Dopo aver parlato dei principi di funzionamento dei sistemi Mild Hybrid. In questa trattazione descriveremo il layout MiHEV Liv1-2 e 3.
Le diversità dipendono dal posizionamento delle componenti. Trattandosi di una propulsione ibrida la parte più importante è la macchina elettrica ed il suo collegamento alla parte meccanica. Questo può avvenire attraverso un comando a cinghia o direttamente in modo meccanico.
La tecnologia Mild Hybrid MiHEV-Liv1 è si avvale di una generatore starter (BiSG) da 12V, (Suzuki), 24V, (Mazda) e 48v collegato al motore endotermico da una cinghia di trasmissione con raffreddamento integrato sia ad aria che a liquido. Questa soluzione è adattabile in modo semplice ed economico ad ogni tipo di veicolo. Il motore elettrico dispone dai 5cv ai 12cv di potenza aggiuntiva a seconda del tipo di motore elettrico.
Il comando a cinghia per sua stessa natura ha delle perdite di rendimento ed influiscono sul rendimento complessivo. Facendo un rapporto costi/benefici il rendimento che non va oltre l’85%, per una riduzione dei consumi dal 7 al 9% secondo il ciclo di omlogazione WLTP.
Il motore elettrico aiuta la vettura nelle partenze da fermo e nelle fasi passive durante i cambi marcia. La poca coppia non influisce in modo evidente sulle riprese a bassa velocità. Il motore elettrico è dotato di generatore ed inverte per ricaricare una piccola batteria 48v. L’efficacia della ricarica dipende dalla quantità di perdite dovute alla trasmissione a cinghia.
Avere una piccola batteria permette di estendere le funzioni di start&stop attivabile . Inoltre anche con motore a 48V non consente la marcia in full elettrico. La cinghia di trasmissione è un componente specifico dimensionato per sopportare continui cambi di coppia, con costi leggermente maggiori alla sostituzione.
Il MiHEV Liv 1, necessita di avere comunque un motorino di avviamento classico per la messa in moto anche dopo lunghe soste o partenza a freddo. Molto importante l’aspetto del comfort: Le resistenze in gioco attraverso la cinghia possono essere fonte di vibrazioni.
Ad oggi, molti costruttori stanno utilizzando questo schema con motore a 48v. Molto utile per abbassare il limite di emissione di anidride carbonica abbattendo i consumi. Il costo basso, la sua versatilità consente di poter avere motori elettrici di diversa potenza per diverse tipologie di veicoli.
Suzuki ne è un esempio lampante. Un motore a 12v per la piccola Ignis, e 48v per la più grande Vitara ma il complessivo l’architettura è sempre quella del SHVS. Tutte le aziende di produzione componentistica ha in catalogo una tecnologia facilmente adattabile. Basta citare i vari ZF, Valeo, Continental, Bosh e Delphi.
Per risolvere alcuni limiti tecnologici della Liv 1, sia Honda che Mercedes, in tempi ancora remoti per la propulsione ibrida all’inizio degli anni 90 adottarono una soluzione con motore elettrico integrato, collegato direttamente al motore endotermico a valle del volano. La potenza supera i 15cv per una coppia fino a 35Nm. Il collegamento a frizione garantisce un rendimento migliore portandolo al 94%.
I vantaggi sono di consentire la marcia a motore endotermico spento per una maggiore quantità di tempo ad una velocità maggiore. Più coppia influenza maggiormente le riprese oltre alla partenza da fermo con una capacità di ricarica maggiore. Inoltre si fa a meno del motorino di avviamento classico
Il limite di una tecnologia che potremmo definire MiHEV Liv1.2 sta nella difficoltà di progettazione ed industrializzazione con costi più alti per adattarsi al motore endotermico. Restano le difficoltà a consentire la marcia in full elettrico. Questa condizione si potrebbe verificare solo in condizione limite di veleggiamento o rilascio senza nessun assorbimento di potenza da parte del motore endotermico. In sostanza molto utile in sede di omologazione del vecchio ciclo NEDC ma poco verificabile in marcia reale in strada.
La soluzione tecnica denominata Mild Hybrid MiHEV-Liv2 sfrutta un concetto analogo a quello del motore collegato direttamente alla meccanica. In questo caso la macchina elettrica si collega alla trasmissione.
Il motore elettrico può essere integrato nel cambio sia a cinghia come la soluzione Continental che meccanico come adottato dalla Getrag o Subaru. In entrambi i casi anche con cinghia le perdite sono ridotte al minimo per minore assorbimento da parte della trasmissione rispetto all’albero del motore endotermico. Le macchine elettriche hanno più potenza e coppia anche rimanendo a 48v. Inoltre il collegamento con la trasmissione consente di portare la potenza alle ruote anche in modo indipendente, consentendo anche la marcia in full elettrico. Indipendentemente dal tipo di collegamento il rendimento non scende sotto il 95%.
La riduzione del consumo è del 16% (WLTP). Alcuni sistemi sono abbastanza potenti da consentire anche di viaggiare per 2km in modalità elettrica, quasi sconfinando nella tecnologia Full Elettrica. La presenza o meno di un motorino di avviamento dipende da come viene collegato e se riesce gestire anche la messa in moto a freddo della macchina elettrica inserita nella trasmissione.
Il boost di spinta è evidente al punto da influenzare i valori di accelerazione e ripresa stabiliti dal costruttore rispetto ad un analogo modello senza questa tecnologia. Aumenta anche la capacità di rigenerare energia e di solito si utilizza una batteria di dimensioni maggiori.
Uno dei grandi vantaggi sta nella possibilità di conservare le caratteristiche di trazione integrale quando è presente. Sia che si tratti di una trasmissione trasversale e trazione integrale on-demand che longitudinale AWD. Questa tecnologia inoltre si abbina anche alla comodità di cambio a doppia frizione come nel caso della Getrag.
Una volta che il motore endotermico si spegne, la trazione alle ruote e la relativa presa su strada viene garantita dall’azione del propulsore elettrico in base all’energia stipata nella batteria. Subaru, per esempio, usa questo schema tecnico per conservare tutte le sue caratteristiche integrando il motore elettrico nella trasmissione LinearTronic.
Nel nostro test su strada, con acqua e fango in discesa sconnessa, la Subaru XV e-Boxer andava con la spia EV sul quadro accesa, sicura come se il motore endotermico fosse ancora perfettamente funzionante.
Gli svantaggi sono ovviamente una complessità eccessiva dell’adattamento del sistema. Oltre al peso maggiore che potrebbe vanificare in parte il risultato sui consumi e risposta del boost di spinta, ci sono costi molto più alti per la progettazione e realizzazione. Inoltre oltre alla necessità di un motorino di avviamento potrebbe essere necessaria anche una macchina elettrica per la gestione separata della funzione star&stop. Infine essendo integrato nella trasmissione necessita di un sistema di raffreddamento appositamente progettato.
La soluzione Mild Hybrid MiHEV-Liv3 prevede il motore elettrico separato disposto sull’asse posteriore. Una soluzione progettata per aumentare le prestazioni sfruttando una macchina elettrica dai 48v fino a livelli di potenza più alti.
Migliore ripartizione dei pesi per una migliore dinamica riducendo il consumo di carburante. Essendo un sistema molto versatile può adattarsi anche a sistemi Full Hybrd e Hybrid Plug-in con grosse potenze e capacità. In questa trattazione consideriamo l’uso del motore 48 V.
Anche in questo caso c’è una batteria per l’accumulo di energia che avviene attraverso la capacità di rigenerazione in frenata. Le funzioni di avviamento e start&stop sono gestite da un secondo Starter/Generatore collegato al motore endotermico.
Lo schema sospensivo determina lo spazio e la potenza del motore elettrico. Ci sono aziende come ZF e GKN che progettano tutto il modulo sospensione adattandolo al telaio del brand committente. Il boost di coppia è maggiore e si può avere una percorrenza in elettrico puro per qualcosa di più dei canonici 2km garantiti dal mild hybrid integrato nel cambio.
Essendo vincolato sull’asse posteriore in modo indipendente può gestire la trazione integrale temporanea on-demand e Torque Vectoring a basso costo, dovendo fare a meno di trasmissione e differenziale meccanico.
In conclusione: I modelli Mild Hybrid stanno aumentando. Il sistema più efficiente è il MiHEV Liv2, ma per una semplice questione di costi benefici, la più diffusa è la MiHEV-Liv1 a 48v. La versatilità e l’adattabilità a basso costo la rende adattabile anche a sistemi complessi ibridi come full hybrid e Hybrid Plug-in.
L’utilizzo di motore elettrico a 48v sta avendo un importanza cruciale non solo per la trazione ibrida ma anche per il funzionamento ottimale del motore stesso. Continental ha ideato un turbo ibrido a 48v. Lo scopo è la riduzione del ritardo del turbo ed il controllo della sovralimentazione indipendentemente dai gas di scarico per una combustione ottimale.
Nelle prossime trattazioni smonteremo i sistemi e analizzeremo i componenti singoli nel loro interno per capire complessità e funzionamento.
Daniele Amore