Le architetture ibride

Alla fine dell’Ottocento, quando l’automobile muoveva i suoi primi passi, l’idea di combinare un motore elettrico con uno a combustione interna non era più strana di una carrozza senza cavalli al traino. Ferdinand Porsche, nel 1900, presentò la Lohner-Porsche Mixte: una vettura con motori elettrici nei mozzi delle ruote e un motore termico usato come generatore. Questa visione, che oggi definiremmo “moderna”, rimase confinata a poche centinaia di esemplari. Per quasi un secolo l’ibrido rimase un concetto, vinto dalla semplicità e dai costi nettamente inferiori dei motori a benzina e gasolio. Fu solo negli anni Novanta, con la crescente attenzione ai consumi e alle emissioni, che questa soluzione tornò al centro di ricerche e sviluppi.

La “svolta ibrida” arrivò nel 1997, quando Toyota lanciò in Giappone la Prius: la prima autovettura ibrida prodotta in grande serie. Non era un’auto sportiva né particolarmente emozionante (o esteticamente piacente), ma incarnava un’idea efficiente: usare l’elettrico come complemento intelligente al termico. La Prius dimostrò come l’ibrido potesse funzionare nella vita reale, riducendo i consumi senza richiedere infrastrutture dedicate. Da quel momento in poi, l’ibrido iniziò una lenta diffusione, evolvendosi in soluzioni tecniche diverse definite dalla posizione del motore/generatore elettrico, “MG” (o “EM”, electric motor), lungo la catena cinematica del motore a combustione interna (internal combustion engine, “ICE”) e della trasmissione.

Le architetture P0 e P1 rappresentano l’ingresso al mondo dell’ibrido. Per la soluzione P0, un EM è collegato all’ICE tramite un organo di trasmissione meccanico, spesso alloggiato al posto del tradizionale alternatore sulla cinghia dei servizi. Tecnicamente è una soluzione semplice: non richiede modifiche profonde, permette di recuperare energia in frenata, supporta il motore nelle partenze (e-boost) e rende più fluido lo start-and-stop. I vantaggi sono evidenti in termini di costi di sviluppo e facilità di integrazione: motivi per i quali è diventata la base dei moderni “mild hybrid” a 12 o 48 volt, come la FIAT 500 Hybrid. In questa configurazione il contributo elettrico resta però minimo.

La posizione P1 vede un MG solidale all’albero d’uscita dell’ICE (a monte della frizione) e rappresenta un miglioramento: eliminando la cinghia di trasmissione si riducono le perdite energetiche e si ottiene una risposta immediata del termico, mantenendo tutti i vantaggi della configurazione P0. Spesso il rotore dell’EM (a flusso assiale) sostituisce il volano del motore termico, così come avvenne per una delle prime vetture dotate di questa architettura: Honda Insight. Tuttavia, anche in questo caso il motore elettrico non può disaccoppiarsi dal termico. Il risultato è un sistema robusto, ma incapace di offrire la guida elettrica. È una soluzione adottata su modelli premium, quando l’obiettivo principale è di migliorare le prestazioni – ad esempio, venne usata per mitigare il ritardo della risposta in fase di accelerazione del motore turbocompresso della McLaren P1 – senza rivoluzionare l’architettura del propulsore.

Il vero salto concettuale, lo si ha con la configurazione P2: quella che ha reso l’ibrido qualcosa più di un semplice assistente al motore termico. Un EM è collocato tra l’ICE e la trasmissione, ed è dotato di una frizione dedicata che permette il disaccoppiamento dal termico (oltre a quella usuale che disaccoppia entrambi i motori dal cambio). Dal punto di vista tecnico, questa scelta apre nuovi scenari: l’auto può muoversi in elettrico puro; il motore termico può spegnersi durante la marcia e riaccendersi solo quando necessario o fungere da generatore di corrente durante lo stazionamento; le due unità possono lavorare insieme per fornire coppia e potenza. I vantaggi sono un’efficienza superiore in ambito urbano ed una grande flessibilità di funzionamento alle basse e medie andature. Gli svantaggi risiedono nella maggiore complessità meccanica ed elettronica, in un significativo aumento di peso e nella necessità di una gestione software raffinata. È però proprio questa architettura che ha permesso il successo di modelli come Toyota Prius, diventata sinonimo di “full hybrid”.

Analoga alla P2, la P3 vede l’unità elettrica posta a valle della scatola del cambio e collegata ad essa tramite una frizione. Tecnicamente è una configurazione interessante perché consente la marcia elettrica senza coinvolgere il cambio (riducendo le perdite energetiche), ma può penalizzare l’efficienza alle alte velocità. Il vantaggio principale è una certa semplicità costruttiva rispetto alla P2 in alcune applicazioni, mentre lo svantaggio è una minore versatilità operativa. È una soluzione meno diffusa e quasi mai implementata nella sola configurazione P3.

Tra P2 e P3 si è recentemente inserita una soluzione intermedia particolarmente interessante, definita P2.5, di cui un esempio è l’ALFA Romeo Tonale MHEV con cambio TCT7. In questo caso, il motore elettrico non è collocato a monte o a valle del cambio automatico a doppia frizione, ma è integrato nello stesso ed innestato sull’albero delle marce pari tramite un ingranaggio dedicato (da cui l’acronimo “eDCT”). Questo permette il disaccoppiamento dall’ICE e la propulsione col solo MG senza aggiungere ulteriori frizioni. I vantaggi sono evidenti in termini di flessibilità e dinamica: la vettura può muoversi in elettrico per brevi tratti, sfruttando tutte le qualità dell’EM, o impiegare il termico con l’assistenza dell’elettrico. Inoltre, il sistema rimane nella categoria dei mild hybrid a 48V, non richiedendo pesi eccessivi. Gli svantaggi principali, comuni alle soluzioni P2 e P3, riguardano la complessità del sistema.

Con la P4, l’ibrido diventa anche uno strumento di gestione della dinamica di guida. In questa architettura l’ICE aziona un asse, solitamente l’anteriore, mentre l’EM è dedicato all’altro asse ed è totalmente svincolato dalla trasmissione principale, realizzando una trazione elettrica integrale denominata “eAWD“. Dal punto di vista tecnico, è come avere due sistemi di trazione indipendenti coordinati dalla centralina, evitando così la complessità di un sistema a trazione integrale meccanica, sia essa permanente o inseribile. I vantaggi sono molteplici, come il recupero energetico (meno efficiente se al retrotreno) e la possibilità di modulare istantaneamente la coppia tra i due assi. Gli svantaggi riguardano il peso, i costi e la complessità del sistema, oltre alla necessità di batterie ancor più capienti. È una soluzione adottata sia su SUV come Peugeot 3008 Hybrid4, sia su modelli ad alte prestazioni, dove l’elettrico diventa uno strumento per migliorare accelerazione e dinamica di guida, come Polestar 1. Sulle sportive, infatti, vengono solitamente usati due MG per un solo asse: ognuno controlla una ruota e, gestendo istantaneamente l’erogazione dei due tramite l’elettronica, è possibile generare l’effetto “torque vectoring” che aiuta nei cambi di direzione.

Il posizionamento più distante possibile dall’ICE è il P5 con un MG per ogni mozzo ruota dell’asse non azionato dal termico. Il problema di questa soluzione, che ne limita l’applicabilità, è il considerevole aumento delle masse non sospese: un netto peggioramento della dinamica di guida, già aggravata dal peso aggiuntivo del sistema ibrido.

Il Power Split (PS) è un’ulteriore configurazione per l’accoppiamento tra motore termico e motori elettrici, implementato per la prima volta da Toyota sotto il nome di Hybrid Synergy Drive. Grazie ad un rotismo epicicloidale che collega l’ICE, un EM di trazione (denominato “MG2”) ed un secondo EM (denominato “MG1”) con funzione di avviamento e generatore, è possibile far girare i tre motori a differenti velocità (seppur interdipendenti). Questi tre motori permettono tutte le tipologie di marcia (solo elettrico, solo termico e combinato) e la generazione di energia elettrica (sia in decelerazione sia sfruttando il termico come generatore). Il rotasimo vede il solare collegato a MG1, il porta satelliti al motore termico, mentre la corona è collegata sia a MG2 sia all’albero di trasmissione grazie ad un riduttore a ingranaggi. Questa soluzione sostituisce il cambio tradizionale e prende il nome di “eCVT”.

Tabella riassuntiva delle possibili capacità delle configurazioni:

Negli ultimi anni, l’evoluzione dell’ibrido ha portato alla nascita di vetture che utilizzano due o più di queste soluzioni contemporaneamente. Nel mondo delle sportive, l’ibrido ha assunto un ruolo notevole: la Honda/Acura NSX di seconda generazione ha adottano per prima un’architettura complessa che vede un ICE, in posizione posteriore centrale e coadiuvato da un GM, spingere le sole ruote posteriori; mentre due MG (uno per ciascuna ruota dell’asse anteriore) garantiscono trazione integrale, torque vectoring e frenata rigenerativa. Oggi questa soluzione si è evoluta in supercar e hypercar ibride plug-in, come Ferrari SF90 Stradale e Lamborghini Revuelto. Parallelamente, esistono auto non sportive che utilizzano più livelli di ibridazione per ottimizzare ogni aspetto della guida quotidiana. Alcuni modelli combinano un sistema mild hybrid (P0 o P1), per la gestione dei servizi e dell’avviamento, con un sistema più avanzato per la trazione.

Guardando questo percorso nel suo insieme, dalle intuizioni pionieristiche di inizio Novecento, fino alle sofisticate architetture multi-motore di oggi, l’ibrido appare come un ponte verso l’elettrico puro. In realtà, è un terreno fertile per soluzioni di compresso al fine di soddisfare specifiche richieste del mercato automotive.

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