IBRIDO, PLUG-IN e TURBO ELETTRICO BREVETTATO FERRARI: Compromessi o Opportunità?

Qualche tempo fa, ci siamo lasciati dicendoci che l'auto elettrica non è l'unica soluzione possibile che consenta di sfruttare i vantaggi dell'elettrico su un auto...

Prima di esplorare la possibile alternativa dell'Ibrido, però, credo sia indispensabile fissare dei punti fermi riguardo a ciò che abbiamo già visto a proposito dell'Elettrico come tecnologia:  

1. Le performance longitudinali sono decisamente un punto forte dei motori elettrici, le loro curve di coppia li rendono decisamente più sfruttabili rispetto ad uno a combustione con uguali picchi di coppia e potenza. Il vero problema attualmente è la capacità immaganizzativa dei pacchi batterie, tecnologia comunque in rapido sviluppo, che pone limiti importanti in termini di autonomia e peso, costringendo i progettisti a scendere a compromessi su entrambi i fronti.


2. In termini di efficienza, sebbene i motori elettrici siano potenzialmente in grado di raggiungere efficienze altissime in condizioni industriali, nelle applicazioni automobilistiche la necessità di un motore compatto e versatile fa si che i motori abbiano una curva di efficienza variabile e in generale più bassa. In più, quando si parla di auto elettriche, bisogna considerare le efficienze di inverter, pacco batterie, stazioni di ricarica, cavi e conversione iniziale dalla fonte primaria (qualunque essa sia) ad energia elettrica: tutti effetti che creano una dispersione energetica dalla fonte primaria alla conversione finale e che avvicinano notevolmente l'efficienza di un'auto elettrica a quella di una a combustione interna (dove la fonte di energia si trova intatta nel serbatoio). 


3. Le principali fonti energetiche per alimentare le reti elettriche sono attualmente i combustibili fossili e l'energia termonucleare. Le fonti pulite e rinnovabili ricoprono attualmente meno del 20% del fabbisogno complessivo, una percentuale che scenderebbe ulteriormente, se il parco auto divenisse interamente elettrico, dato che il fabbisogno complessivo aumenterebbe esponenzialmente e le uniche fonti che potrebbero sopperire "a comando" sono proprio i combustibili fossili. 

Ma cosa significa Ibrido?

Ibrido, per definizione, significa a metà tra 2 nature: nel caso dell'automobile, si parla di un'auto ibrida riferendosi ad un veicolo che utilizza, come sistema propulsivo, un motore termico affiancato da uno o più motori elettrici.  
Una definizione piuttosto vaga, in quanto ci sono diversi modi di affiancare le 2 tecnologie. Diamoci subito dentro, perciò, analizzando uno per uno i tipi di applicazione di questo concetto tecnologico:

La prima, classica distinzione..
Ibrido in parallelo e ibrido in serie:  

La maggior parte del parco auto ibrido circolante (è il caso, ad esempio, della Toyota Prius) è caratterizzata da una tecnologia di ibrido in parallelo, ovvero veicoli in cui entrambi i sistemi propulsivi, sia i motori elettrici che quello termico, contribuiscono al moto del veicolo applicando direttamente una coppia sulle ruote motrici. Se ci sono diverse varianti di ibrido in parallelo e le vedremo tra poco; l'ibrido in serie, invece, ha visto una diffusione minore e si può ragionevolmente ridurre, almeno per il momento ad un solo caso di studio, quello dell'Opel Ampera:

In questo caso, i motori elettrici sono gli unici ad essere collegati alle ruote, mentre il motore termico è collegato ad un alternatore e funge unicamente da generatore di corrente per ricaricare il pacco batterie: si ha perciò una serie [Carburante - Motore termico - Batterie - Motori elettrici - Ruote]  e da qui la definizione di Ibrido in Serie.  
Questa soluzione consente di utilizzare il motore termico sempre al suo regime di massima efficienza: una caratteristica che, se da una parte la rende migliore dell'ibrido in parallelo dal punto di vista proprio dell'efficienza e quindi di consumi e inquinamento, dall'altra avrà probabilmente fatto storcere il naso a diversi potenziali clienti Opel quando sono arrivati a farne un test drive... 
L'auto infatti si comporta come un'auto completamente elettrica per quanto riguarda l'erogazione della coppia, ma sentire il motore accendersi ogni tanto e girare a regime costante a prescindere da ciò che si fa con l'acceleratore dà uno strano feeling ad un guidatore abituato a guidare auto tradizionali.

Prima di dare un'occhiata a quelle che sono le diverse configurazioni possibili di ibrido in parallelo, però, è il caso di fare una seconda importante distinzione:

Full Hybrid e Ibrido Plug-In (PHEV):  

  

La sostanziale differenza tra un ibrido tradizionale (o Full Hybrid: vedi sempre il caso della Toyota Prius o dell'intera gamma Lexus) e un PHEV [Plug-in Hybrid Electric Vehicle] (come ad esempio la gamma ibrida BMW) sta nella fonte energetica.

La sola fonte energetica di un ibrido tradizionale è il carburante.
Le batterie vengono infatti ricaricate rigenerando energia in frenata nel caso di un ibrido in parallelo, aggiungendo l'azione diretta del motore termico alla frenata rigenerativa nel caso di un'ibrido in serie.

Nel caso del Plug-in, invece, al carburante si aggiunge una seconda fonte energetica: l'energia derivante dalla rete elettrica. 
Questa scelta progettuale consente alle case automobilistiche di ridurre la produzione di CO2 per Km dichiarata dando un'apparenza di maggiore "pulizia" e minori consumi, senza cambiare nulla della tecnologia realmente impiegata nel sistema propulsivo dell'auto. 

E' chiaro, infatti, che se si aggiunge l'energia della rete elettrica al carburante, a parità di tragitto e di performance/efficienza dei motori termico ed elettrici, sarà possibile consumare la stessa energia complessiva bruciando meno carburante e generando meno CO2. Come ho scritto, però, si tratta di un guadagno apparente: un discorso che ho già affrontato nell'articolo sull'elettrico e che si può ben riassumere nei punti 2 e 3 della premessa iniziale di quest'articolo. 

A questo punto, tornando all'ibrido in parallelo, direi che è arrivato il momento di entrare più nel dettaglio, analizzando alcune delle possibili configurazioni dei principali componenti di un'auto ibrida in parallelo:  Motore termico e trasmissione, motori elettrici, pacco batterie. 

Disposizione "classica":

Le figure fanno riferimento allo schema costruttivo della BMW Serie 7e Plug-In.
Nelle immagini è possibile vedere come lo schema del Powertrain sia esattamente lo stesso dell'auto termica [motore longitudinale, trazione posteriore] con un unico motore elettrico che va a scaricare la coppia direttamente sull'albero di trasmissione. 
Il pacco batterie è localizzato nella parte posteriore il più in basso possibile per mantenere basso il baricentro e ridurre le perdite in termini di spazio.

 La trazione integrale elettrica:

E' il caso della Honda NSX, ma un prototipo di questo tipo è stato anche sviluppato al Politecnico di Torino sulla base di una Lancia 037. 
In questo caso l'ibrido si realizza in 2 Powertrain del tutto distinti che vanno ad agire su diversi assali. Quello termico è interamente posizionato al posteriore dove troviamo il motore centrale longitudinale con annessi trasmissione e impianto di raffreddamento, sull'assale anteriore invece troviamo i motori elettrici in-board, uno per ruota per ottenere un efficace effetto di torque vectoring.  Le batterie sono posizionate dietro i sedili. Da notare che, nello specifico caso della NSX, il powertrain posteriore è a sua volta ibrido, con un motore elettrico applicato sulla trasmissione come nella disposizione "classica". 

Un discorso a parte potrebbe essere fatto, poi, per quanto riguarda le possibili interazioni tra...  

L' Ibrido e il Turbo:

Ad aprire la strada a questo tipo di applicazione è stato il concetto di MGU-H ( ↑ ), nato con le moderne Power Unit di F1 nel 2014.   
Un turbocompressore funziona secondo un concetto piuttosto semplice:
Recuperare energia dai gas di scarico, attraverso una turbina, per poi utilizzarla per comprimere l'aria in aspirazione con un compressore rotativo. Una pressione maggiore in aspirazione, infatti, significa che a parità di volume (la cilindrata del motore) ci sarà più ossigeno e questo permetterà di bruciare più carburante per ogni singolo scoppio. Il fenomeno che ho appena descritto può essere sintetizzato in un aumento dell'efficienza volumetrica del motore e si traduce in più potenza a parità di cilindrata, o a minori cilindrate a parità di potenza (il cosidetto downsizing, magari approfondirò l'argomento in un altro articolo 😉).

I due organi meccanici, turbina e compressore, sono in genere collegati da un alberino che consente di trasmettere l'energia cinetica da un organo all'altro.

Il limite di questo sistema sta nell'inerzia delle giranti: 
La portata dei gas di scarico non è la stessa a tutti i regimi di rotazione del motore e questo fa si che la turbina non possa lavorare sempre a regime, ma sia soggetta a continue accelerazioni (quando i giri motore salgono) e decelerazioni (in rilascio). Questo fenomeno, unito appunto all'inerzia delle giranti, fa si che il turbocompressore risponda con un certo ritardo agli input del pedale dell'acceleratore. E' il caratteristico fenomeno del turbo-lag. 

Nel corso degli anni sono stati studiati diversi sistemi, oggi anche molto diffusi, per arginare il fenomeno del turbo-lag e approfondire questo argomento probabilmente richiederebbe un articolo a se, ma è qui che entra in gioco l'MGU-H.

Si tratta infatti di applicare un motore elettrico sull'alberino del turbo compressore (vedi immagine) che funge da generatore quando, in rilascio, dissipa l'energia cinetica, data dall'inerzia delle giranti ancora in rotazione, trasformandola in energia elettrica che viene poi riutilizzata per dare una spinta al turbocompressore quando quella degli scarichi non è sufficiente a muovere le giranti abbastanza da permettere al motore di erogare la potenza richiesta. 
In questo modo non solo si compensa il fenomeno del turbo-lag, ma si aumenta l'efficienza dello stesso turbocompressore dato che si va a recuperare un energia, quella cinetica della turbina in rilascio, che diversamente andrebbe persa... 
... e un aumento di efficienza, come sempre, può significare 2 cose: più potenza o meno consumi.

Apoteosi di questo concetto è il nuovo sistema di...
Turbo Elettrico ideato da Ferrari:

Questo nuovo sistema può essere immaginato come un'evoluzione del concetto di MGU-H in cui viene però a mancare l'alberino di connessione. 

La turbina è collegata direttamente ad un alternatore e recupera energia dai gas di scarico al solo scopo di generare corrente per caricare una batteria. Il compressore a questo punto è azionato direttamente da un motore elettrico, alimentato dalla suddetta batteria, che viene azionato direttamente da centralina.
Il concetto appare semplice, ma nessuno ci aveva pensato prima (Ferrari ha depositato il brevetto nel primo semestre di quest'anno [2018] ) e le implicazioni in termini di performance sono importantissime: 

1. Non ci sono momenti in cui la turbina non stia recuperando energia, da questo punto di vista l'efficienza della turbina è massimizzata. 
2. Il turbo-lag viene completamente azzerato in quanto il compressore non viene più azionato per via di un vincolo cinematico con la turbina, ma tramite un controllo elettronico: ciò significa che è possibile far girare il compressore al massimo quando la turbina è ancora ferma. In più il motore elettrico dovrà mettere in moto una sola girante (quella del compressore) e questo riduce ulteriormente l'inerzia del sistema e il conseguente ritardo di risposta.  
3. Pare che anche il suono ne giovi, un requisito fondamentale quando si parla di motori marchiati Ferrari. 

Verrebbe da dire che in questo modo si può avere un motore turbo con l'erogazione e il suono di un aspirato, ma in realtà è ancora meglio: sul suono non posso commentare nulla ma, per quanto riguarda l'erogazione, un controllo in tempo reale sulla pressione dell'aria in aspirazione (e quindi sull'efficienza volumetrica) significa un controllo in tempo reale sulle curve di coppia e potenza!  E scusate se è poco 😅

Bene, con questa splendida immagine si conclude questo viaggio alla scoperta dei sistemi propulsivi elettrificati. Personalmente ho un'opinione precisa sull'argomento e probabilmente, tra l'articolo sull'elettrico e questo, in alcuni passaggi sarà trasparsa. Ho scelto però di non esprimerla apertamente perchè sono convinto che, se si conosce un argomento, si è liberi di farsi un'opinione che sia propria senza essere influenzati dalla fonte delle informazioni e lo scopo di FR Tecnica è sempre stato divulgare, non influenzare. 

Cosa ne pensi quindi? 

Le auto elettriche sono davvero il futuro? 
L'ibrido è un compromesso o un'opportunità? 

Lascia la tua risposta nei commenti se ti va e, se l'articolo ti è piaciuto, fammelo sapere con un LIKE 👍

Al prossimo articolo!  Ciao 😜

FORMULA SAE: 4 validi motivi e un ingrediente fondamentale

Se segui FR Tecnica da un po', o sei passato per caso dalla pagina "CHI SONO", saprai che, sul finire dello scorso anno (2017), sono entrato a far parte di Squadra Corse PoliTO: il Team studentesco del Politecnico di Torino che partecipa alla competizione internazionale Formula SAE.

Prima di condividere con te alcune riflessioni a cui ho pensato guardando alla Stagione 2018 appena conclusasi, credo sia però il caso di fare una piccola introduzione su questo mondo, così che chiunque si trovi a leggere quest'articolo possa capirci qualcosa. 😉

Cos'è la Formula SAE ?

Formula SAE (o Formula Student) è una competizione che vede confrontarsi studenti di ingegneria provenienti da tutto il mondo nella sfida di progettare, costruire, presentare e condurre una monoposto da corsa.

A livello di classifiche, l'organizzazione è simile a quella del Tennis internazionale:

Esistono diversi eventi organizzati in modo indipendente da cui i Team partecipanti escono con un punteggio che viene poi utilizzato per stilare dapprima la classifica finale dell'evento e, in seguito, un Ranking Mondiale.

In questo modo è possibile per team di tutto il mondo confrontarsi senza necessariamente partecipare tutti allo stesso evento, cosa impossibile considerando il numero elevatissimo di Team che partecipano alla competizione.

Un evento di Formula SAE si sviluppa in circa 5 giorni in cui la competizione attraversa diverse fasi:  

1) Tech inspections: 

Una serie di verifiche tecniche che i giudici svolgono sulle vetture per verificare che l'auto rispetti il regolamento e possa partecipare alle prove dinamiche in sicurezza.   Sembra una cosa scontata, ma ti assicuro che questa fase è probabilmente la più stressante poichè quasi nessun team riesce a passarle al primo tentativo. Ciò che accade normalmente è che i giudici, seguendo una Check List, fermano l'ispezione quando trovano qualcosa che non va e non proseguono oltre fino a che l'aspetto in questione non viene messo a regolamento. Una cosa che richiede una grande e continua reattività da parte della squadra che è chiamata a modificare aspetti dell'auto a tempo record per poi tornare in fila e riprendere le ispezioni.

2) Prove statiche:  

Business Plan Presentation, Cost Report e Design Presentation: 

Non scenderò nel dettaglio di ogni singola prova, ma ti basti sapere che sono prove in cui il Team è chiamato a presentare ai giudici la vettura giustificando ogni aspetto di quest'ultima in termini ingegneristici ed economici.  Queste prove si tengono in contemporanea alle Tech e richiedono la presenza della macchina al box (non sempre è facile conciliare le 2 cose). I giudici poi assegnano un numero di punti al Team per ogni prova. 

3) Prove dinamiche: 

       - Acceleration:  Uno sparo sui 75 metri. 

       - Skidpad:        Sostanzialmente un 8 nel quale le diverse vetture si confrontano in termini di potenziale accelerazione laterale. 

       - Autocross:      Un giro a ritmo di qualifica su un percorso aperto di poco più di 1 km. 

       - Endurance:     Una prova a tempo su una distanza di 22 km con un cambio pilota. 

In ciascuna di queste prove, il tempo complessivo più basso assegna il massimo dei punti mentre gli altri punteggi vengono riscalati in base ai distacchi dal primo.    

Nella prova di endurance si inserisce un'ulteriore prova dinamica, l'Efficiency, che assegna punteggi in proporzione al prodotto di tempo totale per carburante consumato per le auto a combustione; al prodotto di tempo totale per il quadrato dell'energia consumata per le auto elettriche.  Anche per l'Efficiency, chi fa meglio ottiene il massimo dei punti, gli altri punteggi vengono riscalati in base al distacco dal primo.

Ma che tipo di monoposto può partecipare ad un evento di Formula Student? 

3 Categorie:  

- Combustion

- Electric

- Driverless (guida autonoma)

Il regolamento si presenta severo e stringente per quanto riguarda tutti gli aspetti riguardanti la sicurezza, ma per tutto il resto si dimostra essere molto liberale: Vengono definiti gli ingombri minimi (carreggiata: 1200 , passo: 1525),

l'altezza minima da terra (30 mm -> con questo si vieta anche l'utilizzo di minigonne aerodinamiche), la massima cilindrata per le Combustion [710cc], la potenza massima e il massimo voltaggio per le elettriche [80kw - 600V].  

NESSUN LIMITE DI PESO MINIMO in tutte le categorie. 

Le appendici aerodinamiche sono limitate in termini di ingombri, parti aerodinamiche mobili finalizzate a generare effetto suolo (stile Brabham F1 del 1978) sono vietate. 

Le driverless possono essere sia elettriche che a combustione; in genere i team utilizzano auto degli anni precedenti implementando il solo sistema di guida.

Alla fine, data anche la tortuosità dei tracciati, ne vengono fuori delle monoposto quasi sempre delle dimensioni minime regolamentari, con un peso che può andare da 145 kg per le Combustion più leggere, sino ai quasi 300kg dei team con meno esperienza, per una potenza che in genere supera di poco i 100cv. 

Bene!  Con questo direi che l'introduzione si può dire conclusa.

Ora che sappiamo tutti di cosa stiamo parlando, è arrivato il momento di andare al succo dell'articolo; ovvero condividere con te ciò che ho imparato quest'anno e 4 validi motivi per cui, per uno studente di Ingegneria, vale la pena di lanciarsi in questo tipo di esperienza. 

1 - Acquisire competenze 

La stagione si sviluppa sostanzialmente in 3 fasi: Progettazione (Ottobre - Dicembre), Produzione (Gennaio - Maggio), Test e Gare (Giugno - Settembre).  

I team in genere si strutturano in divisioni che si occupano delle diverse aree progettuali della monoposto: Da Telaio e Aerodinamica alla Dinamica del Veicolo e alle Masse non Sospese, sino anche alla Logistica e alla gestione dell'Immagine del Team. 

Quando entri in una di queste divisioni, la prima cosa che fai è..  STUDIARE!  

Le competenze che raggiungi tra i banchi dell'università sono importanti e ti danno un metodo, ma non sono sufficienti a costruire un'auto da corsa che si dimostri competitiva a livello internazionale.  

Col proseguire della stagione diventi via via più specializzato e assumi competenze e conoscenze a cui chi si limita a seguire i corsi e dare gli esami non ha accesso, o meglio, non allo stesso modo: Lo stesso concetto teorico viene appreso in modo diverso dallo studio all'applicazione. 

In fase di produzione poi, si ha l'occasione di verificare con mano la qualità della progettazione: il concetto di "Design for Assembly" assume un altro significato quando sei tu progettista a dover infilare la chiave in un posto estremamente scomodo per effettuare una regolazione o montare un componente. 

In pista infine, hai la possibilità di vedere con i tuoi occhi l'efficacia delle soluzioni adottate, studiare una telemetria e provare interventi di assetto e controlli elettronici (un altro campo in cui è difficile vivere un'esperienza che concili teoria e pratica come quella di programmare un controllo e vederlo girare direttamente in auto). 

 

2 - Scoprire un ambiente di lavoro

Progettare e costruire qualcosa in un Team organizzato in diverse divisioni, ciascuna con un responsabile, dà la possibilità ad uno studente di sperimentare "in piccolo" le dinamiche tipiche di un ambiente di lavoro. Non solo la capacità di lavorare in squadra è fondamentale per la riuscita del progetto, ma lo sviluppo stesso del progetto permette a chi ci lavora di migliorare le proprie abilità di Teamwork.   Un aspetto che viene tenuto non poco in considerazione dalle aziende che saranno, per gli aspiranti ingegneri, i potenziali datori di lavoro. 

3 - Vivere il Team

Formula Student è sinonimo di eccellenze. Aldilà dell'abilità di lavorare in Squadra, lavorare per un anno su un progetto di questo tipo fa si che tra i membri si instauri un tipo di rapporto diverso da quello che si vive normalmente in università.

In più, chi vi partecipa, ha la possibilità di vivere e lavorare in un contesto sempre stimolante che ti sprona a imparare sempre qualcosa di nuovo e ad essere ogni giorno un po' più utile al team di quanto lo eri il giorno prima.


Mentirei se dicessi che tutto questo non comporta sacrifici..  Quell'ufficio, quell'officina diventano la tua seconda casa o forse addirittura la prima se si considera il tempo che ci passi dentro, ma la crescita personale e professionale che ne deriva vale decisamente lo sforzo.

4 - Confrontarsi con il resto del Mondo 

Arrivano le gare..   
..e con esse arriva il momento di verificare se il lavoro che si è fatto durante l'anno è davvero valido a livello internazionale.  Insomma, il momento di verificare se si è fatto abbastanza.  
Alla prima gara della stagione quasi nessuno arriva perfettamente preparato e, nel corso dell'evento, i ragazzi lavorano di giorno per avere l'auto pronta per le prove dinamiche, di notte per essere preparati a quelle statiche.
Quando arriva il momento di confrontarsi con gli altri Team ti rendi conto che tutti hanno dei problemi, che i tuoi avversari sono studenti di ingegneria come te e che l'unica cosa in cui siete diversi è il modo in cui li si affronta. Durante l'evento, team di tutto il mondo si aiutano a vicenda, si confrontano e riescono così a trovare soluzioni a cui in un anno di preparazione non si era pensato, ad avere dei riferimenti per la stagione successiva; insomma CONFRONTANDOSI SI IMPARA!

Personalmente credo che l'atmosfera che si respira in questa fase dell'evento sia un qualcosa di impagabile, così come lo è quell'aria di tensione e apprensione che si vive quando durante l'endurance si guarda il numero di giri alla fine decrescere..  e si cerca di mantenere i nervi saldi e nel frattempo si prega che non sopraggiungano problemi..  E' difficile da spiegare, devi viverlo!

Poi le premiazioni, il momento in cui si rende merito ai migliori, seguite poche ore dopo dalla festa finale in campeggio.  Ancora una volta non solo un'occasione per confrontarsi, questa volta in ambito culturale, ma un momento in cui vincitori e sconfitti ridono, ballano, bevono fianco a fianco in un clima di festa...  

E in effetti hanno tutti qualcosa da festeggiare, perchè in questo genere di eventi non ci sono sconfitti:  

SI VINCE O SI IMPARA!

Ora, credo sia abbastanza chiaro che di valide motivazioni che possano spingere uno studente di Ingegneria a lanciarsi in un esperienza di questo tipo ce ne sono abbastanza, ma ti ho anche accennato il fatto che vivere un anno di Formula Student significa sacrificio, non solo in termini di tempo libero e tempo da dedicare allo studio, ma anche in termini di stress e carico di lavoro che sono entrambi superiori a quelli che deve sopportare in media uno studente universitario. E' praticamente un lavoro, ma senza stipendio.😅

Per questo motivo, credo che esista un'unica fonte di motivazione in grado di fornire allo studente la forza d'animo necessaria a non mollare (e credimi, molti mollano lungo il percorso...) e continuare a lavorare a testa bassa...

LA PASSIONE! 
E' questo a mio avviso l'ingrediente fondamentale che rende un gruppo di ragazzi una Squadra...  e di un Team una Squadra vincente!

A proposito di Squadra..  In Squadra Corse PoliTO il recruitment per la stagione 2019 è già cominciato! 
Se sei uno studente del Politecnico di Torino, perchè non dai un'occhiata alla pagina FB di Squadra Corse? 😉

Se invece questo non è il tuo caso spero di essere riuscito a trasmetterti tutto il bello di questo mondo in cui giovani aspiranti ingegneri di tutto il mondo si confrontano e crescono insieme.

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Noi ci ritroviamo al prossimo articolo!  
Ciao!  😃