Nuove sfide per le trasmissioni dei veicoli elettrici

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Fig. 1 - Trasmissione CVT4EV di Bosch. (Fonte: bosch-mobility-solutions.com)

Secondo un’indagine McKinsey, entro il 2022, nel mercato globale dell’auto entreranno circa 450 nuovi modelli con motore elettrico o ibrido plug-in. Pertanto, la transizione verso l’elettrico sta ponendo nuove sfide nello sviluppo delle trasmissioni automobilistiche.

L’industria automobilistica sta attraversando attualmente una profonda trasformazione tecnologica. Sebbene i veicoli tradizionali con motore a combustione interna (ICE) abbiano contribuito in modo significativo al progresso della società soddisfacendo gran parte delle esigenze legate alla mobilità, allo stato attuale, il loro utilizzo massiccio su scala globale sta provocando seri danni all’ambiente.

Governi di tutto il mondo sono alla ricerca di soluzioni volte a ridurre le emissioni, attraverso l’adozione di misure e regolamentazioni stringenti. In questo senso, un’alternativa ai motori tradizionali è rappresentata da soluzioni elettriche e ibride, che, pur utilizzando i medesimi principi ingegneristici dei veicoli tradizionali, garantiscono performance assai più elevate distinguendosi, in particolare, per una elevata efficienza e una catena cinematica più versatile.

In figura 2 è possibile notare come nei prossimi anni, la domanda di veicoli elettrici e ibridi aumenterà in modo esponenziale: secondo le stime conquisteranno circa un terzo del mercato entro il 2025 e il 51% entro il 2030, superando le vendite di veicoli alimentati esclusivamente da motori a combustione interna. A favorirne l’ascesa la crescente necessità di soluzioni a impatto zero, le stringenti normative sulle emissioni di CO2, incentivi governativi, la riduzione dei costi, in particolare legati alle batterie elettriche, ormai in grado di garantire una sempre maggiore autonomia di guida.

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Fig. 2 – Previsioni di vendita globali per tipologia di powertrain 2018-2030 (Fonte: bcg.com).

Secondo un’indagine McKinsey, entro il 2022, nel mercato globale dell’auto entreranno circa 450 nuovi modelli con motore elettrico o ibrido plug-in, la maggior parte dei quali di medio-grandi dimensioni. La transizione verso l’elettrico sta ponendo nuove sfide nello sviluppo delle trasmissioni automobilistiche. Elevati standard di affidabilità sono richiesti per ridurre perdite di trasmissione, assicurare bassi livelli di rumorosità e vibrazioni e garantire lunga durata in tutte le condizioni operative.

La trasmissione deve assicurare la variazione di velocità e di coppia e seguire il regime di funzionamento del motore elettrico o ibrido. Impliciti i requisiti specifici che il motore elettrico e la batteria devono rispettare al fine di eguagliare le caratteristiche di un motore a combustione interna, come la guida su grandi distanze a elevate velocità o, ad esempio, la necessità di traino.

Diverse risultano quindi le criticità in fase di progettazione: dall’estensione dell’autonomia di guida, con conseguente riduzione dei tempi di ricarica, alla ricerca continua di un compromesso tra prestazioni ed efficienza.

In passato trasmissioni manuali a sei velocità o automatiche a otto velocità erano prevalenti. Oggi il settore automobilistico impiega diversi tipi di trasmissioni automatiche, come, ad esempio, quelle a variazione continua (CVT), con il fine ultimo di ottimizzare prestazioni, efficienza e affidabilità del veicolo elettrico, nel rispetto delle esigenze e degli elevati standard che la nuova tecnologia impone.

La figura 3 mostra l’evoluzione della produzione di trasmissioni a livello globale nei prossimi anni. Secondo le stime, le trasmissioni CVT sono e continueranno a essere impiegate in larga misura in tutto il mondo, crescita favorita soprattutto dal risparmio di carburante, anche in combinazione con le nuove tipologie di motori.

L’importanza del sistema di trasmissione nei veicoli tradizionali

Generalmente, un sistema di trasmissione è inteso come l’insieme di organi e componenti in grado di trasferire la potenza generata dal motore alle ruote. In un’auto a gas, con motore a combustione interna, l’intervallo di rotazione ottimale affinché il motore non si arresti né surriscaldi è compreso tra 500 e 7000 giri/min.

La trasmissione subentra per regolare la rotazione del motore e delle ruote agendo sul cambio di velocità. Come noto, la marcia più bassa trasferisce maggiore forza ma minore velocità alle ruote, dal momento che deve permettere al veicolo di avanzare da un “punto morto”.

Viceversa, la marcia più alta, ruotando più rapidamente del motore, consente al veicolo di viaggiare a elevata velocità senza che il motore si surriscaldi.

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Fig. 3 – Evoluzione della produzione delle trasmissioni a livello globale – focus su CVT (Francis van der sluis et al.).

La potenza di un motore si ottiene moltiplicando la coppia per la velocità di rotazione dello stesso. A potenza costante, un motore ruotando rapidamente, perde coppia. Viceversa, a rotazione più lenta, la coppia aumenta.

Di conseguenza, i motori a combustione interna non sono in grado di erogare potenza da fermi, ma devono girare al minimo per vincere le resistenze interne; inoltre, un cambio di velocità diviene necessario per adeguare la coppia fornita a quella necessaria per l’avanzamento a diverse andature e pendenze.

Per tali motivi, indispensabile diviene la frizione, dispositivo in grado di separare il motore dalla trasmissione permettendo l’innesto in maniera facile e graduale senza compromettere il confort di guida.

In un veicolo con cambio manuale l’attivazione della frizione disinnesta una marcia in modo tale da poter passare agevolmente a un’altra. Un cambio automatico ha un principio di funzionamento simile e si caratterizza per l’assenza di intervento da parte del conducente.

Il funzionamento di un veicolo elettrico

I veicoli elettrici sono sempre più diffusi e richiamano una crescente attenzione da parte di consumatori e addetti ai lavori. Tuttavia, possono sorgere ancora curiosità circa il loro funzionamento. La tecnica di guida di un veicolo elettrico è simile a quella di un veicolo tradizionale con cambio automatico.

Nella maggior parte dei modelli si ha una singola marcia (avanti e indietro). I veicoli elettrici si contraddistinguono per una accelerazione silenziosa, istantanea e regolare.

Il motore, essendo mono-marcia, non ha mai vuoti di potenza, raggiungendo rapidamente velocità anche elevate. Le auto elettriche sono molto scattanti poiché il motore eroga tutta la potenza disponibile a partire da “zero” giri.

Come noto, la principale differenza tra veicoli elettrici e veicoli con motori a combustione interna è la sorgente di energia. In un veicolo elettrico, la pressione sull’acceleratore comporta la trasmissione dell’elettricità dalla batteria al motore elettrico.

Viceversa, in frenata i veicoli elettrici integrano un sistema di rigenerazione dell’energia cinetica che, nella pratica, consente al motore elettrico di frenare l’auto recuperando energia e ricaricando quindi la batteria.

Per gran parte dei modelli, rilasciando l’acceleratore l’auto rallenta come se stesse frenando ed è spesso in grado di fermarsi completamente senza mai intervenire sul pedale del freno, favorendo in tal modo un maggiore comfort di guida.

Questo sistema consente di migliorare l’autonomia del veicolo. A tal proposito, è bene ricordare che le auto elettriche, contrariamente ai veicoli tradizionali, tendono ad avere consumi molto contenuti in città e scaricare molto più rapidamente la batteria alle elevate velocità autostradali o in caso di lunghi viaggi.

La maggior parte dei veicoli elettrici è costituita da un unico motore a corrente alternata collegato a un “cambio”. Qui un insieme di ingranaggi trasmette la potenza generata dalla rotazione del motore alle ruote consentendo il movimento del veicolo. In questo contesto si tende a non fare riferimento diretto alla trasmissione ma più precisamente a un riduttore di velocità.

Il riduttore riduce la velocità di rotazione del motore con un rapporto di circa dieci a uno rispetto a quella delle ruote. L’obiettivo è chiaro: aumentare la coppia prodotta dal motore intervenendo sulla velocità.

Di fatto non c’è frizione, né disinnesto delle marce, né cambio, in altre parole, non c’è trasmissione. Inoltre, il motore di un veicolo elettrico, utilizzando solitamente corrente alternata, non necessita di retromarcia. Sarà semplicemente lo stesso motore a girare nella direzione opposta.

Un motore a corrente alternata può ruotare da zero a 10.000 giri/min o più. I veicoli elettrici dispongono quindi di molta coppia a un’ampia gamma di velocità, con un “punto di equilibrio” coppia-velocità compreso nell’intervallo 50-65 km/h.

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Fig. 4 – Principali vantaggi di una trasmissione a più velocità (Roberts, S.).

L’energia passa direttamente, quasi istantaneamente, dal motore alle ruote e il passaggio da una velocità all’altra non deve avvenire attraverso un cambio di marcia, in questo modo è garantita una accelerazione regolare e silenziosa.

La mancanza di trasmissione, inoltre, riduce attrito e usura derivante dall’innesto e disinnesto delle marce. Una transizione fluida supporta efficientemente lo slancio del veicolo favorendo soluzioni a risparmio energetico.

In media, complessivamente, un veicolo elettrico converte il 77% dell’elettricità immagazzinata nella sua batteria per l’avanzamento del veicolo, diverso il discorso per un motore a combustione in cui i tassi di conversione dell’energia vanno dal 12% al 30%, con uno spreco di gran parte delle risorse sotto forma di calore.

Inoltre, a seconda della tipologia di veicolo, la potenza di trasmissione è efficiente dall’89% al 98%, al contrario, per motori a combustione tradizionali, lo stesso processo ha un’efficienza compresa tra il 14% e il 26%.

Nei veicoli elettrici ha un senso parlare di trasmissioni a più velocità?

Nei veicoli con motore a combustione interna, la potenza non è costante, cresce, unitamente ai giri del motore, sino a raggiungere un picco, per poi stabilizzarsi. In questi casi, quando l’auto è completamente ferma e deve mettersi in movimento, occorre la massima spinta.

È qui che entra in gioco il cambio, moltiplicando o demoltiplicando i giri del motore in base all’occorrenza. Un cambio manuale classico a cinque marce, per esempio, demoltiplica i giri del motore in prima, seconda e terza marcia e li moltiplica in quarta e quinta.

Con un motore elettrico la potenza del veicolo viene espressa praticamente istantaneamente, senza alcun “vuoto” da colmare con il cambio.

Oltre a leggerezza e compattezza, i motori elettrici si caratterizzano per un elevatissimo numero di giri sin dai regimi più bassi e un’accelerazione rapida.

Tuttavia, qualsiasi veicolo, indipendentemente dalla tipologia di motore, necessita di maggiore coppia rispetto alla velocità per agevolare l’avvio dell’auto da un “punto morto”. All’opposto, occorre maggiore velocità rispetto alla coppia in movimento.

Sebbene leggendo questa affermazione sia legittimo pensare che i veicoli elettrici possano trarre vantaggio da più marce, occorre considerare i costi e le risorse che un sistema complesso di questo tipo richiede.

Lo sviluppo di nuove tecnologie legate alla mobilità elettrica è in fermento. Veicoli elettrici come Audi E-Tron GT e Porsche Taycan, sono dotati di più marce.

La concept car Jeep Magneto monta addirittura un cambio manuale a più rapporti, auto da corsa completamente elettriche come quelle della Formula E sono dotate di trasmissioni. Camion elettrici, come ad esempio i 18 ruote, potrebbero avere più marce e trasmissioni.

Alcune applicazioni, tuttavia, pongono ad oggi ulteriori sfide per i sistemi di propulsione elettrici, è il caso del traino di rimorchi, di pendenze con carichi pesanti a bordo o della percorrenza a velocità elevate di lunghi tragitti, ad esempio quelli autostradali.

In tali casi l’autonomia delle batterie elettriche tende a ridursi rapidamente.

Antonov Automotive Technologies Ltd. ha compreso come nei veicoli elettrici, con eccezione di quelli utilizzati per la guida in città, una trasmissione a singola velocità limiti le prestazioni specialmente quelle dei veicoli destinati al carico come camion e autobus.

A tal proposito, al fine di aumentare significativamente l’efficienza della catena cinematica, secondo Antonov, è necessaria come minimo una trasmissione a tre velocità. I vantaggi sono dimostrati attraverso una serie di prove sperimentali e sintetizzati in figura 4.

Dai motori multipli al cambio manuale: nuovi scenari per i veicoli elettrici

Alcuni veicoli elettrici possono disporre di più motori con rapporti di trasmissione differenti per fornire sia velocità che coppia, a seconda delle esigenze.

In tale contesto l’elettronica gioca un ruolo fondamentale, trasferendo l’energia in modo più efficiente su motori diversi.

Esempi si hanno con i modelli S e S Plaid lanciati da Tesla, soluzioni rispettivamente a due e tre motori a trazione integrale, capaci di garantire eccellenti performance in termini di autonomia, prestazioni e controllo.

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Fig. 5 – Design e componenti critici del CVT4EV di Bosch.

I veicoli elettrici Rivian, sono dotati addirittura di un motore indipendente per ogni ruota, in grado di fornire potenza istantanea e regolare in modo indipendente la coppia su ciascuna ruota per un controllo di trazione ottimale in tutte le condizioni.

Con riferimento ai cambi manuali per veicoli elettrici va, invece, menzionata la Jeep Wrangler Magneto, una inedita concept car del primo fuoristrada elettrico basato sulla Wrangler Rubicon a due porte, presentata all’Easter Safari 2021.

Completamente a zero emissioni, rappresenta per certi versi la naturale evoluzione della Wrangler 4xe con powertrain ibrido plug-in.

Il propulsore è nato per offrire prestazioni molto simili al V6 a benzina Pentastar da 3,6 litri che si trova sulla versione endotermica.

Il powertrain della Jeep Magneto dispone di un motore elettrico da 285 CV (210 kW) e 379 Nm di coppia in grado di lavorare sino a 6.000 giri/min, una trazione integrale di tipo tradizionale, con albero di trasmissione e un cambio manuale a sei rapporti, due scelte progettuali insolite e innovative per un’auto a zero emissioni.

La concept car è in grado di accelerare da 0 a 100 km/h in 6,8 secondi. Essa è alimentata da una batteria da 70 kWh composta da quattro moduli disposti, al fine di ottimizzare la distribuzione dei pesi, rispettivamente al posto del serbatoio, nel baule posteriore, in prossimità delle ruote anteriori e al di sopra del motore elettrico, all’interno del cofano.

CVT e veicoli elettrici: tra principi di funzionamento e innovazione

Come illustrato nei paragrafi precedenti, un veicolo tradizionale con motore a combustione interna si caratterizza per un’operatività del motore limitata, che implica la ridotta gamma di velocità.

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Fig. 6 – Vantaggi del CVT4EV di Bosch per produttori e consumatori.

Questo è il motivo per cui la trasmissione è indispensabile. Tuttavia, rispetto ai motori tradizionali, la velocità e la coppia dei motori elettrici sono più controllabili e capaci di soddisfare performance elevate. Veicoli elettrici commerciali e a uso privato sono generalmente caratterizzati da una trasmissione a velocità singola, a causa del compromesso tra costo e complessità del sistema.

Tuttavia, l’integrazione di trasmissioni a più velocità è stata considerata come valida alternativa per migliorare le prestazioni dei veicoli elettrici, mantenendo i costi relativamente contenuti. Tra le attuali configurazioni di trasmissioni a più velocità per veicoli elettrici troviamo la trasmissione a variazione continua (CVT).

Trasmissione a variazione continua

La trasmissione a variazione continua, identificata con l’acronimo CVT (continuously variable transmission), particolarmente impiegata nei veicoli elettrici, è una tipologia di cambio automatico in cui gli ingranaggi sono sostituiti da una cinghia (o catena) e una coppia di pulegge.

Lo schema di funzionamento è il seguente: la puleggia in ingresso, connessa al motore, è definita “motrice”, la seconda, connessa all’albero di uscita dalla trasmissione, “condotta”. Le pulegge sono collegate tra loro mediante una cinghia o catena. Ogni puleggia è costituita da due tronchi di cono (sezione a “V”), che traslano lungo l’asse. Avvicinando o allontanando le due facce della puleggia, è possibile variare il diametro utile su cui scorre la cinghia, che sale e scende lungo i fianchi della puleggia.

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Fig. 7 – Le tre configurazioni di powertrain oggetto delle prove sperimentali (Spanoudakis et al.).

La variazione dei diametri delle due pulegge consente il cambio marcia, dato dal rapporto tra i due diametri. La cinghia impiegata nel sistema deve essere molto resistente, per poter trasmettere la coppia in gioco, nonché molto flessibile, per permettere piccoli raggi di avvolgimento. Per soddisfare questi requisiti, è realizzata in metallo, con nastri di acciaio paralleli.

Dal momento che la distanza tra le pulegge e la lunghezza della cinghia sono fisse è necessaria la variazione di entrambi i diametri. In alcune moderne versioni di CVT, l’elettronica permette di utilizzare il cambio in modalità sequenziale, scegliendo tra un certo numero di accoppiamenti fra le pulegge.

Nei cambi CVT di ultimissima generazione, si è riusciti, grazie al progresso tecnologico, a simulare un funzionamento con rapporti veri e propri, implementando la modalità sequenziale.

Il CVT4EV di Bosch

Che si tratti di veicoli leggeri con necessità di percorrere ripide pendenze, auto sportive performanti che raggiungono velocità massime elevate, rimorchi o roulotte che devono essere trainati, una trasmissione a variazione continua (CVT) può essere la soluzione. Lo sa bene Bosch che, con la sua trasmissione innovativa “CVT4EV” (fig. 1), introduce una trasmissione multi-velocità compatta capace di soddisfare i requisiti di un target ampio.

I principali vantaggi della soluzione sia per i produttori che per i consumatori sono riportati in figura 6.

Lato progettazione, vediamo come l’introduzione di componenti critici, evidenziati in figura 5, contribuisca al miglioramento delle prestazioni, dell’efficienza e dell’affidabilità del veicolo. In particolare, una cinghia di spinta, consente al motore di funzionare costantemente in condizioni ottimali riducendo il consumo di carburante e le emissioni di CO2. Sensori di trasmissione rilevano velocità in ingresso, uscita o intermedie trasmettendo le informazioni all’unità di controllo (TCU – Transmission Control Unit).

Il segnale così ottenuto viene utilizzato dalla TCU per decidere quale marcia inserire.

Fig. 8 – Percorso test (Spanoudakis et al.)

Un sensore di pressione del cambio misura la pressione dell’olio in diverse applicazioni. In questo modo, grazie al miglioramento delle operazioni di cambio e un design durevole, compatto e flessibile, sono garantiti confort di guida e ottimizzazione nella gestione degli spazi. Un ulteriore componente innovativo è rappresentato dalla pompa dell’olio elettrica, soluzione sviluppata per soddisfare al meglio esigenze di raffreddamento, lubrificazione e azionamento del veicolo. Il design integra componenti idrauliche, motore ed elettronica di controllo e, in base alle esigenze e alle applicazioni previste, funzioni intelligenti, come connettività e sensori virtuali con vantaggi evidenti in termini di efficienza, compattezza, minimizzazione NVH (Noise, Vibration, and Harshness) sino a un livello prestabilito e soddisfacimento dei moderni requisiti di mobilità.

Il sistema di trasmissione CVT4EV è dotato, inoltre, di sensori per la misurazione della pressione dei fluidi che, grazie all’ampia gamma di connettori ed elementi filettati, risultano versatili in molteplici applicazioni dalla diagnostica in ottica di condition monitoring al monitoraggio della pressione nel modulo idraulico in diverse condizioni di guida come quella fuoristrada.

Il controllo del cambio elettrico diretto (DESC), infine, nelle trasmissioni automatiche a variazione continua, viene utilizzato principalmente per cambiare il rapporto di trasmissione, regolare la tensione della cinghia e controllare l’avviamento del veicolo.

Impatto delle diverse tipologie di trasmissioni sui consumi: test e risultati

Nei veicoli elettrici presenti attualmente sul mercato domina la trasmissione basata sul cambio a velocità singola.

Progetti di trasmissione a più velocità sono tuttavia oggetto di studio, per soddisfare requisiti legati a minori consumi e maggiore autonomia. La maggior parte dei veicoli attualmente presenti sul mercato impiega trasmissioni manuali tradizionali o automatiche. Una valida alternativa è rappresentata dalle trasmissioni a variazione continua (CVT). Una trasmissione a due velocità o più velocità può essere installata su un veicolo per aumentare la coppia, ridurre i tempi di accelerazione e garantire maggiore efficienza durante i cicli di guida, con una serie di vantaggi in termini di consumo energetico rispetto a una trasmissione equivalente a velocità singola.

Con l’impiego di una trasmissione a due velocità, il primo rapporto di trasmissione può essere scelto per aumentare la coppia a bassa velocità, migliorando l’accelerazione, mentre il secondo può essere ridotto per ampliare la gamma di velocità operativa del veicolo. Confrontando due trasmissioni aventi lo stesso motore elettrico è possibile notare un miglioramento dei consumi del 5-10% a favore del sistema a due velocità. Inoltre, ulteriori guadagni possono essere ottenuti adottando un CVT.

Per esplorare come il consumo di energia dei veicoli elettrici vari in funzione delle diverse tipologie di trasmissioni, nelle loro prove sperimentali, Spanoudakis et al., hanno testato diverse configurazioni (fig. 7) su un prototipo di veicolo urbano alimentato a idrogeno. In particolare, vengono confrontate una trasmissione monostadio, una a due velocità e un CVT. Il prototipo di veicolo urbano, costruito su misura, è caratterizzato da una trasmissione a ingranaggi monostadio con rapporto 10:1.

L’introduzione del cambio a più velocità mira a minimizzare i consumi energetici del veicolo e migliorare l’efficienza del motore elettrico. I test prevedono il funzionamento del veicolo alla velocità di 25 km/h con richiesta di potenza pari a 200 W. Si è osservato che, la massima efficienza del motore (91,3%) si raggiunge a 2500 giri/min. Inoltre, il funzionamento ottimale del motore si aggira tra i 2300 e 2500 giri/min, con efficienza superiore al 90%. A velocità del motore sino a 3500 giri/min si misura la coppia massima di 4 Nm, che si riduce all’aumentare della velocità di rotazione del motore. Tutti gli esperimenti sono stati condotti su di una pista (fig. 8) dalla lunghezza totale di 240 metri, il test completo consiste in due giri per un totale di 480 metri. Gli esperimenti sono stati inizialmente eseguiti con la configurazione monostadio, replicati poi con il cambio a due velocità, in quest’ultimo caso scegliendo come velocità di cambio diverse velocità di marcia (rispettivamente: 8, 11, 14, 17 e 20 km/h), e infine con il CVT con l’obiettivo di confrontare i rispettivi consumi energetici.

In tabella 1 sono riportati i risultati del test per tipologia di trasmissione.

I risultati mostrati in Tabella 1 sottolineano come l’utilizzo di trasmissioni a più velocità in un veicolo elettrico sia un fattore determinante al fine di ottenere consumi energetici inferiori. In particolare, i risultati sperimentali mostrano come, a seconda della strategia di cambio utilizzata, un cambio a due velocità possa consumare sino al 3,8% di energia in meno. Vediamo quindi come la velocità di cambio sia fondamentale e dovrebbe essere ottimizzata per raggiungere livelli ancora più elevati di efficienza energetica. Per quanto concerne la trasmissione CVT, invece, si ha una riduzione dei consumi superiore, pari al 4,3% rispetto alla monostadio, per singolo giro di prova. Tutti i risultati sperimentali presentati, confrontati con i simulati trovati in letteratura, trovano una buona correlazione.

Conclusioni

Da un confronto tra veicoli tradizionali ed elettrici emerge come questi ultimi, almeno in apparenza, non necessitino di trasmissioni. Tuttavia, abbiamo visto come nella pratica la realtà sia differente. I motori elettrici, infatti, non generano la stessa coppia da zero al numero massimo di giri.

Fig. 9 – Pianale Tesla Model S dual motor a trazione integrale (Fonte: tesla.com).

Solitamente emettono piena potenza fino a una certa velocità oltre la quale la coppia inizia a diminuire. Anche l’efficienza non è garantita e costante per l’intera gamma di velocità che il motore è in grado di raggiungere.

Se è vero che un veicolo elettrico funzionerà a qualsiasi velocità da zero alla velocità massima del motore, avrà una potenza e/o un’autonomia inferiore a velocità autostradali se la sua mono-marcia è ottimizzata esclusivamente per la guida in città.

Rendere questa marcia “più alta” potrebbe essere una soluzione; tuttavia, è bene considerare che potrebbero esserci ripercussioni sulle prestazioni e sull’efficienza del veicolo nella guida in città.

Occorre quindi un compromesso, ricercando soluzioni in grado di ottimizzare l’efficienza e l’affidabilità del veicolo nel rispetto delle aspettative di performance.

Tesla, in origine ha tentato di inserire una trasmissione a due velocità sul modello “Roadster”. Dopo una serie di criticità, ha preferito abbandonare l’idea in favore di maggiori investimenti nell’elettronica di potenza.

Tuttavia, anche questo approccio non si è dimostrato molto efficiente né performante.

Alla fine, una soluzione è stata comunque trovata: veicoli come la “Model S” (fig. 9), a doppio motore, con rapporti di trasmissione diversi nelle unità di trasmissione anteriore e posteriore.

A velocità relativamente basse, almeno la metà della potenza è trasferita all’unità motrice posteriore, ottimizzata per velocità inferiori.

Al raggiungimento di velocità elevate, come in autostrada, attivando una modalità di guida dedicata, il computer di bordo dirige l’alimentazione all’unità di trasmissione anteriore, ottimizzata per la guida in tali condizioni.

Ha quindi senso parlare di trasmissioni a più velocità per veicoli elettrici?

Fig. 10 – Trasmissione a due velocità per veicoli elettrici ZF (Fonte: zf.com).

Sebbene per un veicolo più economico, impiegato in gran parte in città, una marcia possa essere sufficiente, per un’auto ad alte prestazioni, o che trascorrerà più tempo a velocità elevate, ha senso aggiungere almeno un rapporto di trasmissione in più.

C’è chi, come Antonov Automotive Technologies Ltd., ne suggerirebbe addirittura tre.

I vantaggi sono evidenti: maggiore autonomia, efficienza e prestazioni migliorate.

I veicoli ZF, prevedono un cambio marcia alla velocità di 70 km/h (fig. 10).

Un computer di bordo controlla e impartisce ordini all’unità di trasmissione ottimizzando il cambio per adattarsi meglio a seconda dell’obiettivo (performance, efficienza, traino, etc.).

Attualmente, l’era dei veicoli elettrici impiegati esclusivamente in città sta finendo. Si fa strada l’utilizzo di un veicolo elettrico in ambienti diversi, capace di mantenere alte le prestazioni attese e bassi i consumi.

Abbiamo visto come soluzioni a più velocità, innovazioni nelle trasmissioni CVT, motori multipli e l’introduzione di un cambio manuale per i veicoli elettrici possano rispondere positivamente alle nuove sfide dettate dai veicoli elettrici. Cosa succederà in futuro? Probabilmente, come in passato per i motori a combustione interna, assisteremo a numerosi cambiamenti.

La crescente domanda di veicoli elettrici determinerà inevitabilmente un aumento degli investimenti in ricerca e sviluppo a favore dell’intero gruppo propulsore. Tra le diverse case automobilistiche a sperimentare trasmissioni multi-marcia, sino a ora quasi nessuna è arrivata alla produzione.

Una svolta potrebbe arrivare da Toyota, dai brevetti depositati recentemente dalla casa automobilistica, pare chiaro l’intento di assumere una posizione divergente sul mercato.

Chissà se nel prossimo futuro il cambio manuale vivrà nuova vita.

Riferimenti

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  2. van der sluis, Francis & Römers, Luc & van Spijk, Gert-Jan. CVT, Promising Solutions for Electrification. Detroit SAE congress (2019). doi: 10.4271/2019-01-0359.
  3. https://www.bcg.com/publications/2020/drive-electric-cars-to-the-tipping-point
  4. https://www.treehugger.com/do-electric-cars-have-transmissions-5198199
  5. https://cleantechnica.com/2019/07/22/ev-transmissions-are-coming-and-its-a-good-thing/
  6. https://www.repower.com/it/homo-mobilis/a-ruota-libera/perch%C3%A9-sembra-che-le-auto-elettriche-abbiano-una-sola-marcia/
  7. Ahssan, M., Ektesabi, M., and Gorji, S., “Electric Vehicle with Multi-Speed Transmission: A Review on Performances and Complexities,” SAE Int. J. Alt. Power. 7(2):169–181, 2018, doi:10.4271/08-07-02-0011.
  8. Roberts, S. Multispeed transmission for electric vehicles. ATZ Worldw 114, 8–11 (2012). https://doi.org/10.1007/s38311-012-0162-4
  9. Spanoudakis, P.; Tsourveloudis, N.C.; Doitsidis, L.; Karapidakis, E.S. Experimental Research of Transmissions on Electric Vehicles’ Energy Consumption. Energies 2019, 12, 388. https://doi.org/10.3390/en12030388
  10. Tian, Y., Ruan, J., Zhang, N., Wu, J., & Walker, P.D. (2018). Modelling and control of a novel two-speed transmission for electric vehicles. Mechanism and Machine Theory, Volume 127, 2018, Pages 13-32, ISSN 0094-114X, https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2018.04.023
  11. McKinsey Electric Vehicle index: https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/mckinsey-electric-vehicle-index-europe-cushions-a-global-plunge-in-ev-sales.

 

Giorgio De Pasquale, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino, Smart Structures and Systems Lab

Elena Perotti, Senior data analys