Anni 2020 in arrivo: è il turno della rivoluzione Automotive?
Gli anni 2010 hanno segnato una profonda rivoluzione non solo tecnologica, ma di riflesso anche sociale nell’uso dell’elettronica di consumo. Telefoni che fanno i computer e computer che, attraverso il machine learning, si comportano un po’ da bambini.
Che la decade che sta per iniziare, possa segnare il turno di una rivoluzione nel nostro modo di spostarci?
Sempre più Paesi, dall’Olanda, alla Francia, alla Norvegia, (più recentemente) all’India e all’Italia stanno lavorando a leggi atte a vietare, entro periodi che variano dai 10 ai 30 anni, le auto con motori a scoppio; per quanto questa “epifania” collettiva dei governi sia dovuta al giusto proposito di pulire l’aria della Terra, io penso che a dare il via definitivo a questa rivoluzione sia stata l’affermazione mondiale della Tesla Motors, Inc. Elon Musk, nel giro di 10 anni, ha convinto il mondo che si può avere un’auto elettrica senza rinunciare per questo alle prestazioni (la Tesla Model S, secondo quanto dichiarato dalla Casa Produttrice, impiega 5.7 secondi per arrivare da 0 a 100 km/h).
Il motore a induzione - L’epicentro delle vetture elettriche è il perfezionamento del motore a induzione.
Teorizzato da Galileo Ferraris e messo a punto da Nikola Tesla, tale motore (noto anche come macchina asincrona) è composto da uno statore, formato da una struttura metallica cilindrica di permeabilità magnetica molto elevata collegata a tre bobine sfasate di 120°, e il rotore, costituito da una struttura a gabbia di scoiattolo.
Quando una terna di correnti alternate di uguale ampiezza di picco e sfasate anch’esse di 120° (terna trifase equilibrata) attraversa le bobine (la corrispondenza di sfasamento fra bobine e correnti che le attraversano non è casuale, in quanto in tal modo è garantito l’effetto seguente), si genera un campo magnetico rotante, che ruota a una velocità proporzionale alla frequenza delle correnti. Il rotore, immerso in tale campo magnetico, diventa soggetto a correnti indotte nelle sue barre (onde “motore a induzione“), le quali, a causa dell’interazione con il campo magnetico stesso, generano due forze di Lorentz a risultante nulla sugli estremi del diametro, cioè coppia.
Ne consegue direttamente che un motore a induzione è anche intrinsecamente in grado di avviarsi da sé.
L'inverter e il battery pack - Le batterie sono pile a ioni di litio (simili a quelle che si usano quotidianamente nei telecomandi della TV), incastonate in celle modulari che, attraversate da un particolare diolo che ne “raccoglie” il calore (espulso nell’ambiente attraverso i radiatori), si mantengono a una distribuzione di temperatura uniforme e non elevata, aumentando la vita della batteria stessa. Per come è costruito, il motore deve essere alimentato da una terna di correnti sfasate di 120° l’una dall’altra, che poco si sposerebbe con la corrente continua erogata del battery pack; pertanto, per essere utilizzato necessita di un inverter, cioè di un sistema che, prelevando una corrente continua (come una batteria o l’elettricità di celle fotovoltaiche), tramite l’ausilio di un quarzo che “detta” la frequenza riesce a tramutarla in un’onda quadra, convertendola poi in tre sinusoidi con l’ausilio di tre condensatori (uno per fase) opportunamente dimensionati.
I vantaggi - Nei motori a combustione interna, a causa della meccanica non lineare che governa la rotazione dell’albero, non è affatto una buona idea collegare direttamente il motore alle ruote: i pistoni e i cilindri hanno una dinamica lineare, che va convertita in una rotazionale; ciò rende necessario l’inserimento di diversi accessori che stabilizzino la dinamica, i quali, inevitabilmente, aumentano il peso. La scarsa efficienza del motore lo rende anche poco reattivo a fronte di eventuali tagli improvvisi di benzina, che rende necessario l’uso di un differenziale più complicato per far fronte a differenze troppo nette di velocità delle due ruote. Perdipiù, il rendimento del motore è accettabile (vicino al 35%) solo in un range abbastanza limitato di giri al minuto (da circa 2000RPM a circa 4000RPM), che rende necessaria una trasmissione a più marce (quella coinvolta ogni volta che si “cambia marcia”).
In un sistema elettrico (oltre all’intrinseca assenza di emissioni nocive all’ambiente) la dinamica rotazionale del motore è equilibrata e la trasmissione di potenza uniforme, e dipende solo dalla frequenza delle correnti che alimentano le bobine di statore. Un motore a induzione, inoltre, ha un’efficienza molto elevata (in media vicina al 90%), che rende obsoleto l’uso delle marce e possibile il taglio di potenza repentino al motore (ad esempio, tramite opportuni sensori e controllori, si può optare per un differenziale aperto, che può anche sostenere maggiore coppia, al posto di un differenziale più complicato e costoso).
Alla luce di tutto ciò, un motore a combustione interna, al netto di tutti gli accessori di cui ha bisogno, pesa circa 180 kg, trasmette circa 140 kW di potenza; il motore della Tesla Model S pesa 31.8 kg ed è in grado di trasmettere fino a 270kW di potenza. Inoltre, il collocamento del battery-pack (“spalmato” sul pavimento della vettura) abbassa il baricentro, aumentandone la stabilità, e di conseguenza la sicurezza.
La guida a singolo pedale - In particolare le Tesla potrebbero essere idealmente guidate con un solo pedale; la velocità del rotore dipende dalla frequenza con cui viene alimentato lo statore, quindi dalla pressione del pedale di acceleratore. Il motore a induzione, quando il rotore ruota a una velocità maggiore del campo magnetico di statore, funge da generatore; pertanto, al rilascio del pedale, la macchina asincrona inizia a comportarsi da generatore, accumulando energia elettrica che successivamente immagazzina nelle batterie, ricaricandole. Ovviamente, in questo processo di conversione dell’energia da cinetica ad elettrica, l’inverter gioca un ruolo cruciale, in quanto ponte fra una terna di correnti alternate trifase e una corrente continua. Contestualmente, la differenza di velocità del rotore e del campo magnetico di statore, genera anche una forza elettromagnetica contrastante il movimento, che tende a rallentare il veicolo. Questo sistema viene chiamato regenerative braking system, e nel caso reale non frena del tutto la macchina in tempi utili; per una frenata totale, il freno rimane comunque necessario.
Ad oggi, anno solare 2017, le auto elettriche costano molto. Questo è dovuto principalmente al prezzo delle batterie, difficili da produrre per il rapporto tensione/durata richiesto, che diventa ancor peggiore se si tiene presente che liberarsi dei combustibili fossili ha come risvolto negativo anche la totale dipendenza del veicolo dall’energia elettrica. L’autonomia non è condizionata solo dall’uso del motore, ma anche di tutti i comfort (aria condizionata, navigatore satellitare, cruise control…).
Nonostante tutto, secondo le previsioni, con gli attuali ritmi di ricerca entro il 2025 molti Paesi avranno un grado di confidenza così elevato su queste tecnologie, da smettere definitivamente di produrre veicoli a diesel e a benzina, essendo anche disposti a scommettere su ciò che ne consegue (crollo dell’occupazione nell’automotive, accise sul carburante, spese per le infrastrutture, e così via).
…e il pianeta ringrazia.