Quali rapporti di velocità per le auto elettriche?

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Nella maggior parte delle auto elettriche vengono installate trasmissioni a quattro rapporti. Tuttavia, per le auto con potenza del motore inferiore a 200 kW viene a volte proposta una trasmissione a due sole velocità, che migliora significativamente sia l’efficienza sia l’autonomia di guida.

Le trasmissioni a ingranaggi sono spesso considerate un “male necessario” per la conversione della coppia. Anche se spesso ingombranti, le trasmissioni sono indispensabili quando la velocità del motore non corrisponde alla velocità richiesta dalle ruote a veicolo in movimento. Inoltre, l’efficienza della catena cinematica può essere migliorata solo a patto di ottimizzare sia l’efficienza del motore che quella della trasmissione già in fase progettuale [1] [2][3][4].

A seguito di un’evoluzione dell’industria automobilistica, l’impiego di soluzioni a 8 o 9 marce è ormai prassi comune anche nel caso di cambi automatici e motori a combustione interna [5] [6]. Sulla base di principi consolidati negli anni (ed ora insegnati in molte università), i sistemi di trasmissione sono progettati per avere un rapporto che consenta l’avvio da fermo, rapporti di trasmissione ad alta velocità e uno o più rapporti di trasmissione overdrive per ridurre il consumo di carburante abbassando il regime del motore. Ma viene da chiedersi come andrà scelto il design in presenza di motori elettrici? La situazione risulta la stessa: è la mappa di efficienza del motore ad influenzare il design della trasmissione. Anche i motori elettrici hanno, infatti, delle mappe di efficienza caratteristiche, sebbene queste siano fondamentalmente diverse da quelle dei motori a combustione interna.

Di per sé, il fatto che i motori elettrici non abbiano necessariamente bisogno di una frizione o di un convertitore di coppia e che un motore elettrico garantisca una coppia non nulla anche a velocità bassissime, non sono sufficienti a garantire un buon design anche senza l’ausilio di una trasmissione a più rapporti. Sebbene le trasmissioni a ingranaggi a stadio singolo siano comunemente utilizzate nei veicoli elettrici prodotti in serie, queste non soddisfano i requisiti per un’interfaccia ottimale tra il motore elettrico e gli pneumatici. Inoltre, una trasmissione a più velocità non sarà necessariamente più pesante di una soluzione ad un solo rapporto come quella di molti veicoli elettrici attualmente in commercio.

Mappe per motori elettrici

La Figura 1 mostra la mappa di efficienza (ideale) di un motore elettrico progettato per un’applicazione automobilistica. Tutti i tipi di motori elettrici hanno pressoché caratteristiche simili, ovvero elevata coppia già a partire da velocità nulla ed una ampia gamma di velocità a potenza quasi costante. Questa gamma può essere però diversa a seconda del tipo di motore elettrico e dal suo design. Inoltre, come detto, non c’è bisogno di una frizione o di un convertitore di coppia per colmare il divario tra la velocità nulla dell’auto e la velocità minima tipica dei motori a combustione interna. Questo “gap” rappresenta il limite principale di tutte le tipologie di motori a combustione interna (siano essi a benzina, diesel o e-fuel), che di fatto non risultano in grado di erogare coppia al di sotto di un regime minimo. La gamma operativa a potenza costante tipica dei motori elettrici svolge dunque un ruolo centrale nella progettazione della trasmissione.

ΦE-Motor = nmax /nTmax (1)

in cui:

ΦE-Motor è il rapporto tra la velocità massima e la velocità a coppia massima nm è la [min−1]

nTmax è la velocità a coppia massima [min−1]

Un punto caratteristico (sulla mappa di efficienza) dei motori elettrici è quello ad efficienza massima. Come mostra la Figura 1, questo punto cadrà al di sotto della velocità massima del motore elettrico nmax (in questo esempio approssimativamente nηmax = 2nTmax ). Ciò significa che, per l’esempio in esame, la velocità ad efficienza massima sarà di molto inferiore alla velocità massima del motore elettrico. Verrà ora brevemente descritto un metodo per calcolare il rapporto di trasmissione minimo (per la partenza da fermi), il rapporto di trasmissione ad alta velocità e il rapporto di trasmissione overdrive. Sulla base di questi tre valori, verrà poi definita l’intera gamma di rapporti di trasmissione per un cambio per auto elettriche. È evidente come l’efficienza si riduca in condizioni di guida a velocità costante nel caso si operi ad alte velocità del motore (elettrico). L’efficienza per una velocità costante dell’auto diventerà però sempre più importante nel futuro soprattutto in Germania dove, almeno per ora, non esistono limiti di velocità sulla maggior parte delle autostrade. Se si guida a una velocità costante di 100 km/h si necessita infatti di soli 20 kW, il che significa una quota minima della potenza tipicamente totale erogabile dal motore elettrico. L’efficienza complessiva ɳov può essere calcolata con l’equazione (2).

ɳ =η ∙η (2) ov Mot Trasmissione

L’efficienza complessiva influisce sulla quantità di energia elettrica necessaria, che a sua volta determina i requisiti di accumulo della batteria. Ciò significa che l’autonomia delle auto elettriche può essere notevolmente migliorata, a patto di aumentare l’efficienza complessiva del sistema. Maggiori dettagli sull’efficienza complessiva e sull’aumento del range possono essere trovati in [1][2][3][4].

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