Come funzionano i motori ibridi?

Un po’ termico e un po’ elettrico, per trarre il meglio dai due mondi e procedere a un reale abbattimento delle emissioni. E’ il mondo dei motori ibridi, che propone una miriade di sfumature tecniche e, ciascuna, con i propri punti di forza e ambiti di applicazione ideali. Tutti i costruttori hanno modelli ibridi all’interno della propria gamma. Modelli che si dividono in tre macro-categorie: Mild Hybrid (Mhev), Full Hybrid (Hev) e Plug-in Hybrid (Phev). In realtà, l’evoluzione tecnica ha portato a registrare altre sottocategorie rilevanti. Prima di scoprire le differenze tra le tre principali tipologie e analizzarle, diamo una definizione di motore ibrido.

MOTORI IBRIDI: ECCO COME FUNZIONANO

Il veicolo ibrido è dotato di un motore termico e di un motore elettrico, in grado di funzionare separatamente o assieme. Esistono, come detto, tre principali tipi di motori ibridi: ibridi leggeri o mild hybrid, ibridi full e ibridi plug-in. In passato si parlava anche di micro hybrid per indicare la presenza di dispositivi come lo start&stop. Una distinzione ulteriore che non ha ragione d’esistere oggi, essendo il sistema start&stop ormai di serie sulla quasi totalità dei nuovi modelli. Start&stop che, con l’avvento del mild hybrid, ha ampliato il proprio campo di intervento, ovvero, con l’elettronica in grado di spegnere il motore a velocità già al di sotto dei 30 km/h. In passato, le primissime applicazioni di start&stop spegnevano il propulsore sotto i 15 km/h. Fatta questa premessa, ecco come funzionano le principali tipologie di motori ibridi.

COME FUNZIONANO I MOTORI MILD HYBRID

Nei motori mild hybrid o ibridi leggeri, l’alternatore è di fatto “potenziato” e non svolge esclusivamente il ruolo di generatore d’energia ma è in grado di restituire l’energia sotto forma di energia cinetica. L’evoluzione tecnica è stata notevole negli ultimi anni, così abbiamo il mild hybrid a cinghia, installato direttamente sul propulsore, e il mild hybrid con unità elettrica installata sul cambio.

Nella formulazione di mild hybrid BSG – Belt Starter Generator (avviatore-generatore a cinghia), l’alternatore reversibile – con tensione a 12 o 48 volt – funziona sia da generatore di energia che da piccolo motorino a supporto del propulsore termico. Una batteria dedicata consente di accumulare l’energia recuperata – che altrimenti verrebbe dissipata nelle fasi di frenata e nei rallentamenti, sotto forma di energia termica –  e di riutilizzarla nelle fasi di accelerazione.

L’alternatore, così, si trasforma in un motorino e, tramite la cinghia che lo collega al propulsore termico, ne facilita il lavoro (ottimizzando il carico ottimale, supportandolo nei cambi marcia), consentendo di ridurre un po’ i consumi ed emissioni di CO2.

Questa tipologia di mild hybrid è in grado di apportare fino a circa 15 cavalli e 20 Nm di coppia motrice. Uno dei “compiti” più importanti nei sistemi mild hybrid, però, è la possibilità di spegnere il motore nelle fasi di veleggiamento (quando di procede sull’abbrivio guadagnato) e verso lo stop dell’auto. Infatti, già da 30 km/h e verso lo stop, l’elettronica spegne il motore termico grazie al supporto del motorino del mild hybrid. Questo fa sì che, specialmente in città e nei frequenti stop&go, i consumi – con una guida molto accorta e volta a prevedere il traffico e sfruttare questa potenzialità del sistema – possano ridursi anche del 10%. 

In virtù del tipo di collegamento e della taglia della batteria, però, il motore mild hybrid non consente all’auto di avanzare in modalità esclusivamente elettrica. Questo è vero per la soluzione basilare di mild hybrid 12 o 48 volt. In sintesi, il funzionamento delle auto mild hybrid è semplice: un motore/alternatore elettrico e una batteria permettono di recuperare l’energia in rilascio e utilizzarla in accelerazione. Va detto come le auto mild hybrid abbiano gli stessi benefici fiscali riconosciuti alle auto full hybrid, le “vere ibride”: entrare gratis nelle Ztl e altre agevolazioni nella circolazione (ancora per quanto però?) nonché sul bollo, dove previste. A loro volta, le auto Mild Hybrid si dividono in Mild Hybrid benzina e Mild Hybrid diesel. Il sistema, infatti, può essere abbinato a entrambe le motorizzazioni. 

MILD HYBRID SUL CAMBIO

Diverse sono le opportunità offerte da un motore mild hybrid con il supporto del motorino elettrico anche sul cambio. E’ il caso delle proposte Mercedes mhev di seconda generazione o degli eHybrid Stellantis, su cambio doppia frizione 6 marce. L’installazione sulla trasmissione permette non solo di erogare un plus di cavalli e coppia (valori fino a 20 cv e 50 Nm) direttamente sulla linea di trazione, ma anche – per l’eHybrid Stellantis – di muovere l’auto per brevissimi frangenti in “elettrico”. Parliamo di operazioni come il parcheggio o l’avanzare a passo d’uomo nella marcia in coda. Ovviamente, la premessa è la disponibilità di energia sufficiente nella batteria (ha una potenza nell’ordine dei 900 Wh, comunque inferiore ai sistemi full hybrid (1,4 kWh).

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COME FUNZIONANO I MOTORI FULL HYBRID

Le auto full hybrid, diversamente dalle mild hybrid, sono capaci di avanzare per qualche chilometro con la sola spinta del motore elettrico. Gli schemi di full hybrid sono molto differenti tra loro nelle proposte dei vari costruttori.

Toyota, Honda, Hyundai-Kia, Renault, adottano installazioni diversissime. In comune hanno la capacità di utilizzare la trazione elettrica coordinata con il motore termico o a sostituirlo anche per lunghi tratti di guida. Toyota di fatto integra i due motori elettrici al termico mediante un meccanismo (il ruotismo epicicloidale) che sostanzialmente elimina qualsiasi cambio convenzionale.

Honda realizza uno schema di ibrido con un rapporto di riduzione finale e la possibilità di distinguere – anche nelle modalità di guida selezionabili – le fasi di trazione tra solo termico, solo elettrico, ibrida congiunta.

Hyundai-Kia installano i motori elettrici (di trazione e di produzione d’energia) su un cambio doppia frizione comandabile dal guidatore. Renault, invece, fa a meno della frizione, impiega un motorino elettrico per sincronizzare i giri motore e quelli del cambio, che è un quattro marce meccanico automatico. Il motore elettrico di trazione si inserisce in questo schema e trasmette coppia alla trasmissione, quindi alle ruote.  I sistemi Full Hybrid sono tipicamente abbinati ai motori a benzina. 

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Il vantaggio delle auto full hybrid è un importante abbattimento dei consumi e delle emissioni, grazie alle ampie fasi di guida con la trazione elettrica. Senza però avere il vincolo di dover ricaricare la batteria. Tale operazione è svolta dal secondo motore elettrico, dedicato al recupero d’energia durante le decelerazioni o anche a produrla sotto impulso del motore termico (che fa da generatore). La batteria è molto inferiore per capacità a quella di un’auto ibrida plug-in: parliamo di valori nell’ordine di 1,2-1,4 kWh per le auto full hybrid. Un’ibrida plug-in adotta batterie da 13 kWh in su e permette la guida a zero emissioni tra i 50 e oltre 100 km di autonomia.

IBRIDO A TRAZIONE SOLO ELETTRICA

Nel 2022 è arrivata sul mercato una nuova tecnologia ibrida, assolutamente equiparabile al full hybrid per l’assenza della ricarica della batteria da una presa esterna. Si tratta della tecnologia Nissan e-Power. La particolarità dell’e-Power è la trazione alle ruote sempre e solo attraverso uno o più motori elettrici. Mai il motore termico trasmette coppia alle ruote. A cosa serve, quindi, il motore benzina? Agisce esclusivamente da generatore d’energia, che viene immagazzinata in una batteria per tramite di un motore elettrico di ricarica e recupero energetico. Nelle fasi di richiesta di massime prestazioni, la produzione di energia elettrica dal motore termico viene direttamente trasmessa al motore elettrico. Si tratta di qualcosa ancora diversa da un range extender, solitamente proposto su auto ibride che possono essere ricaricate anche esternamente, da una presa di ricarica.

COME FUNZIONANO I MOTORI PLUG-IN HYBRID

Con lo scopo di estendere l’autonomia di funzionamento in modalità elettrica delle auto ibride, sono state sviluppate, infine, le ibride plug-in. Dotate di batterie più potenti, di maggior capacità ma anche con un’inevitabile massa in più.

I sistemi migliori di ibrido plug-in permettono, a batteria scarica, di funzionare come un full hybrid. E’ il caso di Toyota, in virtù del particolare schema tecnico adottato. Altri modelli di auto PHEV, invece, con la batteria scarica si trovano a dover impiegare il motore termico senza alcun supporto dalla parte elettrica. Questo fa sì che i consumi risultino superiori anche a una motorizzazione esclusivamente termica, visto il peso supplementare che le auto ibride plug-in portano con sé (nell’ordine dei 100 kg e oltre, dall’insieme di batteria e motore elettrico).

Le auto PHEV, perché diano il meglio in termini di emissioni e consumi, devono essere utilizzate come se fossero delle elettriche, quindi con operazioni di ricarica costanti. Viceversa, c’è solo l’illusione di un risparmio di carburante. Nelle più recenti evoluzioni dei modelli ibridi plug-in, oltre alla possibilità di ricarica in corrente alternata (solitamente fino a 7,4 kW, massimo 11 kW) compare la ricarica veloce da postazioni a CC, fino a 50 kW. Le auto plug-in hybrid si dividono in auto ibride plug-in benzina e auto ibride plug-in diesel.

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IBRIDE BENZINA E IBRIDE DIESEL: LE DIFFERENZE

Le auto ibride benzina hanno naturalmente lo stesso principio di funzionamento delle auto ibride diesel. La differenza è solo l’alimentazione del motore termico. Se i motori Mild Hybrid benzina e i motori Mild Hybrid diesel equipaggiano modelli di ogni dimensione, i motori ibridi plug-in diesel si addicono in maniera particolare ai modelli di grandi dimensioni (le stradiste), mentre i motori ibridi plug-in benzina equipaggiano modelli in quasi ogni segmento di mercato, prevalentemente dal segmento C in su.

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