Per una mobilità sostenibile

AUTOMOTIVE –

Nell’ambito del dibattito sull’ambiente sta assumendo una rilevanza sempre più importante il ruolo dell’auto elettrica. Molti annunci di pre-produzione di modelli elettrici suggeriscono la possibilità che presto si possa verificare un’espansione nella disponibilità di veicoli elettrici.

Da qualche anno, nel più vasto dibattito sul clima e sull'inquinamento ambientale, la locuzione "auto elettrica" ha assunto una rilevanza notevole in una vasta cerchia della popolazione. Da qualche mese poi, con l'aggravarsi del crollo del mercato automobilistico come conseguenza (ma non solo) della più generale crisi finanziaria e produttiva mondiale e il possibile fallimento di primarie aziende del settore, ha riacceso l'interesse sull'auto elettrica, vista da taluni come una possibilità di un nuovo corso dell'industria automobilistica. Il tema è notevolmente complesso dal punto di vista tecnico, industriale e sociale; cercheremo di indicare alcuni punti utili per esaminare gli aspetti essenziali del problema. L'automobile è una parte essenziale della civiltà dell'uomo moderno, ma esistono anche altri mezzi di trasporto in cui il motore elettrico è abbastanza diffuso. Infatti la trazione ferroviaria, almeno in Europa è prevalentemente elettrica; in Italia già nel 1939 una parte non trascurabile dei treni era a trazione elettrica. I tram sono esclusivamente elettrici in tutto il mondo e così pure i filobus. I sommergibili e i sottomarini sono azionati da sistemi di propulsione "ibridi", nel senso che la fonte di energia a bordo può essere di varia natura (per esempio idrocarburi, nucleare) ma tipicamente i motori sono elettrici. Anche nella navigazione di superficie da qualche anno vengono costruite grandi navi, ad esempio da crociera, con l'architettura generale dell'attrezzaggio di bordo conosciuto con il termine AES (All Electric Sheps), in cui la propulsione è assicurata da un certo numero di motori elettrici (uno per ogni elica) che fa parte, insieme a un convertitore statico, di un azionamento elettrico; la potenza dei propeller drive può essere dell'ordine di grandezza di oltre 1 MW. Nel campo delle imbarcazioni segnaliamo che è stato recentemente comunicato che la città di Venezia ha deciso di convertire i classici vaporetti con imbarcazioni a propulsione elettrica. L'automobile è l'ultima arrivata?

Tipologie del sistema di propulsione dell'autoveicolo elettrico
L'autoveicolo elettrico può essere definito un autoveicolo munito di almeno un motore elettrico, che, eventualmente cooperando con altri motori non elettrici, fornisce potenza propulsiva al veicolo, con possibilità di collegamento meccanico a una o più ruote. Come si comprende dalla definizione, il requisito essenziale affinché un autoveicolo si possa definire elettrico è che sia munito di un motore elettrico che possa essere collegato meccanicamente alle ruote motrici; è anche chiaro che riteniamo "elettrico" un autoveicolo che possieda anche altri tipi di motori, come i motori a combustione interna o motori endotermici, tipicamente a gasolio o a benzina. Una classificazione sovente adottata è la seguente:
1 - autoveicoli esclusivamente elettrici (VEE), muniti solo di motore elettrico; possono essere usati più motori elettrici (ad esempio nel caso delle motoruote) ma non è presente alcun altro tipo di motore; sono correntemente denominati anche autoveicoli a batteria;
2 - autoveicoli ibridi (VEI) che utilizzano, oltre al motore elettrico, anche altri tipi di motore; questo tipo di autoveicolo si suddivide a sua volta in due sottotipi: ibridi in serie (VEIS) e ibridi in parallelo (VEIP).

L'autoveicolo elettrico a batteria
La Fig. 1 riporta lo schema di principio di un autoveicolo elettrico a batteria o VEE (Veicolo Esclusivamente Elettrico). La batteria è un accumulatore di energia elettrica ed è l'unica fonte di energia presente sul veicolo; essa eroga corrente continua a un convertitore elettronico di potenza, che a sua volta fornisce potenza elettrica, di regola in corrente alternata con opportune caratteristiche (tensione, corrente, frequenza) al motore elettrico, il quale trasforma la potenza elettrica in potenza meccanica, che, eventualmente attraverso un opportuno gruppo meccanico (comprendente ad esempio cambio meccanico, differenziale, ecc.) viene trasferita alle ruote. Il convertitore e il motore costituiscono un azionamento elettrico del tipo bidirezionale reversibile; ciò significa che:
a - il senso di rotazione delle ruote può essere invertito elettricamente;
b - quando il veicolo si trova in fase di frenatura o decelerazione l'energia viene ricuperata, il motore diventa un generatore e il PDS ricarica la batteria, come evidenziato in calce alla figura. Ovviamente, in media, il ricupero non è sufficiente a ricaricare completamente la batteria; esistono due modalità per effettuare questa operazione: da un caricabatteria esterno oppure interno al veicolo; con questa seconda modalità (spesso denominata plug-in) è sufficiente il collegamento di un apposito cavo di connessione del veicolo a una comune presa di corrente della rete di distribuzione, ad esempio monofase 230 V, 50 Hz.
Le principali caratteristiche del VEE sono:
a - la fonte energetica a bordo è esclusivamente elettrica, ma è di tipo accumulato e non prodotto;
b - la fonte di energia primaria è esterna all'autoveicolo;
c - l'autoveicolo è del tipo "a emissione zero" durante tutto la sua attività;
d - l'autonomia del veicolo dipende dall'energia immagazzinata nella batteria;
e - tutta la potenza meccanica fornita al gruppo meccanico, e quindi alle ruote, è fornita dal motore elettrico.

L'autoveicolo elettrico ibrido in serie
La Fig. 2 riporta lo schema di principio di un VEIS (Veicolo Elettrico Ibrido in Serie). Caratteristica di questo schema funzionale è la presenza, oltre al motore elettrico, di un secondo motore, del tipo a combustione interna, che aziona meccanicamente un alternatore alimentante in AC il convertitore 1. Questo apparecchio converte l'ingresso AC in corrente continua DC con opportune caratteristiche e può, attraverso l'organo H (in alternativa o contemporaneamente), sia alimentare il convertitore 2 del PDS, sia ricaricare la batteria. La parte di schema comprendente il convertitore 2, il motore elettrico e il gruppo meccanico, è esattamente uguale a quello della Fig. 1. Le principali caratteristiche del VEIS sono:
a - sono presenti due motori: uno elettrico ed uno a combustione interna (sistema ibrido) e la catena energetica comprende in successione le seguenti trasformazioni dell'energia: chimica/ meccanica (motore a combustione interna; meccanica/elettrica AC (alternatore); elettrica AC/elettrica DC (convertitore 1), elettrica AC/ elettrica AC (convertitore 2); elettrica AC/meccanica (motore elettrico); le trasformazioni sono successive, cioè in serie, da cui la sigla;
b - la fonte di energia primaria si trova sull'autoveicolo ed è costituta dal carburante contenuto nel serbatoio; è inoltre presente una batteria per l'immagazzinamento dell'energia elettrica DC;
c - l'autoveicolo è del tipo "a emissione zero" solo quando funziona con il motore a combustione interna spento e l'energia è fornita al convertitore 2 solo dalla batteria;
d - l'autonomia del veicolo dipende dalla quantità di carburante contenuta nel serbatoio;
e - tutta la potenza meccanica fornita al gruppo meccanico, e quindi alle ruote, è fornita dal motore elettrico.

L'autoveicolo elettrico ibrido in parallelo
La Fig. 3 riporta lo schema di principio di un VEIP (Veicolo Elettrico Ibrido in Parallelo). Rispetto a VEIS la catena energetica è notevolmente ridotta e la struttura del sistema propulsivo è diversa. Infatti in questo caso la potenza meccanica trasferita al gruppo meccanico può esser fornita o dal solo motore a combustione interna, o da solo motore elettrico o da entrambi contemporaneamente. Nella Fig. 3 è rappresentata una soluzione meccanica, in cui l'albero del motore elettrico è in prosecuzione di quello del motore e combustione interna e trasmette il moto al gruppo meccanico. Ovviamente lal velocità angolare è identica per entrambi i motori. In questo modo, se entrambi i motori sono funzionanti, la coppia trasmessa è la somma delle coppie dei due motori e pertanto la potenza meccanica totale trasmessa risulta PMT = (TCI + TE) ·_, dove TCI e TE sono rispettivamente la coppia del motore a combustione interna e del motore elettrico e _ la velocità angolare dell'albero. Quando funziona il solo motore elettrico, alimentato dal convertitore, l'energia è fornita dalla batteria ed l'albero del motore a combustione interna è separato per mezzo del giunto G. Anche in questo caso la batteria può essere ricaricata sia per il ricupero dell'energia di frenatura sia dal motore a combustione interna. Quello descritto è solo uno dei diversi sistemi ibridi adottati.
Le principali caratteristiche del VEIP sono:
a - sono presenti due motori, uno elettrico e uno a combustione interna (sistema ibrido), che funzionano in parallelo;
b - la fonte di energia primaria si trova sull'autoveicolo ed è costituta dal carburante contenuto nel serbatoio; è inoltre presente una batteria per l'immagazzinamento dell'energia elettrica DC;
c - l'autoveicolo è del tipo "a emissione zero" solo quando funziona con il motore a combustione interna spento e l'energia è fornita al convertitore solo dalla batteria;
d - l'autonomia del veicolo dipende dalla quantità di carburante contenuta nel serbatoio;
e - la potenza meccanica fornita al gruppo meccanico, e quindi alle ruote, è fornita direttamente sia dal motore elettrico che dal motore a combustione interna.

L'autovettura che nasce elettrica
Pininfarina, una delle aziende italiane più conosciute nel mondo come designer e costruttore di automobili di classe, e il gruppo Bollore hanno dato vita all'inizio del 2008, a una joint venture detenuta al 50% da ciascuno dei due gruppi con l'obiettivo di progettare, sviluppare, produrre e distribuire un'automobile elettrica rivoluzionaria per le sue caratteristiche tecniche e per le sue qualità formali, la Pininfarina Bluecar, esposta come anticipazione al Salone di Ginevra di questo anno, nello stand Véhicules Électriques Pininfarina-Bolloré (Fig. 4). Questa vettura sarà prodotta negli stabilimenti di Pinifarina a Torino a partire dal 2010 con i primi esemplari, per poi consolidare la produzione su scala industriale tra il 2011 e il 2017 e raggiungere una produzione di circa 60.000 unità entro il 2015. La Bluecar è un veicolo elettrico del tipo VEE-plug-in con due importanti innovazioni:
1 - l'impiego di un nuovo tipo di batteria LMP (Lythium Metal Polymere), alla quale è abbinato un dispositivo per lo stoccaggio dell'energia denominato "supercapacity", fabbricato negli stabilimenti Bolloré a Quimper in Francia e Montreal in Canada, che ricupera l'energia in frenata, per poi renderla disponibile alla ripartenza del mezzo;
2 - l'adozione di celle solari opportunamente montate sulla vettura, che contribuiscono all'alimentazione degli equipaggiamenti elettrici. Nella Tab. 1 sono riportate le principali caratteristiche tecniche della Bluecar.
Notizie di stampa indicano che la velocità massima potrebbe essere di 250 km/h, ma un limitatore di velocità permetterebbe di limitarla a 130 km/h.

La prima autovettura ibrida
Fin dal 1997 la giapponese Toyota iniziò a progettare, eseguire prototipi e cicli di prova e successivamente a passare alla produzione di serie dell'autovettura elettrica ibrida PRIUS, che rappresentò una svolta epocale nel settore della motorizzazione elettrica dell'automobile; da tale data, afferma la Toyota "oltre 700.000 persone in tutto il mondo si sono avvicinate alla tecnologia Hybrid Sinergy Drive e hanno scelto di guidare Toyota Prius". Questa autovettura (Fig. 5) appartiene al tipo VEIP, autoveicolo elettrico ibrido in parallelo, ed è munita di due motori: un motore a benzina della potenza di 57 kW a 5000 giri/min e un motore elettrico sincrono a magneti permanenti (brushless) della potenza di 50 kW nel campo 1200÷1540 giri/min. Il sistema complessivo di propulsione ha una potenza complessiva di 82 kW e il consumo standard è di 20 km/litro; è inoltre presente un generatore elettrico azionato dal motore a benzina. Nella partenza e a bassa velocità la vettura è mossa dal solo motore elettrico, quando è richiesta la massima accelerazione il sistema utilizza le due fonti di energia (batteria e motore a benzina), nella marcia costante il motore a benzina aziona contemporaneamente le ruote ed il generatore che alimenta il motore elettrico; quando necessario il generatore provvede a ricaricare la batteria; come in tutti i VEIP, durante la frenata o la decelerazione, l'energia viene ricuperata e ricarica la batteria. Nella Tab. 2 sono riportate le principali caratteristiche tecniche della Prius.

L'azionamento elettrico: motori e convertitori
In qualunque tipo di autoveicolo elettrico è presente un azionamento elettrico (PDS), costituito dal motore elettrico e dal relativo convertitore, di regola un inverter. Il motore può essere sia il comune motore asincrono ad induzione, di regola specificamente studiato per l'applicazione di trazione su gomma, sia un motore sincrono come il brushless a magneti permanenti. Il raffreddamento è spesso ad acqua, modalità del resto ben nota ed utilizzata anche sui normali autoveicoli. Lo schema del convertitore è uno degli standard utilizzati nel campo industriale per esempio un inverter DC/AC se l'ingresso è da batteria, o a doppia conversione AC/AC con bus intermedio DC di potenza, se l'ingresso è AC, come talvolta avviene nei tipi ibridi. In Italia esistono diverse industrie che producono per questo settore, fornendo sia solo l'elettronica di potenza o il motore oppure anche l'intero azionamento. A quest'ultima categoria appartiene la Ansaldo Electric Drives S.p.A. di Genova, che è fabbrica e fornisce convertitori e motori per veicoli elettrici e ibridi per autovetture, van e autobus. I motori sono del tipo asincrono e la parte di potenza dei convertitori è basata su IGBT; la gamma varia da 7,5 kW (City car) fino a 180 kW (autobus articolati da 18 m). Nella Tab. 3 è riportato un sinottico della produzione e nella Tab. 4 le caratteristiche tecniche dell'azionamento con motore tipo A1H256B.

La batteria nell'autoveicolo elettrico
Non è necessario spendere molte parole per comprendere che la batteria è l'elemento chiave dell'autoveicolo elettrico; purtroppo è anche il punto debole del sistema e da oltre trenta anni la chimica di potenza ha battuto molte strade, a partire dal perfezionamento delle classiche batterie al piombo. per ragioni di spazio non possiamo addentrarci nell'esame delle batterie che oggi promettono di diventare una realtà industriale, sia dal punto di vista tecnico (p.e. elevato rapporto potenza/ massa, energia / massa, rendimento di conversione), sia dal punto di vista del costo. Attualmente le batterie al Litio-ione, sviluppate da molti costruttori e già disponibili in commercio per applicazione a veicoli elettrici, sono caratterizzate da una energia specifica intorno ai 125 Wh/kg (160 Wh/kg a livello di cella elementare), un rendimento carica - scarica del 90%, una ciclabilità attesa in oltre 1000 cicli di scarica profonda. L'impiego di questo tipo di batteria può consentire autonomie fino a valori superiori ai 200 km, con masse a bordo accettabili e compatibili con un uso efficiente del veicolo. La ricarica può, già con le tecniche attualmente in uso, essere realizzata in tempi brevi (dell'ordine di 2 ore per ricariche all'80%). Sono in atto sviluppi per ridurre il tempo di ricarica all'ordine della decina di minuti, con procedure e tipologie di batteria specifiche.

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La posizione di FIAT

Non si può chiudere, almeno in Italia, un discorso sull'automobile elettrica, senza fare almeno un cenno alla posizione di FIAT, sopratutto dopo il primo accordo FIAT-Chrysler del 23 aprile 2009. Il gruppo FIAT, in particolare il CRF (Centro Ricerche FIAT) è stato sempre molto attento al problema dell'auto elettrica e ha lavorato per essere sempre all'avanguardia nelle ricerche e spesso anche nella esecuzione di prototipi. Le realizzazioni pratiche invece sono state sempre episodiche e non significative, salvo alcuni veicoli della Iveco. Secondo fonti di agenzia, il 23 marzo 2009, in occasione dell'apertura dell'Assemblea degli azionisti al Lingotto di Torino, Sergio Marchionne, amministratore delegato di Fiat Group, ha definito ai giornalisti quale sarà la strategia Fiat per i veicoli elettrici nei prossimi anni. Fiat non ritiene possibile un investimento sulle auto elettriche nei prossimi 3-4 anni. "Dati gli elevati costi di produzione, ad oggi non risulta essere una scelta sostenibile, tanto da non ritenerla possibile" ha affermato. Tuttavia il mensile "Quattroruote" di maggio 2009, ha pubblicato uno scoop intitolato "il progetto segreto di Fiat: l'ibridino di Torino", nel quale si dà notizia di un inedito sistema ibrido nato per le piccole Fiat, in particolare per la 500 e la futura Topolino; tale sistema, che abbina il futuro motore bicilindrico 900 turbo a benzina (in produzione già nel 2010) a un inedito cambio automatico italiano, all'interno del quale è collocato il motore elettrico, utilizzerà batterie di nuova generazione agli ioni di litio e sarà del tipo a ricarica plug-in.

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