Ormai sul mercato si stanno diffondendo sempre di più veicoli che adottano tecnologia ibrida. Dopo aver trattato le varie tipologie di Mild Hybird (MiHEV), il passo successivo sono i veicoli Full Hybrid (F-HEV) senza ricarica esterna detti Full Hybrid Plug-IN o PHEV.

La tecnologia Full Hybrid (F-HEV) si divide in due branche. Ibridi in Serie ed ibridi Serie/Parallelo. I primo utilizza il motore elettrico come propulsore principale. I motori elettrici sono di maggiore potenza e sono identificabili come vetture elettriche con motore endotermico a sostegno per fornire energia alla batteria.

Solo superato una determinata richiesta di potenza o di velocità come la marcia autostradale,  il motore endotermico che viene lasciato da solo a spingere sulle ruote motrici. Nel caso di richiesta di potenza il motore elettrico funge da boost di spinta. Esempio il sistema e:HEV Honda indica come potenza massima quella erogata dal motore elettrico senza combinarsi con quella endotermica.

Nel caso di tecnologia Serie/Parallelo, come sopra fino ad una determinata richiesta di potenza.  Il motore elettrico ha una potenza minore chiamando più spesso l’endotermico a spingere per fornire potenza in modo parallelo. I sistemi di Toyota non sommano la potenza ma il suo valore viene calcolato dalla spinta che i due motori offrono in parallelo.  Nel caso di Renault E-Tech, invece, il motore elettrico quando si richiede la massima potenza, il motore elettrico spinge come il sistema Kers di F1 sommando di fatto la potenza effettiva.

Detto questo, in questa trattazione spieghiamo come sono formati entrambi i sistemi in modo generico. Di base,  i Full Hybrid, non hanno ricarica esterna e sono composti da una unità endotermica. Questo è di solito a benzina ma nulla vieta di utilizzare un propulsore diesel. A questi si affianca almeno un motore elettrico per ridurre le emissioni di CO2 sfruttando la possibilità di marciare in modalità full elettrico.

Honda Jazz

Inoltre, la trazione elettrica aiuta il motore endotermico nelle fasi passive come la ripresa e lo sfruttamento ottimale della curva di coppia, che rimane maggiore rispetto ad un endotermico che deve lavorare da solo in modo classico. Di contro, si deve fare i conti con una maggiore complessità del sistema che non sempre trova alloggio in modo naturale su piattaforme tecniche non predisposte. Si deve ricavare, infatti, lo spazio per il serbatoio di carburante e la batteria. Questo porta ad un maggior costo di progettazione e di produzione che ricade sul prezzo finale del veicolo.

La batteria è di alto voltaggio dai 200 ai 400V con un controllo di potenza, inverter, ed un motore elettrico, a cui di solito di affianca un moto-generatore BSG simile a quello usato sulle mild hybrid o HSG con potenza a supporto fino a 20cv. Infine, è presente un convertitore di corrente elettrica. I progettisti devono fare i  conti anche con il maggior peso e la disposizione di quest’ultimo sui due assi. Un aspetto che di solito necessita anche di un adeguamento del set up delle sospensioni.

Il propulsore endotermico può essere sia di tipo aspirato ma anche turbo. La riduzione della cilindrata sfruttando la presenza del motore elettrico non è così scontata. I giapponesi sfruttano il ciclo Atkinson/Miller applicando cilindrate più alte o invariate per avere la potenza minima sufficiente a garantire le prestazioni discrete.

I tecnici coreani ed europei,  invece, non adottano cicli particolari. Ma rimangono fedeli al motore aspirato perchè il turbo aggiungerebbe una ulteriore variabile alla gestione del sistema ed aumenterebbe i costi. In ogni caso qualche brand premium come Mercedes sta iniziando ad adottare motori sovralimentati più piccoli, ma sfruttano la carica esterna plug-in per compensare con maggiore capacità elettrica.

La macchina o le macchine elettriche sono di tipo sincrono a magneti permanenti. Quindi elevati valori di coppia a parità di potenza e maggiore efficienza. Un motore elettrico, infatti, ha un rendimento che può andare dal 92 al 97% a differenza del migliore dei motori endotermici che non supera al momento il 45%. In più, la coppia viene erogata in modo quasi istantaneo, rimanendo costante fino ai giri massimi, a differenza di un endotermico. Infine,  un motore elettrico ha la capacità di recuperare energia nelle fasi passive.

Il motore elettrico consente al propulsore endotermico di funzionare nelle migliori condizioni di efficienza. Questa condizione lo rende anche perfetto per l’uso in range extender come generatore di energia. Di solito c’è, o un secondo motore elettrico, o una unità moto-generatore ad alta potenza per alimentare la batteria. Questi forniscono anche anche coppia aggiuntiva. Soprattutto nei Full Hybrid Serie/Parallelo, ma anche quelli di tipo Serie sfruttano un boost aggiuntivo al massimo della spinta.

Dove i progettisti si sbizzarriscono è nella progettazione della trasmissione. In questa trattazione, ci limiteremo a dire che vengono adottate trasmissioni ridotte nelle dimensioni e nel numero dei rapporti fino ad averne anche uno soltanto. Il vantaggio in termini di peso, ingombro e rendimento è notevole.

Ciò viene permesso grazie alle caratteristiche di erogazione del motore elettrico che non necessita di un cambio. Il motore endotermico, d’altra parte, per effetto dell’aiuto della unità elettrica può limitare l’uso delle marce avendo una spinta aggiuntiva in termini di coppia.

Cuore di ogni sistema F-HEV è il controllo elettronico che gestisce la ripartizione della coppia tra l’endotermico ed il motore elettrico in base all’utilizzo dell’acceleratore da parte del conducente. Alcuni sistemi possono lasciare al driver la scelta di  come controllare la funzionalità con le modalità EV, ECO e Sport a comando.

Dal punto di vista del rendimento il sistema Full Hybrid consente anche di fare a meno di accessori come il motorino di avviamento e l’alternatore affidandosi al moto-generatore, riducendo le resistenze passive. Alcuni sistemi prevedono ancora una batteria a 12v, ma spesso la batteria principale fornisce anche energia per le funzioni di bordo a bassa tensione.

 La coppia aggiuntiva del moto-generatore renderebbe il sistema F-HEV adatto anche ai motori turbo azzerando il ritardo iniziale della turbina.  Se abbinato ad un Turbodiesel potrebbe anche limitare le emissioni inquinanti alleggerendo il lavoro compiuto per ottenere una combustione del gasolio più omogenea. Nei sistemi dove è presente un cambio con un numero ridotto di marce o addirittura l’adozione di un cambio a doppia frizione aiuta il propulsore endotermico nelle fasi passive durante il cambio marcia.

La fase di rigenera avviene quando il conducente preme il pedale del freno. Si recupera energia sia azionando i freni idraulici che attraverso il freno motore del motore elettrico. Di solito ci sono funzioni abbinate alla trasmissione che aumentano l’azione di rallentamento sfruttando un solo pedale per accelerare e rallentare.

Una delle caratteristiche del full hybrid è quella di andare in modalità EV anche se per percorrenze limitate. In questa condizione il motore a combustione interna è spento mentre il motore elettrico fornisce tutta la coppia necessaria alla marcia.

Questa modalità può essere attivata a comando dal conducente dai 5Km/h fino ad un massimo di 30Km/h a causa della limitata energia disponibile nella batteria. Se invece il sistema lavora in modalità Hybrid Auto, il controllo gestisce la capacità di andare in modalità full elettrica in base ai parametri, come velocità, il livello della batteria e l’assorbimento di potenza.  Può succedere anche di veleggiare a 120km/h con pochissimo acceleratore. In questo caso il sistema viaggia in EV  in base alla capacità della batteria o si richiede maggiore potenza accelerando di più.

Il F-HEV non utilizza ricarica esterna. Quindi se si desidera avere una marcia in EV maggiore si deve passare ad una tecnologia Full Hybrid Plug-In la cui batteria ha una capacità maggiore consentendo anche percorrenze elevate alla velocità di 90-130 km/h. Tale tecnologia dovrebbe essere indicata dal costruttore aggiungendo i km percorribili in elettrico. Esempio veicolo PHEV50, con percorrenza di 50km in elettrico secondo il ciclo WLTP.

Infine,  la tecnologia F-HEV sfrutta la batteria facendo si che rimanga sempre un stato di carica minimo detto (SOC) per evitare danni permanenti. Quindi non si sfrutta mai il 100% di carica esistente. Una condizione di cui si deve tenere conto soprattutto quando si chiede la massima potenza quando utilizzando l’ibrido parallelo o boost avendo a disposizione solo l’80% di energia come spinta totale prima che il motore endotermico venga lasciato da solo con evidente calo di coppia.

In conclusione, l’efficacia del sistema F-HEV non è in discussione. I numeri parlano chiaro, i pregi superano di gran lunga i difetti. Le prestazioni in termini di consumi sono in linea con i migliori turbodiesel di pari potenza. C’è solo da tenere presente che per far funzionare al meglio tale tecnologia la conoscenza del sistema e il suo sfruttamento è fondamentale per l’utente. Il driver deve imparare a sfruttare al meglio la capacità della batteria veleggiando anche con percentuali, su un percorso cittadino,  del 80% in elettrico. Per ottenere tali valori si devono usare al meglio le opzioni di ricarica adeguando la marcia per avere sempre una batteria con più del 50% di ricarica.

Daniele Amore

Rispondi