Sistemi a 48V per l'ibridizzazione

L'elettrificazione nell'industria automotive procede ormai senza sosta, spinta dai forti mega trend del momento quali risparmio dei consumi, abbattimento della CO2, conservazione delle materie prime sul pianeta.

Le leggi sulla riduzione delle emissioni del veicolo, ormai diffuse a livello globale per la tutela ambientale, stanno oggi guidando lo sviluppo di soluzioni ad alta efficienza energetica, tra le quali figurano i veicoli ibridi ed elettrici spesso promossi in Europa anche tramite importanti incentivi economici.

Quando soprattutto si parla di vetture di medie grandi dimensioni, per riuscire a soddisfare le sempre più restrittive leggi sulle emissioni, è sui veicoli ibridi ed elettrici che la case costruttrici devono infatti puntare Schaeffler, leader mondiale nei componenti e sistemi per l'automotive, già da tempo sta lavorando a soluzioni per la mobilità ibrida ed elettrica e ha creato una divisione, la eMobility Systems, dove diverse centinaia di ingegneri, a stretto contatto con aziende e università, stanno collaborando per sviluppare nuovi sistemi e unità in materia. Vediamo quali.

L'ibridizzazione a costi contenuti

Parallelamente al continuo sviluppo del segmento dei veicoli ibridi dotati di motore endotermico e di motore elettrico alimentato ad alta tensione, una delle tematiche più recenti che l'industria automobilistica sta approcciando riguarda l'installazione di un secondo sistema a bassa tensione a bordo veicolo (sistema a 48V), da utilizzare in aggiunta all'esistente sistema tradizionale a 12V, il quale è in grado di offrire discreti livelli di potenza che arrivano fino ai 12KW. Innanzitutto i sistemi a 48V non necessitano di quelle misure tecniche di sicurezza richieste dai sistemi con tensioni superiori ai 60V e le basse correnti in gioco fanno si che il sistema non richieda anche particolari accorgimenti in termini di compatibilità elettromagnetica.

La configurazione a bassa tensione della soluzione riduce i costi e gli investimenti a confronto con le soluzioni ad alta tensione, mantenendo gli stessi vantaggi in termini di efficienza di propulsione, dal momento che l'utilizzo di un sistema elettrico a 48 volt apre possibilità operative fino ad ora appannaggio esclusivo di veicoli dotati di componenti ibridi ad alta tensione.

Esse comprendono il cosiddetto crawling negli ingorghi stradali - guida a propulsione elettrica nel traffico urbano intenso, ovvero partenza, guida a bassa velocità, e parcheggio utilizzando la propulsione elettrica, in aggiunta al boosting elettrico alla partenza e al cosiddetto sailing elettrico - una modalità di guida in cui il motore elettrico garantisce velocità costanti mentre il motore a combustione interna è spento - e il recupero di energia, vale a dire il recupero e l'accumulo di energia durante le decelerazioni, che svolge un ruolo molto importante dal punto di vista dei consumi di carburante.

Durante il "crawling", ad esempio nel traffico a singhiozzo, la propulsione elettrica, che produce infatti fino a dodici kilowatt, funge da unica fonte di potenza per il veicolo elettrico.

La spinta prodotta elettricamente del modulo di propulsione a 48 volt proposto da Schaeffler è anche sufficiente per la guida nelle aree residenziali, nei garage, nei parcheggi e in altre situazioni di guida a bassa velocità.

Questo vale anche per la comoda modalità di guida nota come "sailing", nella quale il motore elettrico garantisce una velocità virtualmente costante con un'ampia autonomia mentre il motore a combustione interna è spento.

La propulsione elettrica assiste il motore a combustione interna fornendo coppia supplementare, ad es. quando si riparte dai semafori; questa situazione è denominata "boosting".

Grazie alle prestazioni elevate del sistema a 48 volt, l'elemento di propulsione apre anche nuove potenziali possibilità per il recupero

dell'energia.

Per le maggiori capacità di recupero, l'energia cinetica rilasciata durante la decelerazione non viene più convertita in calore che successivamente viene dissipato, come succedeva prima, ma viene reimmessa nel sistema elettrico di bordo sotto forma di energia elettrica.

Pertanto, una soluzione ibrida con motore a combustione a 48 volt si rivela essere vantaggiosa anche quando genera elettricità mediante l'energia ricavata dalla frenata.

Un ulteriore vantaggio offerto dalle soluzioni a 48V è rappresentato dalla sezione dei cavi, poiché l'architettura a tale tensione riduce del 75% la sezione del conduttore con conseguenti effetti positivi sul peso, sui costi e sull'ingombro del cablaggio.

Anche Schaeffler ha identificato nei sistemi a 48V grandi potenzialità in termini di efficienza e ha già pronte diverse soluzioni in questo campo.

A livello di sistema, Schaeffler offre moduli completi ibridi a 48V. Il modulo ibrido a 48V di Schaeffler rappresenta il primo passo nell'ibridazione e rappresenta un'alternativa interessante per la riduzione della CO2.

La versione più semplice ha forma di disco, risulta compatta ed è destinata all'ibridizzazione di veicoli a trasmissione manuale. Il

modulo viene installato come unità tra il motore e la trasmissione e non richiede né modifiche alla trasmissione né sistemi di raffreddamento.

I principali componenti che lo identificano sono un motore elettrico (48V/12kW) e una frizione che sostituisce i tradizionali generatore e motorino d'avviamento

Il cuscinetto di disinnesto frizione disaccoppia il motore a combustione interna e consente al veicolo una guida puramente elettrica. L'assale elettrico modulare a 48V rappresenta invece una soluzione decisamente più evoluta e può essere installato sia sull'assale anteriore sia su quello posteriore. La soluzione si compone di un motore elettrico e comprende una frizione e una trasmissione planetaria

È una soluzione compatta, a minor costo rispetto alle complesse soluzioni ad alta tensione e apre la strada all'ibridizzazione a basso costo.

Attualmente questo sistema, di forma cilindrica, ha una lunghezza pari a 235mm e un diametro di 165mm ed è quindi estremamente

compatto. Ciò implica che può essere integrato nell'architettura del veicolo senza sacrificare spazio nel serbatoio o nel bagagliaio.

Le case automobilistiche che decidono di installare a bordo un secondo impianto elettrico a bassa tensione possono anche integrare nel veicolo altre funzioni estremamente utili quali attuatori ad alte prestazioni e a rapida reazione per il telaio che permettono la regolazione dell'altezza dal suolo a seconda della situazione di guida, il che ha un effetto positivo sull'aerodinamica del veicolo e quindi sui suoi consumi di carburante.

O, in aggiunta, integrare facilmente altre funzioni che portano al limite le prestazioni degli attuali sistemi standard a 12 volt. Queste spaziano dagli elementi meccanici di tensionamento delle cinghie di trasmissione dei motorini generatori a 48 volt fino ad una serie di elementi di regolazione elettromeccanici per la frizione, lo sterzo, i sistemi anti rollio o le sospensioni.