’introduzione della tecnologia ibrida,
ovvero l’utilizzazione in sinergia di due sistemi di trazione diversi (un motore a combustione interna e un
motore elettrico) sul medesimo veicolo. A fronte di
un costo di produzione maggiore, è possibile sfruttare al
meglio le caratteristiche dei due sistemi, utilizzando il
motore a combustione interna solo quando necessario e
convertendo in energia elettrica una parte dell’energia
cinetica in fase di decelerazione (v. par. 8.2.1). Il grafico in fig. 4 mostra come la tecnologia ibrida sia oggi
in grado di contribuire in maniera significativa alla
riduzione delle emissioni di gas serra: se si considera
il funzionamento globale ( from well to wheel, dal pozzo
alle ruote), la Nuova (NG, New Generation) Prius (v.
par. 8.2.3) emette una quantità di CO2 inferiore di oltre
il 40% rispetto a un veicolo con motore a benzina (MT,
Manual Transmission) di pari dimensioni, ma minore
anche rispetto a un veicolo a motore diesel o addirittura
FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle), cioè a celle a combustibile (il 95% dell’idrogeno oggi in commercio viene prodotto utilizzando combustibili fossili). In attesa
Primi veicoli ibridi-elettrici
Nel 1898 Justus Entz fu probabilmente il primo a
costruire un veicolo ibrido-elettrico, dotato di un motore a combustione interna e di un motore elettrico, per
Pope Manufacturing (Connecticut); il prototipo prese
fuoco e la ditta abbandonò il progetto.
I primi veicoli ibridi-elettrici di serie furono costruiti in Europa nei primi del Novecento: Camille Jenatzy
0,60-0,80
0,67
benzina
MT
702
8.2.3 Veicoli ibridi-elettrici: cenni
storici e situazione attuale
1,00
emissioni di CO2
fig. 4. Verso l’automobile
a emissioni zero:
confronto fra emissioni
di CO2 di un motore
a benzina ed emissioni
di altri motori
(Fonte: Toyota Motor
Corporation).
dell’arrivo dell’era dell’idrogeno, prevista non prima dei
prossimi 20 anni, la tecnologia ibrida permette pertanto
di fissare obiettivi ancora più ambiziosi: un terzo del
CO2 oggi prodotto da un veicolo a benzina.
L’obiettivo finale è il passaggio dai cicli energetici
aperti (che finora hanno sempre sfruttato risorse limitate, come i combustibili fossili, e prodotto rifiuti nocivi
per l’aria, il suolo e le acque del pianeta) a cicli chiusi.
Al riguardo è ipotizzabile una hydrogen plus electricity
economy, ovvero un’economia che, assumendo l’idrogeno come sorgente energetica primaria, avrà le seguenti caratteristiche: verrà utilizzata una risorsa largamente
disponibile sul pianeta come l’acqua; dall’acqua verrà
ottenuto l’idrogeno sfruttando la principale fonte di energia rinnovabile (quella solare, direttamente o attraverso
l’utilizzo di biomasse); alla fine del ciclo verrà prodotta ancora acqua, e non rifiuti, scorie o emissioni nocive.
È pertanto prevedibile che le automobili del futuro
possano avere una configurazione simile a quella degli
attuali veicoli ibridi-elettrici e utilizzare un ‘pacco’ di
celle a combustibile (stack), alimentate a idrogeno, in
sinergia con un motore elettrico (in luogo dell’attuale
motore a combustione interna). La commercializzazione su larga scala di veicoli con tecnologia ibrida potrà
nel frattempo contribuire all’abbattimento dei costi di
produzione dei componenti e dei sistemi di controllo più
innovativi.
diesel
MT
0,63
1a generazione FCHV
Prius
0,57
target futuro
0,33
NG Prius
(2003)
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
presentò un sistema ibrido in parallelo al Salone dell’auto di Parigi del 1901, con un motore termico da
4,4 kW e un motore-generatore elettrico da 10,3 kW; nel
1903 Lohner-Porsche realizzò un sistema ibrido in serie,
con un motore termico da 14,7 kW che azionava, su
ognuna delle ruote anteriori, un motore-generatore elettrico in corrente continua di 20,6 kW; pochi anni dopo
Mercedes realizzò con Mixte un proprio veicolo ibridoelettrico.
Nel 1917 una nota azienda di veicoli elettrici statunitense, Baker and Woods, sviluppò propri veicoli ibridi-elettrici.
Nei primi anni Trenta si interrompeva però la produzione degli ultimi veicoli ibridi-elettrici, mentre i motori a combustione interna prendevano definitivamente il
sopravvento.
I vantaggi dei motori a combustione interna (alimentati con combustibili derivati dal petrolio) rispetto
alla propulsione ibrida sono così riassumibili: 40 litri di
benzina hanno una massa pari a circa 30 kg e sviluppano circa 350 kWh di energia termica, mentre una moderna batteria al piombo acido di eguale massa sviluppa
1,1 kWh di energia (quasi completamente convertibile,
però, in lavoro motore); è più semplice lo schema costruttivo; sono più semplici il trasporto e la distribuzione dei
carburanti.
I vantaggi della trazione ibrida rispetto ai motori a
combustione interna sono così riassumibili: minima utilizzazione del motore a combustione interna ai bassi
carichi; cooperazione del motore elettrico con quello a
combustione interna in fase di accelerazione, con conseguente impiego di motori a combustione interna di
dimensioni inferiori; utilizzo di un sistema stop and go
con eliminazione del consumo di carburante al minimo;
uso del motore elettrico per recuperare in decelerazione parte dell’energia frenante; sostituzione di dispositivi meccanici e idraulici di bordo con dispositivi elettrici più efficienti.
In definitiva, pur essendo l’efficienza media di un
motore a combustione interna non superiore al 15%, il
primo approccio alla tecnologia ibrida fallì per la mancanza di sistemi di controllo elettronici, l’eccessiva complessità, il peso e il costo.
Moderni veicoli ibridi-elettrici
Negli anni Sessanta, quando appaiono chiare le conseguenze ambientali di uno sviluppo fondato sullo sfruttamento dei combustibili fossili, si manifesta nuovamente
l’interesse per i veicoli ibridi-elettrici. Inoltre, le crisi
petrolifere del 1973 e del 1979 e le previsioni di ulteriori
e sempre più gravi crisi future determinano le prime scelte politiche.
Il Congresso statunitense elabora la Energy Policy and
Conservation Act (EPCA), che contiene i primi standard
CAFE (Corporate Average Fuel Economy) sull’economia
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
dei consumi: entro il 1985 le automobili dovrebbero dimezzare il consumo medio di carburante.
Negli stessi anni Toyota comincia a studiare la tecnologia ibrida applicata all’autotrazione, sviluppando i
seguenti progetti: a) nel 1965 inizia lo studio di fattibilità di un sistema ibrido turbina a gas/motore elettrico;
b) nel 1969 viene realizzato un autobus con questo sistema, senza peraltro che si abbia una commercializzazione su larga scala; c) nel 1975 la stessa tecnologia è
applicata alla Toyota Century Hybrid; d ) nel 1977 il
sistema ibrido turbina a gas/motore elettrico è applicata alla Toyota Sport 800 gas turbine hybrid.
Il calo del prezzo del petrolio dei primi anni Ottanta frena gli investimenti dei principali costruttori e l’impegno dell’amministrazione statunitense. A partire dal
1987, il pubblico inizia a chiedere maggiori livelli di
lusso, comfort e accessori per i nuovi autoveicoli e di
conseguenza il livello medio di consumo torna a salire.
La Prima Guerra del Golfo (1991) pone nuovamente al
centro dell’attenzione sia la questione energetica, con la
dipendenza dei maggiori paesi occidentali dal petrolio
fornito dai produttori medio-orientali, sia la questione
ambientale.
Nel 1993 l’amministrazione Clinton stipula un accordo con General Motors, Ford e Chrysler (PNGV, Partnership for a New Generation of Vehicles) per la realizzazione di un veicolo ibrido-elettrico rivoluzionario, la
Supercar, in grado di percorrere 80 miglia consumando
1 gallone di carburante (circa 33 km/l). Il programma
Supercar fallisce per l’arbitrarietà dell’obiettivo di percorrenza fissato e, pur fornendo un grande impulso alla
ricerca di materiali e allo sviluppo dei sistemi ibridi, non
si dimostra adatto a una produzione su larga scala.
Commercializzazione di veicoli ibridi-elettrici
All’inizio degli anni Novanta Toyota sviluppa in segreto un programma con l’obiettivo più realistico di
55 miglia/gallone (circa 23 km/l), realizzando un sistema ibrido con motore a benzina e motori-generatori elettrici separati.
Nel 1997 sempre Toyota lancia un piccolo autobus,
il Coaster HV (Hybrid Vehicle), e la Prius, dotata del
Toyota Hybrid System (THS), il primo veicolo ibridoelettrico commercializzato su larga scala. Il veicolo presenta le seguenti caratteristiche: a) sistema ibrido misto
(strong hybrid); b) motore di 1.500 cm3 di cilindrata a
ciclo Atkinson, con fasatura variabile, VVT-i (Variable
Valve Timing-Intelligent); c) motore-generatore elettrico da 33 kW; d ) accumulatori ai NiMH (Nickel-MetalHydride) da 273,6 V, 2 kWh di capacità e 49 kg di massa; e) consumo combinato di 51 miglia/gallone (circa
21 km/l); f ) miglioramento dei consumi di carburante
di circa l’80% rispetto al ciclo di guida cittadina EPA
(Environmental Protection Agency) degli Stati Uniti, del
100% rispetto al ciclo di guida giapponese; g) cambio
703
AUTOTRAZIONE
CVT (Continuously Variable Trasmission, variazione
continua di velocità); h) nessuna ricarica esterna.
Nel 1999 la Honda Insight è il primo veicolo ibridoelettrico a essere commercializzato negli Stati Uniti; si
riportano di seguito le caratteristiche: a) sistema ibrido
in parallelo; b) motore di 1.000 cm3 di cilindrata a benzina di tipo lean burn (combustione magra), con fasatura variabile, VTEC (Variable valve Timing with lift Electronic Control); c) motore-generatore elettrico DC-DC
da 9,6 kW; d ) accumulatori ai NiMH da 144 V, 1 kWh
di capacità e 22 kg di massa; e) consumo combinato di
61 miglia/gallone (circa 25 km/l).
Nel 2000 la Prius viene lanciata negli Stati Uniti e in
Europa.
Nel 2001 la tecnologia THS viene estesa a un modello 4⫻4 per il Giappone, la Estima Hybrid, con le seguenti caratteristiche: a) motore di 1.500 cm3 di cilindrata, a
benzina, a ciclo Atkinson, con VVT-i; b) motore-generatore elettrico da 13,2 kW per le ruote anteriori e motore elettrico da 17,6 kW per le ruote posteriori (funzionamento 4⫻4); c) prima applicazione al mondo della
tecnologia brake by wire (sistema frenante a controllo
elettronico), a un minivan (veicolo per 6-8 passeggeri);
d ) cambio CVT.
Nel 2001 Toyota introduce sulla berlina di lusso Crown
il sistema mild-hybrid (trazione in parallelo senza modalità ‘tutta elettrica’); la berlina con sistema THS-M è così
caratterizzata: sistema ibrido in parallelo; motore di
1.500 cm3 di cilindrata, a benzina, a iniezione diretta;
piccolo motore-generatore elettrico da 3 kW.
Sempre nel 2001, Toyota utilizza la tecnologia THS
sulla quarta versione del veicolo sperimentale a celle a
combustibile, il FCHV-4. Nel 2002 inizia in Giappone e
negli Stati Uniti una commercializzazione limitata della
Sport Utility Toyota, con le seguenti caratteristiche:
a) batterie/fuel cell; b) 90 kW di potenza; c) 260 Nm di
coppia; d ) 300 km di autonomia.
Nel 2003 Honda offre sulla Civic a richiesta la trazione ibrida, riproponendo il sistema IMA (Integrated
Motor Assist) della Insight: con un sistema di chiusura
di 3 valvole su 4 in decelerazione e in frenata, tali veicoli realizzano una riduzione del 50% degli attriti interni al motore termico.
Nel 2003 Toyota lancia sul mercato giapponese il
secondo MPV (Multi-Purpose Vehicle, veicolo multiuso) ibrido-elettrico, l’Alphard HV, e la nuova Prius che
presenta le seguenti caratteristiche: a) 530 brevetti depositati (contro i 300 del THS); b) motore-generatore elettrico da 50 kW, con la più alta densità di potenza (rapporto potenza-massa), al mondo); c) consumo combinato di 23 km/l; d ) accumulatori ai NiMH da 201,6 V
e 39 kg di massa; e) convertitore (converter) di potenza con alimentazione dei motori-generatori elettrici a
500 V; f ) modalità di guida EV (Electric Vehicle), ovvero trazione tutta elettrica; g) sistema frenante brake by
704
wire; h) compressore A/C (Air Conditioning) azionato
elettricamente.
La nuova Prius è proclamata ‘auto dell’anno’ nel 2004
per l’America Settentrionale e nel 2005 per l’Europa.
A marzo 2005 è iniziata la produzione della Lexus
RX400h, il primo SUV (Sport Utility Vehicle) al mondo
equipaggiato con sistema a trazione ibrida. Nella RX400h
viene realizzata l’applicazione del sistema Hybrid Synergy
Drive a un veicolo con 4 ruote motrici; ciò costituisce
un salto di qualità nell’offerta di veicoli ibridi-elettrici,
dimostrando come si possano raggiungere livelli di economia di consumo e abbattimento delle emissioni allo
scarico senza rinunciare a prestazioni di eccellenza,
comfort e flessibilità di utilizzo, come indicato dai seguenti dati: a) motore-generatore elettrico per l’assale anteriore da 123 kW di potenza massima e 333 Nm di coppia massima; b) motore-generatore elettrico per l’assale posteriore da 50 kW di potenza massima e 130 Nm di
coppia massima, per disporre di trazione integrale quando è necessario; c) motore a benzina V6 3.300 cm3 di
cilindrata, da 155 kW (per una potenza massima complessiva di 200 kW) e 288 Nm; d ) accelerazione da 0 a
100 km/h in meno di 8 secondi; e) accumulatori ai NiMH
da 288 V, in grado di erogare una potenza massima di
45 kW per 0,7 secondi; f ) converter di potenza con
alimentazione dei motori-generatori elettrici a 650 V;
g) modalità di guida EV; h) sistema frenante brake by
wire; i) compressore A/C di tipo elettrico.
Dopo l’11 settembre 2001 e la Seconda Guerra del
Golfo, Ford e Nissan hanno acquistato da Toyota decine
di brevetti per sviluppare propri veicoli ibridi-elettrici di
serie.
8.2.4 Caratteristiche
dei sistemi ibridi in uso
Tipi di sistemi ibridi
Sistemi ibridi in serie
Nel sistema ibrido in serie il motore termico è collegato a un generatore elettrico e la corrente generata
alimenta un motore elettrico che fornisce trazione alle
ruote o ricarica gli accumulatori. Questo tipo di veicolo può essere considerato un veicolo elettrico equipaggiato con un generatore, azionato da un motore termico
(fig. 5). Il principale vantaggio di questo tipo di configurazione è che il motore termico può essere fatto funzionare nel regime più efficiente e può essere arrestato
quando non ne è necessaria l’utilizzazione; la velocità
di rotazione dell’albero quasi costante contribuisce a
massimizzare l’economia dei consumi e ridurre le emissioni allo scarico. Dal momento che la conversione dell’energia meccanica erogata dal motore termico in energia elettrica per l’azionamento del motore elettrico crea
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
batterie ad alta
tensione
generatore
motore termico
inverter
motore elettrico
fig. 5. Sistema ibrido in serie..
significative inefficienze se il motore termico viene utilizzato come sorgente primaria di energia, i sistemi ibridi in serie di solito prevedono un motore termico di piccole dimensioni, che fornisce un surplus di potenza a un
‘pacco batterie’ di dimensioni rilevanti. Questa configurazione presenta in definitiva lo svantaggio di richiedere grandi accumulatori e di essere molto poco efficiente nelle condizioni di media e alta velocità, a causa
delle perdite connesse alla conversione dell’energia meccanica in energia elettrica e alla ricarica e scarica degli
accumulatori. Inoltre, in un sistema ibrido in serie non
vi sono collegamenti meccanici tra il motore termico e
le ruote, ovvero il motore termico non può fornire direttamente trazione al veicolo.
Insight e Civic Hybrid; il sistema è detto sistema IMA
(Integrated Motor Assist). Sulla Insight, primo veicolo
ibrido-elettrico commercializzato sul mercato statunitense, il motore elettrico è posto tra il motore a benzina
a 3 cilindri (1.000 cm3 di cilindrata) e il cambio manuale a 5 rapporti; il motore è un motore in corrente continua privo di spazzole (v. oltre) e ha un ingombro assiale di appena 60 mm, è collegato direttamente all’albero del motore termico ed eroga una potenza massima di
10 kW. Fornisce potenza addizionale al motore termico
quando necessario, utilizza il recupero di energia cinetica in decelerazione e, quando non è richiesta trazione,
funge da generatore per ricaricare gli accumulatori ai
NiMH (120 celle da 1,2 V, tensione nominale di 144 V,
massa complessiva di 22 kg). Lo stesso sistema IMA, abbinato a un cambio a variazione continua di velocità CVT,
è stato poi adottato sulla Honda Civic Hybrid nel 2003.
La Insight e la Civic Hybrid sono capaci di raggiungere
eccellenti livelli di economia dei consumi, rispettivamente di 61 miglia/gallone (oltre 25 km/l) e 48 miglia/gallone (oltre 20 km/l) nel ciclo cittadino americano.
Sistemi ibridi Toyota THS e THS-II
Il sistema ibrido sviluppato da Toyota per la prima
generazione di Prius (commercializzata in Giappone nel
1997) prende il nome di THS (Toyota Hybrid System) e
consiste in un’evoluzione della configurazione di base
dei sistemi ibridi in parallelo. Il sistema ibrido della Prius
utilizza (v. par. 8.2.3): a) un motore termico a benzina
di 1.500 cm3 di cilindrata, ciclo Atkinson (elevata efficienza termica e prestazioni ridotte), con fasatura variabile delle valvole di aspirazione; b) un dispositivo di
ripartizione della potenza (nella fattispecie una trasmissione epicicloidale); c) un motore-generatore elettrico
Sistemi ibridi in parallelo
Nel sistema ibrido in parallelo sia il motore termico
sia il motore elettrico sono collegati direttamente alla
trasmissione, per fornire trazione alle ruote. In tale sistema il motore elettrico può anche fungere da generatore,
per ricaricare gli accumulatori quando il veicolo è in
movimento (fig. 6). Il vantaggio principale di questa configurazione consiste nel poter utilizzare accumulatori di
dimensioni relativamente ridotte. Il sistema ibrido mild
(mite), con funzionamento in parallelo, ha un motore
elettrico che non è però in grado nello stesso tempo di
assistere il motore termico e di generare energia elettrica per gli accumulatori; in altre parole, un veicolo ibrido-elettrico in parallelo non può essere fatto funzionare
solo dal motore elettrico. Inoltre, il sistema ibrido in
parallelo è più complicato di un sistema in serie e presenta una serie di problematiche connesse all’integrazione dei due motori. Un sistema ibrido di tipo mild
è utilizzato da Honda fin dal 1999 sui suoi modelli
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
batterie ad alta
tensione
motore termico
inverter
motore elettrico
fig. 6. Sistema ibrido in parallelo..
705
AUTOTRAZIONE
batterie ad alta
tensione
motore termico
generatore
inverter
motore elettrico
fig. 7. Sistemi ibridi Toyota THS e THS-II..
(MG1) per la ricarica degli accumulatori durante la marcia e in grado di riavviare il motore termico; d) un motore-generatore (MG2) per la trazione delle ruote anteriori e la frenata rigenerativa; e) un gruppo inverter per l’alimentazione in corrente alternata dei motori-generatori;
f ) accumulatori ai NiMH con una capacità di 2 kWh e
una massa complessiva di 49 kg (38 moduli di 6 celle da
1,2 V ciascuna, tensione nominale di 273,6 V).
A fronte di una simile complessità costruttiva, il THS
offre una notevole flessibilità di funzionamento e, utilizzando un cambio a variazione continua di velocità con
controllo elettronico (E-CVT, Electronic Continuously
Variable Trasmission), non richiede un gruppo frizionecambio convenzionale (fig. 7). Il sistema prevede motori-generatori elettrici in corrente alternata (motori
sincroni a magneti permanenti) e accumulatori ad alta
fig. 8. Funzionamento
dei sistemi ibridi Toyota
THS e THS-II
alle diverse condizioni
di carico.
⫹
tensione (ovviamente in continua) con converter di potenza per portare la tensione al livello desiderato e inverter
per la conversione continua-alternata per l’alimentazione dei motori in corrente alternata, ovvero per convertire in continua l’energia elettrica in alternata prodotta dai
motori-generatori e alimentare gli accumulatori; il motore elettrico del sistema può assicurare, in questo modo,
la conversione in energia elettrica di una parte dell’energia cinetica da dissipare in decelerazione e in frenata. Il THS è un sistema ibrido completo, che combina i
principali vantaggi dei sistemi ibridi in serie e in parallelo. La trazione può essere assicurata dal solo motore
elettrico nelle condizioni di basso carico e di bassa velocità (purché lo stato di carica degli accumulatori sia sufficientemente elevato), mentre è previsto l’utilizzo combinato del motore termico e del motore elettrico nelle
condizioni di carico e di velocità maggiori. Il THS seleziona in maniera automatica la combinazione ottimale
di funzionamento dei due motori. In assenza di carico,
il motore termico può essere avviato per ricaricare gli
accumulatori attraverso il generatore (fig. 8). In sintesi,
le funzioni primarie del THS introdotto sulla Prius sono
lo stop and go, la frenata rigenerativa, l’assistenza al
motore termico e la trazione ‘tutta elettrica’.
Il THS non prevede la ricarica degli accumulatori
attraverso la rete elettrica e dunque la Prius e gli altri
veicoli ibridi-elettrici sviluppati da Toyota possono a
tutti gli effetti essere definiti degli HEV-0 (veicoli ibridi-elettrici non dotati di autonomia significativa nella
modalità di trazione tutta elettrica); uno dei principali
vantaggi di questa configurazione è comunque costituito dalle dimensioni ridotte degli accumulatori ai NiMH,
che consentono di utilizzare lo spazio disponibile essenzialmente per i passeggeri e per i bagagli. La Prius ha
realizzato un eccellente livello di economia dei consumi, con ben 51 miglia/gallone (circa 21 km/l) nel ciclo
combinato americano.
batterie ad
alta tensione
forza motrice
forza motrice del motore termico
fornitura di energia
per compensare
la penuria in accelerazione, ecc.
energia
quando la vettura è ferma
il motore termico è spento
in frenata
parte dell’energia
cinetica viene
convertita in energia
elettrica
e immagazzinata
a velocità fissa
il surplus di energia
è immagazzinato
il motore termico
eroga energia a
elevata efficienza
⫺
706
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
La nuova Prius, commercializzata in Giappone e negli
Stati Uniti nel settembre 2003 e in Europa all’inizio del
2004, utilizza il sistema THS-II (Hybrid Synergy Drive),
ovvero un’evoluzione del THS, che prevede tra l’altro
l’attivazione tramite pulsante di una modalità di trazione tutta elettrica (EV), sia pure per brevi percorrenze
(2 km al massimo) e in determinate condizioni (accumulatori sufficientemente carichi, velocità massima del
veicolo inferiore a 50 km/h, ecc.).
Rispetto al sistema THS della prima generazione di
Prius, il THS-II ha introdotto, tra gli altri, i seguenti miglioramenti: a) accumulatori ai NiMH di ingombro e massa
ridotti (solo 39 kg, il 14% in meno), capaci di una maggiore densità di potenza e con migliori caratteristiche di
carica e scarica; b) gruppo inverter dotato di trasformatore di potenza per alimentare MG1 e MG2 a 500 V rispetto ai 273,6 V del modello precedente, il che consente di
raggiungere una potenza motrice maggiore e di avere correnti di alimentazione minori (e quindi minori dispersioni di energia e maggiore efficienza) a parità di livello di potenza; c) motore elettrico (MG2) di potenza superiore del 50% (50 kW contro 33 kW), oggi con la densità
di potenza maggiore sul mercato; d) motore elettrico con
coppia superiore del 14% (400 Nm contro 350 Nm);
e) maggiore capacità di ricarica del generatore elettrico
(MG1); f ) pulsante EV per l’attivazione della modalità
di trazione tutta elettrica nelle condizioni già ricordate.
La configurazione più semplice per un sistema ibrido
prevede il motore elettrico in linea con il motore termico;
una prima possibile variazione rispetto a tale configurazione consiste nel fornire trazione a un assale con il motore termico convenzionale e all’altra coppia di ruote con
un motore elettrico (o con una coppia di motori elettrici).
Tale sistema prende il nome di ibrido parallelo through
the road e ha il vantaggio principale di fornire una temporanea trazione integrale (part-time AWD, All Wheel
Drive). La configurazione permette inoltre una maggiore flessibilità nella disposizione del motore elettrico; tuttavia, la funzione AWD è limitata all’energia disponibile
negli accumulatori e il sistema comporta una notevole
complessità costruttiva e costi rilevanti. La Toyota Estima
Hybrid, commercializzata in Giappone nel 2001, è stata
la prima vettura al mondo con sistema ibrido parallelo
through the road, con assale anteriore dotato di un motore termico e di un motore-generatore elettrico e assale
posteriore dotato di un secondo motore elettrico in grado
di fornire una temporanea trazione 4⫻4. I motori-generatori elettrici della Estima Hybrid sono rispettivamente
capaci di fornire potenze di 13 kW e di 18 kW e sono alimentati a 216 V. Il sistema elettronico di controllo può scegliere la combinazione ottimale dei motori-generatori e
quale utilizzare per la ricarica degli accumulatori ai NiMH.
Con il lancio della Lexus RX400h si ha la prima applicazione del sistema Hybrid Synergy Drive a un SUV
di lusso, realizzando così un inedito 4WD a controllo
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
elettronico. La RX400h riprende la configurazione della
Toyota Estima Hybrid, con un motore-generatore elettrico per ogni assale e un motore V6 a benzina di elevate prestazioni sull’assale anteriore. Le caratteristiche più
importanti sono: a) trazione integrale nelle condizioni
di guida in cui questa è necessaria; b) trazione puramente
elettrica, quando l’efficienza del motore termico è bassa (se lo stato di carica degli accumulatori lo consente);
c) ricarica degli accumulatori durante il funzionamento
a carico medio-basso del motore termico; d ) gestione
elettronica integrata della dinamica del veicolo (VDIM,
Vehicle Dynamics Integrated Management), con controllo del sistema frenante di tipo brake by wire (con frenata rigenerativa su entrambi gli assali), dello sterzo e di
tutto il sistema ibrido THS-II.
Rispetto alla precedente Lexus RX300 e agli altri
SUV 4WD, la RX400h dispone di una catena cinematica semplificata, priva di differenziale centrale e di albero di trasmissione (fig. 9). Rispetto alla nuova Prius, la
RX400h prevede inoltre: a) alimentazione a 650 V, in
alternata, dei due motori-generatori dell’assale anteriore e di quello dell’assale posteriore; b) accumulatori ai
NiMH in grado di immagazzinare e fornire energia elettrica a una tensione di 288 V in continua (30 moduli costituiti ciascuno di 8 celle da 1,2 V), con una potenza massima di 45 kW·0,7 secondi; c) un motore-generatore elettrico per l’assale anteriore (MG2) con potenza massima
di 123 kW a 4.500 giri/min e coppia massima di 333 Nm
tra 0 e 1.500 giri/min; d ) un motore-generatore elettrico per l’assale posteriore (MGR) con potenza massima
di 50 kW tra 4.610 e 5.120 giri/min e coppia massima di
130 Nm tra 0 e 610 giri/min.
Il motore-generatore elettrico dell’assale posteriore della nuova RX400h viene utilizzato, insieme con il
motore
termico
power split
device
MG1
inverter
MGR
MG2
batterie
ad alta
tensione
riduttore
della velocità
di MG2
fig. 9. Sistema ibrido THS-II della Lexus RX400h.
707
AUTOTRAZIONE
motore-generatore dell’assale anteriore, nelle condizioni
di ripartenza del veicolo da fermo a carico ridotto, retromarcia, accelerazione a pieno carico, decelerazione e
frenata rigenerativa. Nelle normali condizioni di guida
a medi carichi, il sistema ibrido della RX400h interrompe la trazione alle ruote posteriori per ottenere una
maggiore economia dei consumi. Non appena però il
veicolo viene condotto su superfici a bassa aderenza, o
è soggetto a brusche accelerazioni, il sistema di controllo interviene e ripartisce la coppia motrice tra l’assale anteriore e quello posteriore, in modo da ottimizzare la trazione.
Altri tipi di sistemi ibridi
Una possibilità da prendere in esame, per quanto
riguarda il funzionamento dei sistemi ibridi, è la ricarica degli accumulatori dall’esterno, tramite collegamento
alla rete elettrica. Tale sistema prende il nome di grid
connected hybrid e può essere adottato sia nella configurazione in serie sia in quella in parallelo. Il vantaggio di questo tipo di sistema è di consentire una rilevante autonomia di guida in modalità tutta elettrica,
senza la necessità di avviare il motore termico. Lo svantaggio risiede nell’utilizzo di accumulatori di notevoli
dimensioni, pesanti e costosi, oltre che nel lungo tempo
di ricarica.
Componenti dei sistemi ibridi
Motore elettrico
Qualunque sia il sistema ibrido adottato, il motore
elettrico è utilizzato, in particolare, per la trazione e per
la frenata rigenerativa; sono quindi molto importanti l’efficienza e la caratteristica di coppia. Inoltre, se il motore elettrico è posizionato tra il motore termico e la trasmissione, assumono una notevole importanza anche la
compattezza della struttura e la resistenza all’elevata
temperatura. I motori elettrici sono di due tipi: motori a
induzione con alimentazione in corrente alternata; motori a magneti permanenti con alimentazione in corrente
continua, con avvolgimenti opportunamente disposti
sullo statore.
Il motore in corrente alternata è più semplice ed economico, anche se motori elettrici privi di spazzole a
magneti permanenti con alimentazione a corrente continua (BLDC, Brush Less Direct Current) sono più compatti e leggeri e inoltre dissipano più rapidamente il calore, a tutto vantaggio dell’efficienza; il costo del magnete (il più efficiente è realizzato con neodimio) rende però
più costosi i motori in corrente continua.
Un altro fattore di notevole importanza è il valore
della tensione di alimentazione del motore elettrico, da
cui dipende la scelta degli accumulatori e dell’elettronica di potenza: una tensione di alimentazione maggiore consente di ridurre le intensità delle correnti in gioco,
708
di utilizzare conduttori di sezione minore e di avere motori e inverter più efficienti; se poi il motore elettrico è
posto tra il volano e la frizione, diventa importante avere
un motore elettrico il più possibile compatto per ridurre la lunghezza complessiva motore-trasmissione; ciò è
particolarmente importante nelle applicazioni con trazione anteriore e motore montato trasversalmente, dove
la distanza tra le ruote è limitata. Per esempio la Honda
Civic Hybrid utilizza un motore elettrico BLDC, dotato di avvolgimenti assai compatti, per economizzare lo
spazio.
La Prius, fin dalla sua prima apparizione sul mercato, ha utilizzato due motori-generatori elettrici a magneti permanenti alimentati a corrente alternata, uno per la
trazione delle ruote anteriori e il recupero di energia elettrica in decelerazione e in frenata (MG2), l’altro per l’avviamento del motore termico quando necessario e la ricarica degli accumulatori (MG1). Il motore-generatore
MG2 è caratterizzato da potenza massima di 50 kW tra
1.200 e 1.540 giri/min e coppia massima di 400 Nm tra
0 e 1.200 giri/min.
Nella nuova Prius, la geometria di ciascun magnete
permanente all’interno del rotore del motore MG2 è stata
ottimizzata con configurazione a V; ciò ha permesso un
notevole miglioramento delle caratteristiche di potenza
e di coppia. È stata aumentata la robustezza del rotore
di MG1 e ciò ha permesso di allargare il campo di funzionamento di MG1 da 6.500 giri/min a 10.000 giri/min,
a tutto vantaggio della capacità di ricarica degli accumulatori. Per la gestione del motore MG2, è stato sviluppato un sistema di controllo delle condizioni di media
velocità del motore, con aumento della coppia in queste
condizioni fino al 30%. L’alimentazione ai motori-generatori elettrici MG1 e MG2 è assicurata da un cablaggio
ad alta tensione ed elevata intensità di corrente, che collega gli accumulatori ai NiMH al gruppo inverter e questo a MG1 e MG2. Sono previste targhette di sicurezza
che indicano la presenza di circuiti ad alta tensione e i
pericoli connessi a operazioni improprie.
Accumulatori
Gli accumulatori sono la sorgente di energia elettrica primaria per i veicoli ibridi-elettrici. L’unica alternativa ragionevole sarebbe rappresentata dagli ultracapacitori, cioè da una versione a più elevata potenza ed energia specifica dei capacitori elettrolitici che immagazzinano
energia sotto forma elettrostatica.
A meno che non sia richiesta un’autonomia significativa in modalità tutta elettrica (veicoli HEV-20,
HEV-40 o HEV-60, ovvero veicoli ibridi-elettrici con
autonomia di 20, 40 o 60 miglia senza utilizzare il motore termico), possono essere utilizzati accumulatori con
specifiche relativamente modeste e di dimensioni contenute. Nelle applicazioni a veicoli HEV-0 (come la
Prius), l’accumulatore fornisce l’energia accumulata per
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
assistere il motore termico in accelerazione e per la trazione nelle condizioni di basso carico e velocità ridotta
e viene altresì utilizzato in fase di frenata rigenerativa.
Tuttavia, per ottenere una sostanziale riduzione delle
dimensioni del motore termico, il motore elettrico deve
essere in grado di fornire almeno il 50% della coppia
nelle condizioni di bassa velocità e almeno il 15% della
potenza del motore termico. Di conseguenza, gli accumulatori per i veicoli ibridi-elettrici devono essere in
grado di mettere a disposizione elevate potenze in accelerazione e assorbire rilevanti quantità di energia in
decelerazione e in frenata.
Gli accumulatori sviluppati fino agli anni Novanta
per i veicoli elettrici non sono adattabili ai veicoli ibridi-elettrici. Nuovi accumulatori sono stati progettati con
l’obiettivo di fornire una maggiore densità di potenza
(potenza erogata per l’unità di massa del pacco batterie),
a scapito della densità di energia (energia immagazzinata per ogni kg del pacco batterie). Ovviamente, maggiore è la quantità di energia che si desidera immagazzinare all’interno degli accumulatori, più alti sono il loro
costo e la loro massa. Gli ultracapacitori hanno una densità di potenza assai elevata, un’eccellente rapidità nel
rilascio di potenza e garantiscono una notevole affidabilità e buone caratteristiche di raffreddamento; avendo
però densità di energia molto bassa, non sono in grado
di accumulare l’energia necessaria per assistere il motore termico in condizioni di carico elevato (per esempio,
durante la guida in salita). Questo è il motivo per il quale
i costruttori prendono in considerazione gli ultracapacitori solo per fornire una momentanea assistenza a veicoli con celle a combustibile.
Vengono di seguito esaminati i principali tipi di accumulatori utilizzati nei veicoli ibridi.
Accumulatori al piombo-acido. Rispetto agli altri tipi
di accumulatori, quelli al piombo hanno un costo minore, un ciclo di vita più breve (intervallo di sostituzione
circa ogni 4 anni, con conseguente aumento del costo
effettivo del sistema) e una densità di energia relativamente bassa. Gli accumulatori al piombo sono stati finora sviluppati soprattutto per applicazioni con potenze
elevate, con tecnologia di tipo VRLA (Valve Regulated
Lead Acid, regolazione della pressione dell’elettrolita,
leggermente superiore a quella atmosferica, tramite valvole) e in prospettiva dovrebbero essere utilizzati su alcuni veicoli ibridi-elettrici di potenza ridotta, a causa del
loro basso costo.
Accumulatori ai nichel-metal-idruri (NiMH). La ricerca sugli accumulatori ai NiMH ha avuto inizio negli anni
Settanta, allo scopo di immagazzinare idrogeno per gli
accumulatori al nichel-idrogeno; oggi gli accumulatori
al nichel-idrogeno vengono utilizzati solo per applicazioni satellitari, trattandosi di un sistema complesso dal
costo molto elevato. Inizialmente le leghe a idruri metallici apparivano instabili e non in grado di garantire le
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
prestazioni desiderate; a partire dalla fine degli anni
Ottanta, sono stati compiuti importanti progressi. Il successo degli accumulatori ai NiMH risiede nella loro
elevata densità di energia e nell’utilizzo di metalli ecocompatibili; gli accumulatori ai NiMH sono utilizzati
su tutti i veicoli ibridi-elettrici già commercializzati
(Toyota Prius, Honda Insight e Civic Hybrid, Lexus
RX400h) e sono stati scelti da Ford e General Motors per
i loro primi modelli con tecnologia ibrida. I principali
vantaggi degli accumulatori ai NiMH sono: a) densità di
energia più elevata del 40% rispetto a quella degli accumulatori al nichel-cadmio, con possibilità di migliorare
ulteriormente le prestazioni; b) ciclo di vita superiore
rispetto agli accumulatori al piombo acido; c) semplicità
di stoccaggio e di trasporto; d) ecocompatibilità, in quanto contengono sostanze tossiche solo in piccola quantità.
Gli svantaggi degli accumulatori ai NiMH sono:
a) costo più elevato; b) durata limitata se soggetti a cicli
completi (da 0 a 100% dello stato di carica); c) limitata
corrente di scarica, dal momento che carichi elevati riducono la durata degli accumulatori; i risultati migliori sono
ottenuti con utilizzazione degli accumulatori stessi tra il
20 e il 50% della capacità; d) maggiore sviluppo di calore durante la fase di carica, con impossibilità di assorbire sovraccarichi; e) elevata corrente statica (perdita ‘a
riposo’ in assenza di carichi esterni), riducibile con speciali additivi chimici a scapito della densità di energia;
f ) prestazioni ridotte a temperature elevate e a temperature particolarmente basse; g) necessità di funzionamento
almeno una volta ogni tre mesi, per evitare la formazione di cristalli.
Sulla nuova Prius, come del resto sul modello precedente, non è prevista la possibilità di una ricarica esterna del pacco batterie; questo è costituito da 28 moduli
di 6 celle da 1,2 V ciascuno, per una tensione continua
nominale di 201,6 V e una massa complessiva di appena 39 kg. La precedente Prius invece prevedeva 38 moduli da 1,2 V, per una tensione nominale di 273,6 V. È stata
dunque ottenuta una configurazione del pacco batterie
più compatta. Inoltre, sulla nuova Prius le celle sono collegate su due punti (invece che su un solo punto) e ciò
ha consentito di ridurre la resistenza interna degli accumulatori e quindi la corrente statica. Il controllo della
temperatura del pacco batterie e dell’intensità delle correnti che fluiscono all’interno dello stesso è assicurato
da un’apposita unità di controllo elettronica ECU (Electronic Control Unit), che gestisce il funzionamento della
ventola di raffreddamento.
Accumulatori agli ioni di litio. Rispetto agli altri
tipi di accumulatori, in particolare ai NiMH, si prospetta l’impiego di accumulatori a ioni di litio che hanno
densità di energia e densità di potenza più elevate; inoltre, essi hanno migliori prestazioni a bassa temperatura e una minore corrente statica. Tuttavia, gli accumulatori agli ioni di litio necessitano di ulteriori sensibili
709
AUTOTRAZIONE
miglioramenti in termini di affidabilità e di costi per
divenire competitivi nelle applicazioni sui veicoli ibridi-elettrici.
anche un circuito di raffreddamento ad acqua dedicato
per il gruppo inverter, avente portata di oltre 10 l/min e
capacità di 2,7 l.
Elettronica di potenza
Confronto dei veicoli ibridi con i veicoli con motori
a combustione interna
I motori elettrici alimentati con corrente continua utilizzano avvolgimenti opportuni e sono necessari moduli elettronici di commutazione per controllare il flusso
di corrente su ciascun avvolgimento durante la rotazione del motore. Tali moduli devono essere in grado di
commutare con grande rapidità correnti di elevata intensità e nello stesso tempo di controllare il verso e la fase
della corrente stessa; ciò comporta la necessità di smaltire notevoli quantità di calore.
La dimensione e il costo dell’elettronica di potenza
utilizzata su un moderno veicolo ibrido-elettrico sono
cruciali, a causa dell’elevata densità di potenza richiesta e delle esigenze di raffreddamento. L’elettronica di
potenza comprende anche un converter, per fornire un’alimentazione a 12 V all’impianto elettrico di bordo.
La nuova Prius ha introdotto significativi cambiamenti per il complessivo inverter:
• aggiunta di un converter di potenza (boost converter) per convertire i 201,6 V del pacco batterie nei
500 V di alimentazione dei motori MG1 e MG2; tale
converter consiste in un modulo di potenza (IPM,
Integrated Power Module), integrato con un transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), che
esegue il controllo di commutazione, e in un reattore che immagazzina energia; utilizzando tali componenti, il converter amplifica la tensione per alimentare i motori MG1 e MG2. Quando i motori agiscono come generatori, l’inverter trasforma la corrente
alternata da essi generata in corrente continua, che
poi il converter porta a 201,6 V per ricaricare il pacco
batterie;
• aggiunta di un inverter dedicato per l’alimentazione
del compressore ad azionamento elettrico dell’A/C;
• integrazione dei circuiti a ponte per l’alimentazione
dei motori MG1 e MG2 (ciascuno con 6 transistor di
potenza) in un modulo di potenza per la trazione.
Sistema di raffreddamento
Sia il pacco batterie sia l’elettronica di potenza devono essere raffreddati, dal momento che la carica e la scarica degli accumulatori sviluppano calore e che temperature elevate fanno degradare le prestazioni e il ciclo
di vita degli stessi accumulatori. Grazie alla minore
quantità di calore sviluppata dall’elettronica di potenza
di ultima generazione, sui veicoli ibridi-elettrici come la
Toyota Prius è stato possibile integrare gli accumulatori e i circuiti di controllo in un unico complessivo, raffreddato ad aria con una soffiante dedicata. Ciò ha permesso sostanziali riduzioni dell’ingombro e della massa
di tali componenti. Sulla nuova Prius è stato introdotto
710
Riduzione delle dimensioni del motore
a combustione interna
Dal momento che la coppia e la potenza più elevate
sono richieste in fase di accelerazione e nei tratti in salita e che è sufficiente una potenza minima per condurre
il veicolo a una velocità costante su una strada piana, l’utilizzo di un motore elettrico consente di adottare un
motore termico di dimensioni ridotte. Motori termici di
minor cilindrata sono più efficienti a parità di carico,
essendo caratterizzati da minori attriti interni, più elevati rendimenti volumetrici (minori perdite di pompaggio) e minori perdite di calore. Nel caso della Toyota
Prius, primo veicolo ibrido-elettrico commercializzato
al mondo, il motore termico adottato (1.500 cm3 di cilindrata, ciclo Atkinson) è caratterizzato da potenza e coppia limitate (57 kW e 115 Nm). Nella nuova Prius, la
presenza di un motore elettrico di elevate prestazioni,
capace di erogare fino a 50 kW di potenza e 400 Nm di
coppia a basso numero di giri, consente l’utilizzazione
dello stesso motore termico.
Frenata rigenerativa
Nei veicoli convenzionali una quantità di energia
rilevante viene persa durante la fase di decelerazione e
in frenata. Tale energia è consumata soprattutto dal sistema frenante e dagli attriti interni del motore (attriti meccanici e perdite di pompaggio). In un veicolo ibridoelettrico, invece, il motore elettrico viene utilizzato
come generatore per recuperare l’energia suddetta e
immagazzinarla negli accumulatori (utilizzazione del
motore elettrico, normalmente utilizzato per la trazione, come generatore per ricaricare gli accumulatori).
In pratica, una quota parte consistente della forza frenante viene ottenuta attraverso il freno elettrico del
motore-generatore e ciò permette anche di limitare il
consumo delle guarnizioni di attrito del sistema frenante (pastiglie dei freni).
Nella nuova Prius l’assale anteriore, su cui si trovano le ruote motrici, è connesso meccanicamente al motore-generatore MG2; durante una decelerazione o una frenata, le ruote motrici fanno ruotare il motore MG2 che
funziona in tal caso come generatore. La frenata rigenerativa, controllata dal sistema di controllo, non si affida unicamente al sistema idraulico tradizionale per fornire la forza frenante richiesta dal conducente; di conseguenza, questo controllo minimizza la perdita di energia
cinetica associata con la frenata tradizionale, recuperandone una parte e convertendola in energia elettrica.
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
La ripartizione della forza frenante tra frenata tradizionale e frenata rigenerativa varia in funzione della velocità del veicolo e del tempo: la forza frenante richiesta
dal conducente, dopo un transitorio iniziale, viene fornita per la maggior parte attraverso forza frenante rigenerativa e solo in parte minore tramite forza frenante tradizionale. Sulla nuova Prius il sistema frenante a controllo elettronico brake by wire ha esteso efficacemente
l’intervallo di utilizzo della frenata rigenerativa.
ottenute grazie a un particolare manovellismo che consente anche di attuare i 4 tempi del motore con un solo
giro dell’albero; il ciclo permette di estrarre una maggiore quantità di energia dal ciclo di combustione, grazie anche alle minori perdite di pompaggio e allo scarico; ciò va a scapito della coppia e della potenza erogate
dal motore termico, ma risulta accettabile su un veicolo
ibrido-elettrico, che può contare sull’assistenza del motore elettrico in fase di accelerazione.
Spegnimento del motore termico al minimo
Ausiliari elettrici
I sistemi ibridi prevedono lo spegnimento del motore
termico in assenza di carico, in particolare quando il veicolo è fermo (funzione stop and go), il che consente di
eliminare il consumo di carburante e le emissioni di inquinanti. Il motore elettrico ha una potenza sufficiente da
riavviare, se necessario, il motore termico in appena
2 decimi di secondo, senza che il conducente avverta alcun
inconveniente. Tale funzione (detta anche di idle off, via
il minimo, ed equivalente allo stop and go) consente da
sola una riduzione del consumo di carburante del 5-10%.
In un veicolo ibrido-elettrico la disponibilità di una
potenza elettrica addizionale consente di migliorare l’efficienza degli ausiliari del motore termico (compressore dell’A/C, pompa del servosterzo e pompa dell’acqua,
ecc.), che normalmente sono azionati dall’albero del
motore termico attraverso cinghie, ingranaggi o catene
con efficienza meccanica assai bassa; inoltre la loro velocità dipende dalla velocità del motore termico. L’utilizzo di ausiliari di tipo elettrico consente una soluzione ben
più efficiente, dal momento che essi possono essere azionati solo quando necessario e alla velocità ottimale, indipendentemente dalla velocità del motore termico.
Efficienza termica del motore termico
L’integrazione del motore elettrico e del motore termico migliora in modo rilevante l’efficienza dello stesso motore termico nelle varie condizioni di guida. Per
esempio, l’elevata coppia del motore elettrico consente
al motore termico di lavorare a regimi più ridotti, e dunque in modo più efficiente, nella guida a velocità costante su strade a scorrimento veloce, e nello stesso tempo
di disporre di accelerazioni adeguate in caso di necessità. Lo spunto assicurato dal motore elettrico consente
anche di utilizzare soluzioni alternative per il motore termico; per esempio, sulla Prius il motore termico adotta
un ciclo Atkinson in luogo del convenzionale ciclo Otto
(fig. 10). Il ciclo Atkinson è caratterizzato da una elevata fase di espansione e una ridotta fase di compressione,
fig. 10. Ciclo Atkinson
a elevata espansione
e ridotta compressione;
confronto con ciclo Otto.
Progetti
S’è detto che motori elettrici e accumulatori di dimensioni maggiori consentono di migliorare il processo di
accelerazione, di ridurre le dimensioni dei motori termici, di rigenerare in modo ottimale la frenata, di utilizzare in modo più efficiente gli ausiliari. D’altro canto
però accumulatori di elevate dimensioni sono assai costosi e un maggior peso di motori elettrici e accumulatori
condiziona le prestazioni del veicolo.
Ciascun costruttore ha un progetto sul modo per bilanciare i vari fattori e il mercato deciderà quali saranno le
scelte migliori; di seguito sono elencati i vari progetti di
veicoli ibridi-elettrici.
ciclo a elevato rapporto di espansione
es cors
pa a
ns di
ion
e
di one
rsa si
co pres
m
co
pressione nel cilindro
ciclo ordinario
perdita di
pressione
perdita di
pressione
volume
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
confronto della perdita
allo scarico
inizio
compressione
711
AUTOTRAZIONE
Sistema con starter-generatore integrato. Il progetto
ibrido più semplice è quello con motorino di avviamento e generatore integrato, che prevede un motore elettrico di elevata potenza, in grado di arrestare e riavviare il
motore termico quando necessario; il motore elettrico
assicura inoltre potenza elettrica addizionale per gli ausiliari. Veicoli ibridi-elettrici di questo tipo sono relativamente poco costosi, ma consentono un’economia dei
consumi piuttosto limitata, tra il 5 e il 10%.
Sistema ibrido permanente. Un sistema ibrido completo prevede l’utilizzazione di un motore elettrico, in
grado di fornire trazione solo elettrica e attuare una
frenata rigenerativa, oltre che di un pacco batterie ad
alta tensione. Tale progetto è decisamente più costoso,
ma consente di ridurre le dimensioni del motore termico e di integrare le funzioni del motore termico e di
quello elettrico. Un veicolo ibrido-elettrico di questo
tipo consente un’economia dei consumi dal 20 al 50%;
se invece l’obiettivo principale sono le prestazioni, l’utilizzazione di un sistema ibrido completo e di un motore termico di dimensioni convenzionali consente di
raggiungere valori di potenza e coppia mai raggiunti
in passato.
Funzionamento tutto elettrico. Nel funzionamento in
modalità tutta elettrica viene eliminato quanto più possibile il funzionamento del motore termico nelle condizioni in cui l’efficienza è più bassa (velocità inferiori a
25-30 km/h); estendere l’intervallo di funzionamento in
modalità tutta elettrica comporta l’utilizzo di accumulatori di dimensioni maggiori, rinunciando così ai principali vantaggi dei veicoli ibridi-elettrici di tipo HEV-0
(ad autonomia nulla in modalità tutta elettrica) come la
Prius, e cioè alle ridotte dimensioni degli accumulatori
e allo spazio a bordo per passeggeri e bagagli.
Sistema ibrido con ricarica esterna. Con il progetto
di accumulatori ricaricabili dalla rete elettrica, risultano
elevati il costo e l’ingombro degli accumulatori stessi;
tali fattori e la lunghezza del tempo di ricarica sembrano precludere la commercializzazione nel breve termine di una tale tipologia di veicoli ibridi-elettrici.
8.2.5 Pregi e difetti
dei veicoli ibridi-elettrici
Pregi
Uno studio dell’Electric Power Research Institute
(EPRI) del 2002 confronta i veicoli ibridi-elettrici di
tipo HEV-0 (mancanza di autonomia in modalità tutta
elettrica e impossibilità di ricaricare dalla rete elettrica
gli accumulatori ai NiMH) con i convenzionali veicoli
con motore a combustione interna. Tale studio evidenzia i vantaggi dei veicoli di tipo HEV-0: a) maggiore
economia dei consumi; b) costo di manutenzione ridotto; c) maggiore autonomia; d) sostanziale riduzione delle
712
emissioni degli inquinanti responsabili della formazione dello smog (NOx e HC), dal 10% per una berlina compatta al 19% per un SUV; e) sostanziale riduzione delle
emissioni di CO, dal 20% per una berlina compatta al
30% per un SUV; f ) sostanziale riduzione delle emissioni di CO2, almeno del 30%.
Difetti e ostacoli da rimuovere
Il principale ostacolo che si oppone alla diffusione
dei veicoli ibridi-elettrici è il costo di produzione degli
accumulatori, ovvero il costo dell’energia ‘a bordo‘ che
possa alimentare il propulsore elettrico nelle condizioni
di marcia a emissioni zero. Nel 2000 un gruppo di esperti nel settore degli accumulatori (BTAP, Battery Technical Advisory Panel) ha calcolato un limite di 600-1.200
cicli di funzionamento per un pacco batterie ai NiMH
sottoposto a cicli completi (0-100%) di carica e scarica.
Il California Air Resources Board (ARB) ha stimato per
gli stessi accumulatori una durata massima di soli 6 anni
o 75.000 miglia, al massimo di 10 anni o 100.000 miglia,
prima che si rendesse necessaria la sostituzione del pacco
batterie completo.
Tali previsioni sono però state riviste da uno studio
più recente, condotto dall’EPRI nel 2003; questo studio dell’EPRI, tra i primi ad analizzare il costo di veicoli ibridi-elettrici con accumulatori ai NiMH per il loro
intero ciclo di vita, dimostra che questi accumulatori
hanno compiuto notevoli passi avanti e sono già in grado
di assicurare ottime prestazioni con una durata assai maggiore di quanto previsto in passato. Per esempio gli accumulatori originali ai NiMH del modello Full Electric del
Rav4 EV, dopo 5 anni di esercizio reale, hanno viaggiato per oltre 100.000 miglia senza manifestare avarie e
veicoli del genere sono progettati per durare almeno
130.000-150.000 miglia; questi risultati sono stati ottenuti con la prima generazione di accumulatori ai NiMH.
Inoltre, prove di laboratorio hanno dimostrato per gli
accumulatori ai NiMH una durata di circa 2.900 cicli tra
l’80 e il 20% dello ‘stato di carica’. Tali stime sono state
confermate anche da studi di Ford Motor Corporation:
un’utilizzazione degli accumulatori ai NiMH in un intervallo più ristretto dello stato di carica ne prolunga in
maniera significativa la durata.
In sintesi, i risultati dello studio dell’EPRI sulle potenzialità degli accumulatori ai NiMH sono stati:
• maggiore durata (in termini di cicli di funzionamento); un solo pacco batterie per veicolo può durare
per l’intera vita del veicolo (in prospettiva 130.000150.000 miglia);
• i veicoli ibridi-elettrici (sia ad autonomia nulla come
gli HEV-0, sia ad autonomia limitata come gli HEV-20
e simili) sono in grado di eguagliare i veicoli convenzionali in termini di costo per l’intero ciclo di vita
(costo di acquisto, costo del carburante, costo di manutenzione);
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
•
•
•
l’attuale commercializzazione di veicoli ibridi-elettrici di tipo HEV-0, con la previsione di una produzione superiore a un milione di unità entro il 2010,
permetterà di abbattere i costi di produzione dei componenti a tecnologia avanzata, come i motori elettrici a elevata densità di potenza, parti diverse dell’elettronica di potenza (in particolare, gli inverter) e
l’hardware;
mentre in passato (fine anni Novanta) era stato fissato un obiettivo di 150 $/kWh per il costo degli accumulatori dei veicoli ibridi-elettrici, l’ultimo studio
dell’EPRI conclude che tale limite può considerarsi
tra 380 e i 471 $, grazie all’abbattimento del costo
degli altri componenti ibridi (motori-generatori elettrici, elettronica di potenza, ecc.), dovuto alla diffusione degli HEV-0;
i veicoli ibridi-elettrici consentono, a parità di costo
per l’intero ciclo di vita rispetto ai veicoli convenzionali, una riduzione delle emissioni degli inquinanti e dei gas serra, oltre che del consumo di combustibili fossili.
8.2.6 Possibili sviluppi
dei componenti dei veicoli
ibridi-elettrici
Motore elettrico
Dal momento che il magnete permanente costituisce
uno dei costi primari dei motori elettrici in uso sui veicoli ibridi-elettrici e che la relativa tecnologia è ormai
matura, non si prevedono in tale settore grandi riduzioni di costo. Nei primi veicoli ibridi-elettrici si manifesta
inoltre un costo addizionale per l’integrazione di tali
motori su sistemi di nuova introduzione; questo costo è
destinato a ridursi con la diffusione della tecnologia ibrida e con l’aumento dei volumi di produzione. Inoltre,
potranno aversi ulteriori diminuzioni dei costi nel lungo
periodo con l’introduzione di motori elettrici a commutazione della riluttanza che, rispetto ai motori in corrente continua privi di spazzole, offrono una buona efficienza con ingombro e costo accettabili.
Accumulatori
Nei veicoli ibridi-elettrici con motore a combustione interna in grado di ricaricare gli accumulatori durante la marcia, il pacco batterie non è di dimensioni tali
da occupare lo spazio dei sedili posteriori e del vano
bagagli. In prospettiva, se è sufficiente un numero limitato di celle, è ipotizzabile l’utilizzazione di accumulatori hi-tech, ai nichel-metal-idruri, agli ioni di litio e
forse ai polimeri metallici di litio. Nel breve periodo gli
accumulatori ai NiMH sembrano costituire la scelta vincente, per la più elevata densità di potenza, il più lungo
ciclo di vita e la migliore risposta a brevi richieste di
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
elevata potenza; tutto ciò malgrado il costo relativamente elevato e le specifiche di raffreddamento richieste. Per gli accumulatori agli ioni di litio sono necessari notevoli miglioramenti per quanto riguarda il ciclo di
vita e il costo, prima dell’applicazione a veicoli ibridielettrici di larga commercializzazione; questo tipo di
accumulatori potrebbe essere al limite utilizzato in applicazioni dove sono richieste elevate prestazioni a bassa
temperatura.
Gli sforzi condotti dai consorzi europei e nordamericani dimostrano che anche gli accumulatori al piombo
acido possono dimostrarsi competitivi per prezzo e prestazioni. Peraltro, i veicoli ibridi-elettrici utilizzano solo
una parte dell’intervallo tra lo stato di carica massimo
(100%) e minimo (0%) e ciò fornisce agli accumulatori al piombo acido la possibilità di raggiungere prestazioni accettabili a un costo ragionevole. Per competere
con gli altri tipi di accumulatori, quelli al piombo acido
dovranno estendere la propria durata di vita ad almeno
10 anni, visto che già oggi Honda e Toyota offrono rispettivamente 8 anni e 80.000/100.000 miglia di garanzia
sulla Civic Hybrid e sulla Prius. Il consorzio ALABC
(Advanced Lead Acid Battery Consortium) ha in corso
(2005) un programma di ricerca per lo sviluppo di accumulatori al piombo acido destinati a funzionare in condizioni di stato di carica parziale e in applicazioni su veicoli ibridi-elettrici. Un analogo consorzio europeo
(EALABC, European Advanced Lead Acid Battery
Consortium), comprendente anche Hawker Batteries,
Provector, Università di Sheffield e Università di Warwick,
prova a sostituire gli accumulatori della Honda Insight
(la prima mild hybrid commercializzata su larga scala al
mondo) con un pacco batterie al piombo acido: i 144 V
del sistema hanno richiesto l’impiego di 72 celle, per una
capacità totale degli accumulatori di 936 Wh. Tale sperimentazione dovrebbe portare a un miglioramento delle
caratteristiche degli accumulatori al piombo acido, con
l’obiettivo di ridurre il costo di produzione sotto i livelli previsti per gli altri tipi di accumulatori (ai nichelmetal-idruri e agli ioni di litio) nell’ipotesi di produzione superiore a 100.000 pezzi annui (costo di 300 $/kWh).
Una possibilità da mettere in pratica a lungo termine potrebbe essere quella di combinare un pacco batterie di dimensioni ridotte con un ultracapacitore, in
grado di mettere a disposizione una densità di potenza
assai elevata (ma con densità di energia ridotta). Tale
soluzione permetterebbe di sfruttare lo spunto e la capacità rigenerativa dell’ultracapacitore e nello stesso tempo
di utilizzare un pacco batterie di dimensioni assai ridotte (e di costo più contenuto). Al momento però resta da
dimostrare che tale risparmio possa compensare il maggior costo per lo sviluppo e la produzione degli ultracapacitori.
General Motors ha annunciato l’utilizzazione di accumulatori al piombo acido sulla prossima linea di veicoli
713
AUTOTRAZIONE
ibridi-elettrici, a partire dal Saturn SUV (2005), dichiarando un costo del 25% inferiore rispetto agli accumulatori ai nichel-metal-idruri.
Elettronica di potenza
Come in tutte le altre applicazioni, i componenti elettronici adottati nel progetto dei veicoli ibridi-elettrici
sono destinati a un miglioramento delle prestazioni e a
una contrazione dei costi di produzione; in particolare,
è auspicabile l’introduzione di componenti che richiedano un minor raffreddamento, offrano prestazioni più
elevate e rendano possibili soluzioni più integrate e di
minor ingombro. Si fa presente, al riguardo, che i sistemi ibridi dovranno sempre più consentire l’introduzione
di componenti ausiliari di tipo elettrico, a sostituzione dei
componenti meccanici e idraulici convenzionali; ciò consentirà di ridurre i costi e di offrire ai clienti una varietà
di dispositivi sempre maggiore.
8.2.7 Il futuro del mercato
dei veicoli ibridi-elettrici
Fattori di successo
Il successo dei veicoli ibridi-elettrici dipende da una
serie di fattori, fra cui il prezzo, le prestazioni, il cost of
ownership, la garanzia assicurata dai costruttori per i
componenti ibridi.
Per quanto riguarda il prezzo, la tecnologia ibrida dovrà
essere in grado di assicurare maggiori economie dei consumi e minori emissioni allo scarico; sarà tuttavia da verificare se i consumatori saranno disposti a pagare un prezzo un po’ più elevato per contribuire allo sviluppo e alla
diffusione di mezzi a minore impatto ambientale.
Dovrà quindi essere verificata la competitività della
soluzione ibrida, soprattutto in termini di rapporto prestazioni/prezzo: la tecnologia ibrida, per raggiungere
livelli di consumo ed emissioni ridotti, non sacrifica affatto ripresa e accelerazione. La sinergia tra motore a combustione interna e motore elettrico consente di disporre
di una coppia straordinaria (per esempio, 478 Nm) a
bassa velocità e di una potenza corrispondente di tutto
rispetto (83 kW) nelle condizioni di carico e velocità elevate. Sul mercato nordamericano, in particolare, sembra
importante l’estensione della tecnologia ibrida al settore dei SUV, in cui ha luogo circa il 40% delle vendite. I
SUV ibridi-elettrici potrebbero portare a una riduzione
significativa del consumo complessivo di petrolio e del
rilascio di inquinanti.
Per quanto riguarda il cost of ownership (costo della
proprietà), già oggi la Prius dimostra come la tecnologia ibrida non comporti per l’utente costi aggiuntivi in
termini di manutenzione periodica, ordinaria e straordinaria; per esempio, sono necessarie solo 4,2 ore di manutenzione periodica nei primi 100.000 km di vita, con
714
intervalli e interventi di manutenzione periodica in tutto
e per tutto simili a quelli di un’utilitaria. Inoltre, il costruttore non prevede una durata limite per il funzionamento dei principali componenti del sistema ibrido, come gli
accumulatori ai NiMH.
La garanzia è un elemento chiave per il successo dei
veicoli ibridi-elettrici; la nuova Prius, per esempio, viene
commercializzata sul mercato europeo con una garanzia
di 8 anni o 160.000 km su tutti i componenti ibridi (accumulatori compresi), rispetto a una garanzia totale di
3 anni o 100.000 km sul resto della vettura.
Nuovi veicoli e prospettive del mercato
Nel 2002, i veicoli ibridi-elettrici messi in commercio sul mercato statunitense hanno raggiunto circa l’1%
del totale dei veicoli venduti dalle case produttrici di
‘ibridi’, superando le 35.000 unità. Rispetto al 2001, l’incremento per tale genere di veicoli è stato del 77%. Secondo alcune analisi, i nuovi veicoli ibridi-elettrici dovranno essere appetibili per famiglie con figli, e dunque avere
le caratteristiche dei SUV. Per questo motivo, i principali costruttori americani hanno annunciato il lancio sul
mercato interno di una serie di SUV, la Dodge Ram Pickup
di DaimlerChrysler (2005), la Escape SUV di Ford (2004),
la Chevy Silverado pickup (2004), la GMC Sierra pickup
(2004), la Saturn Vue SUV (2005) e la Chevrolet Tahoo
SUV (2007), tutte di General Motors.
La Ford Escape Hybrid, in particolare, è il risultato
dell’acquisizione da parte di Ford di una serie di importanti brevetti Toyota e della collaborazione della stessa
Ford con Aisin (azienda giapponese con partecipazione
di Toyota, che ha sviluppato per la Escape alcuni componenti ibridi). La Escape applica a un SUV di dimensioni ridotte i principi fondamentali del sistema Hybrid
Synergy Drive della nuova Prius.
Si aggiunga, con riferimento agli esempi seguenti,
che i veicoli ibridi-elettrici stanno ormai entrando nel
settore delle vetture di lusso.
La Lexus RX400h, il cui lancio negli Stati Uniti è
stato preceduto da oltre 10.000 ordini, rappresenta il
primo SUV di lusso dotato di tecnologia ibrida e trazione integrale ‘intelligente’.
Per il 2005, Toyota ha programmato di utilizzare la
tecnologia ibrida della RX400h sull’Highlander Hybrid,
un SUV con 7 posti capace di percorrere 27,6 miglia con
un gallone di benzina (circa 11,5 km/l) nel ciclo combinato, per un’autonomia di quasi 1.000 km con un pieno.
Per la Mercedes Grand Sports Tourer, attesa nel 2005
sul mercato statunitense, è previsto un motore diesel V8
da 184 kW abbinato a un motore elettrico da 50 kW
(potenza combinata 234 kW; coppia massima 860 Nm).
Porsche ha preso in esame la possibilità di utilizzare il sistema ibrido Toyota per la Cayenne.
In definitiva, la strada aperta dalle giapponesi Toyota
e Honda è e sarà sempre più battuta dalla maggior parte
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
SISTEMI A TRAZIONE IBRIDA
degli altri colossi automobilistici e il mercato americano è quello dove il lancio di nuovi veicoli ibridi-elettrici è più atteso.
Per quanto riguarda le prospettive, secondo uno studio del 2002-03 condotto da Autobytel (azienda attiva
nel mercato automobilistico):
• il 90% dei potenziali clienti intervistati on-line avrebbe preso in considerazione l’ipotesi di acquistare un
veicolo ibrido-elettrico se questo fosse stato offerto
sullo stesso modello di vettura posseduta;
• solo il 16% dei potenziali clienti si è detto disposto
a rinunciare a qualcosa in termini di potenza e accelerazione;
• solo il 36% si è detto fiducioso della possibilità dei veicoli ibridi-elettrici di eguagliare le prestazioni dei
veicoli convenzionali a benzina;
• il 44% delle donne si è detto non molto informato
riguardo la tecnologia ibrida, confessando di apprendere per la prima volta nel corso dell’intervista il significato della parola ‘ibrido’ applicata a un’automobile;
• il 31% degli uomini ha ammesso di avere una scarsa conoscenza della tecnologia ibrida;
• solo una minoranza degli intervistati (il 9% delle
donne e il 13% degli uomini) ha ritenuto decisivi gli
incentivi fiscali (1.500 $) per decidere di acquistare
un veicolo ibrido-elettrico;
• il 43% delle donne e il 34% degli uomini si sono detti
pronti a spendere 1.000-2.000 $ in più per l’acquisto
di un veicolo ibrido-elettrico capace di consumare
una minore quantità di carburante.
Dal momento che l’Unione Europea punta soprattutto alla riduzione del rilascio di CO2, più che all’abbattimento delle emissioni degli NOx, i costruttori europei (come Renault e Fiat), a differenza di quelli americani e giapponesi, prestano maggiore attenzione ai veicoli
ibridi-elettrici di tipo mild. Secondo Frost & Sullivan,
società di consulenza di crescita globale, i veicoli ibridi-elettrici sono destinati a guadagnare il 10% del mercato europeo entro il 2015, triplicando la propria penetrazione nel solo periodo 2010-15. Tutti concordano sul
fatto che i costi dei sistemi ibridi dovranno diminuire
con l’aumento del mercato; i costi minori attrarranno, di
conseguenza, nuovi clienti ed è prevedibile, secondo altri
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
studi, che i veicoli ibridi-elettrici raggiungano circa l’1%
del mercato nel 2005, il 3% nel 2009 e il 5% nel 2013.
Tuttavia, non è chiaro se la percentuale dei veicoli ibridi-elettrici si arresterà intorno al 5-10% del mercato, o
se i costi diminuiranno ulteriormente, consentendo l’accesso a un mercato di massa. L’industria può fornire una
spinta al mercato, producendo veicoli ibridi-elettrici
rispondenti ai desideri dei potenziali clienti, ma i clienti non possono essere spinti a comprare prodotti che non
desiderano. Programmi governativi dedicati a stimolare
la domanda di veicoli ibridi-elettrici, fornendo incentivi ed educando i clienti a una sensibilità ambientale,
potrebbero influenzare notevolmente il mercato dei veicoli ibridi-elettrici.
Bibliografia generale
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Tecnici) (2003) Annuario dei dati ambientali 2003, Roma,
APAT.
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(editor in chief) Encyclopedia of energy, Amsterdam,
Elsevier, 6v.; v.III.
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Orecchini F., Naso V. (2003) La società no oil: un nuovo
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Bibliografia citata
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(CA), EPRI, Final Report.
EPRI (Electric Power Research Institute) (2003) Advanced
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hybrid electric, and plug-in hybrid electric vehicles, Palo
Alto (CA), EPRI.
Jacopo D’Andria
Toyota Motor Italia
Roma, Italia
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