La risposta Schaeffler alle sei P dei veicoli ibridi

L’introduzione di normative sempre più stringenti sta indirizzando i grandi costruttori verso il mercato delle auto ibride. Per ognuna delle configurazioni previste dalla UE, Schaeffler propone soluzioni su misura capaci di contenere i costi di trasformazione.
testata x magazine-1.jpg

Nel gennaio 2021 le immatricolazioni [In Italia? In Europa?] di veicoli ibridi hanno raggiunto il 24,6%. Un valore importante, assai vicino a quello dei veicoli diesel, attestati al 26,1%, e distante solo poco più di dieci punti percentuali dai veicoli a benzina, che hanno conquistato il 36,1%. I dati indicano un cambiamento significativo, incentivato soprattutto dall’introduzione delle nuove regole anti inquinamento Euro 6d che, portando il motore endotermico oltre il suo limite di emissioni, induce i costruttori di autoveicoli a trovare nel veicolo ibrido la soluzione ottimale. Anche la normativa legata al limite di emissioni di CO2 a 95 g km contribuisce a spingere il mercato verso le soluzioni ibride, capaci di combinare la tradizionale propulsione endotermica con quella elettrica. Attraverso i suoi centri ricerca, Schaeffler continua a sviluppare nuove soluzioni per permettere ai grandi costruttori di automobili di raggiungere i limiti normativi senza stravolgere la struttura del veicolo. Recentemente la Comunità Europea ha introdotto nuova classificazione per normare il posizionamento del motore elettrico nella linea motore-trasmissione del veicolo. Di seguito le sigle che identificano le diverse configurazioni: [fig 1 oppure 1.1] P0 il motore elettrico è posto sulla cinghia servizi del motore. P1 il motore è posto sul volano P2 il motore è all’entrata del cambio e svincolato dal motore P3 il motore è posto nel cambio P4 il motore è posizionato sul ponte posteriore P5 i motori elettrici sono nelle ruote

Fig1oppure 1.1: La nuova classificazione della posizione del motore elettrico da P0 a P5 permette di rappresentare tutte le piattaforme originate dalla trasformazione dei veicoli endotermici in ibridi. Le combinazioni sono multiple, si possono avere cioè veicoli in un’unica configurazione oppure in combinazione (P0+P4, P2+P4 ecc.). 

F1.jpg

F2.jpg

Vediamo nel dettaglio le varie configurazioni e come queste influiscono sulla struttura complessiva del veicolo.
Nella configurazione P0 il motore/alternatore può essere a 12 o a 48 volt, con potenze fino a 12 kW. [fig 2] Viene montato al posto dell’alternatore classico e lavora sulla cinghia servizi. Secondo le stime dei costruttori si prevedono 20 milioni di applicazioni P0 entro il 2030, soprattutto nella combinazione 48 volt, cioè quella che permette un maggiore apporto di coppia al motore endotermico. 
Questo motore interviene principalmente in tre situazioni. 1) Durante il lavoro di start-stop funge da motorino di avviamento. 2) In rilascio recupera l’energia ricaricando la batteria. 3) In accelerazione alleggerisce lo sforzo del motore termico, fornendo una coppia che permette di ridurre l’aumento di erogazione di carburante richiesto dall’aumento di giri del motore. 
In questa configurazione, la cinghia servizi è soggetta a un lavoro molto intenso dovendo ricoprire due ruoli fondamentali:
- trascinare l’alternatore per la ricarica, il recupero dell’energia in rilascio e muovere tutti i servizi (pompa acqua, climatizzatore ecc.);
- trascinare il motore endotermico quando l’alternatore diventa motore per eseguire l’avviamento oppure quando trasferisce la coppia sull’albero motore, permettendo (nelle applicazioni più avanzate) di mantenere il rapporto lambda a 1.0 anche in fase di accelerazione. 

F4.jpg

Per consentire alla cinghia servizi di lavorare con la giusta tensione in ogni situazione, Schaeffler ha sviluppato degli appositi apparati di gestione. In particolare per i sistemi a 48 volt, dove le potenze in gioco passano da 3 Kw a 12 Kw, con coppie fino a 50 Nm. È in questi casi, infatti, che la tensione della cinghia può diventare un punto critico dell’impianto di propulsione. Per garantire la massima efficienza, Schaeffler ha sviluppato un doppio tenditore che lavorare separatamente, nella fase di trazione e nella fase di spinta. [figg 3 & 4]

http://schaeffler-events.com/symposium/lecture/h2/assets/h2.mp4

F5.jpg

Il tenditore può essere fissato sia alla carcassa dell’alternatore che al motore, in funzione dello spazio disponibile. Nel caso non sia possibile montarlo per questioni di spazio, Schaeffler offre numerose soluzioni alternative in grado di adattarsi alle singole esigenze dei costruttori. [fig 5]

Sono state fatte ricerche approfondite per armonizzare le oscillazioni create dallo start-stop, il recupero dell’energia, la fase di ricarica con quello provocato dalle accelerazioni generate dai pistoni del motore combinata con il lavoro del volano bimassa, per evitare che la cinghia servizi venga sollecitata eccessivamente e possa rompersi. [frase poco chiara] 

F6  honda fonte wikipedia.jpeg

La configurazione P1 prevede il motore elettrico posto sull’albero motore.
Questa soluzione è stata utilizzata da Honda su Civic, con il motore elettrico lato volano, ma risulta più costosa del sistema a 48 volt e sembra non avere incontrato successo tra gli altri costruttori di auto. [fig 6]
 

La configurazione P2 è quella che sta riscuotendo maggiore interesse. Posizionando il motore elettrico sul lato entrata cambio - scollegato dal motore endotermico attraverso una frizione -, è possibile infatti usufruire della sola mobilità elettrica così come della sola endotermica, oppure di entrambe in modo misto. Schaeffler offre dei motori elettrici di ridotte dimensioni che possono essere inseriti fra motore e cambio senza alterare la larghezza del gruppo propulsore/trasmissione. In questo modo si evita di modificare le dimensioni della carrozzeria nei veicoli con motore trasversale.[fig 7]
La configurazione P2 permette inoltre di conservare il cambio automatico con l’ulteriore vantaggio di ridurre i giri del motore elettrico. Infatti, mentre il motore elettrico aumenta i consumi di energia con l’aumentare dei giri, usufruendo del cambio può ridurre i giri e aumentare l’autonomia in elettrico.[fig 7 e 8].
 

F9.jpg

Schaeffler ha sviluppato un sistema a tripla frizione a bagno di olio per la produzione in serie. Le frizioni C0, C1 e C2 possono essere integrate quasi completamente nel rotore del motore elettrico, adattandosi così alla lunghezza complessiva di quest’ultimo. Il sistema completo composto dal modulo ibrido, dalla tripla frizione e dalla trasmissione è molto compatto. Per questo motivo, rispetto alle soluzioni non integrate nel rotore, la lunghezza della trasmissione assiale può essere ridotta da 70 a 50 mm. http://schaeffler-events.com/symposium/lecture/h5/assets/h5.mp4 Le potenze disponibili raggiungono gli 80 Kw sia con frizione a secco che a bagno di olio. Il fattore determinante è la capacità di raffreddamento della frizioni e del motore. Infatti, con temperature superiori a 130° C si ha un danno meccanico ai dischi della frizione e agli avvolgimenti del motore. [fig 9] Grazie alla ricerca, in futuro si potranno avere motori più piccoli, con potenze più elevate e un contestuale contenimento delle temperature. L’obiettivo sarà quello di ottenere una riduzione dei pesi e delle dimensioni dei sistemi a tutto vantaggio delle emissioni di CO2. Sono possibili combinazioni P2 sia a 48 Volt che ad alta tensione, con vantaggi proporzionali alle potenze dei motori. [fig 10] Le piattaforme P2 sono anche plug-in, così da aumentare l’autonomia elettrica e ridurre le percentuali di inquinanti nel ciclo di omologazione WLTC.

La configurazione P3 prevede il posizionamento del motore elettrico nella trasmissione. Questa soluzione ha il vantaggio di combinare meglio le potenzialità del cambio automatico con quelle del motore elettrico, ma richiede una riprogettazione della trasmissione. Schaeffler ha sviluppato due schemi applicativi del motore in posizione P3. Il primo applicato a un cambio automatico a variazione continua (CVT), il secondo a un cambio meccanico automatizzato. Il cambio CVT si presta bene all’applicazione del motore elettrico in quanto, avendo quest’ultimo una coppia costante permette al cambio di variare la velocità contenendo i consumi elettrici e garantendo prestazioni adeguate. [fig 9] La potenza del motore elettrico può essere pari o superiore a quella del motore a combustione interna. Il sistema illustrato [fig 10] combina una trasmissione a sei velocità con un potente motore elettrico (potenza di picco 147 kW). Il cambio a 6 velocità, combinato con il motore elettrico permette di raggiungere un’efficienza del 25% e una velocità di oltre 200 Km /h.

F10.jpg

F11.jpg

La configurazione P4 prevede la sistemazione del motore elettrico sulla trasmissione dopo il cambio. Le applicazioni sono molte, a partire dalla Peugeot 3008 Hyb del 2012 alla Bmw serie 2 alla Mini. Questi veicoli hanno l’assale posteriore indipendente e munito di un E-Drive elettrico. La gestione della motricità anteriore endotermica e di quella posteriore elettrica è garantita dalla centralina trazione hybrid. Questa combinazione permette autonomie in modalità elettrica (nei veicoli plug-in) fino a circa 50 km. Sull’assale anteriore sono possibili due varianti applicative: - un motore elettrico in posizione P0 con funzione di avviatore e per la ricarica delle batterie ad alta tensione o a 12 volt; - un motore in posizione P2 che, alle funzioni precedenti, aggiunge la motricità elettrica anche sull’anteriore; tramite un pulsante di selezione nell’abitacolo questa combinazione diventa anche 4WD.

F13.jpg

La configurazione P5 prevede il posizionamento dei motori elettrici sulle ruote. Si tratta di una soluzione meno invasiva sulla trasmissione e sul motore, che comporta però una significativa alterazione nelle masse sospese e nell’assetto del veicolo. I ricercatori Schaeffler hanno messo a punto un sistema dotato anche di capacità sterzante, per aumentare la direzionalità dell’auto in previsione dell’introduzione su veicoli urbani completamente automatizzati. [f12] http://schaeffler-events.com/symposium/lecture/c1/assets/c1_new.mp4 Una delle prime applicazioni della configurazione P5 è stata fatta trasformando in ibrido un veicolo endotermico [fig 13]. La soluzione, esposta all’ultima edizione di Automechanika di Francoforte, è un esempio dell’ampio spettro di risposte messe a punto da Schaeffler per venire incontro alle esigenze dei costruttori nel passaggio all’ibrido. Considerando le prossime scadenze normative, che prevedono un’ulteriore riduzione da 95 a 85 g/Km nelle emissioni di C02, e in vista della nuova normativa Euro7 che dovrebbe entrare in vigore nel 2030, i costruttori hanno l’esigenza di trasformare i veicoli endotermici in ibridi. Il primo problema è trovare dei partner capaci di offrire soluzioni che non stravolgano la struttura del veicolo e permettano di contenere i costi della trasformazione. Schaeffler, attraverso i suoi centri di ricerca e in collaborazione con i costruttori, è alla ricerca costante di nuove soluzioni per garantire la transizione verso questo nuovo mercato dell’automotive. Il Team di Repxpert vi terrà aggiornati sull’evoluzione delle nuove piattaforme.

Fig1oppure 1.1: La nuova classificazione della posizione del motore elettrico da P0 a P5 permette di rappresentare tutte le piattaforme originate dalla trasformazione dei veicoli endotermici in ibridi. Le combinazioni sono multiple, si possono avere cioè veicoli in un’unica configurazione oppure in combinazione (P0+P4, P2+P4 ecc.).

Fig2: Il motore alternatore permette di essere istallato nella stessa posizione del classico alternatore 12 V. Le dimensioni sono leggermente più grandi e necessitano di raffreddamento a liquido, per contenere il riscaldamento dovuto all’intenso lavoro svolto in sincronia con il motore endotermico.

Fig 3 : Il doppio tenditore è fondamentale per garantire la durata della cinghia servizi. Infatti, se la cinghia si allentasse, soprattutto durante il passaggio da una fase di ricarica a quella di avviamento, correrebbe il rischio di rompersi.

Fig 4: L’escursione del tenditore deve avere la giusta ampiezza, per permettere alla puleggia dell’alternatore/motore di non scivolare sulla cinghia.

Fig 5: Dove è necessaria una soluzione diversa, Schaeffler offre una gamma completa di tenditori: dal semplice tensionatore a molla a quello a controllo elettronico.

Fig 6: Honda nel 1999 aveva presentato un motore P1 che permetteva di aiutare il motore endotermico in accelerazione, riducendo gli inquinanti emessi dal propulsore principale.

Fig 7: Il complesso P2 di Schaeffler integra, nella spazio del rotore, le frizioni C1 e C2 per il cambio DSG e C0 per il collegamento con il motore endotermico. Le dimensioni sono contenute, permettendo di mantenere inalterata la larghezza totale del gruppo motore-cambio.

Fig 8: La combinazione P2 con cambio automatico e convertitore di coppia richiede più spazio ma mantiene inalterato il comportamento del veicolo in strada, sia che si proceda in elettrico sia con il motore endotermico. E’ anche possibile eliminare il convertitore, usando il motore elettrico direttamente in entrata sul cambio e riducendo l’ingombro totale della trasmissione.

Fig 9: La trasmissione automatica a variazione continua CVT si presta per l’applicazione del motore elettrico. Questo, infatti, può essere comandato a un numero di giri ridotto pur disponendo della coppia massima, con vantaggi in termini di riduzione dei consumi di energia.

Fig 10: La necessità di introdurre prodotti elettrificati su tutte le fasce di veicoli richiede un contenimento dei costi. La combinazione motore elettrico e cambio meccanico automatizzato permette una buona motricità anche su veicoli di piccole dimensioni.

F11: Schaeffler offre diverse soluzioni per gli assali E-Drive: dal motore elettrico direttamente collegato al differenziale fino al sistema con uno o due epicicloidali che permettono di generare una variazione di rapporto (si ottiene una riduzione dei giri del motore elettrico e il contestuale incremento della velocità massima).