Nel dibattito contemporaneo sulla mobilità, l’ibrido occupa una posizione curiosa: per alcuni è marketing, per altri un ponte necessario verso l’elettrificazione totale e per altri ancora un compresso tecnologico. Eppure, dietro la parola “ibrido” si nasconde un mondo articolato di soluzioni ingegneristiche e adattamenti industriali che meritano di essere compresi. L’ibrido nasce da esigenze concrete (per ridurre i consumi) e dalle regolamentazioni (per abbattere le emissioni), specialmente in un contesto di mercato dove l’elettrificazione pura è frenata da limiti infrastrutturali, tecnologici ed economici.
Per capire cosa sia una vettura ibrida occorre introdurre le due anime che la compongono: quella elettrica e quella termica.
Il motore elettrico è concettualmente una macchina semplice: costituito solo da un rotore ed uno statore (messo in rotazione dall’interazione elettromagnetica fra i due). Questo motore converte energia elettrica in meccanica con rendimenti vicini al 90% e offre coppia immediata (da “0 giri/min”), ideale per le partenze e la guida urbana. È anche silenzioso, fluido e privo di emissioni “allo scarico”. I tipi utilizzati in ambito automotive sono:
- Motore asincrono: è stato il primo utilizzato su larga scala. Il suo funzionamento si basa sull’induzione elettromagnetica: il campo magnetico rotante dello statore induce correnti nel rotore, generando la coppia motrice. Il rotore, però, non ruota mai esattamente alla stessa velocità del campo magnetico, da cui il termine “asincrono”. Il grande vantaggio di questa tecnologia è la semplicità costruttiva per l’assenza di magneti permanenti, che evita l’uso di terre rare, rendendolo un motore economico, robusto e meno dipendente da filiere critiche. Inoltre, il motore asincrono tollera bene alte potenze e sovraccarichi temporanei. Di contro, presenta rendimenti inferiori rispetto ad altre soluzioni ellettriche ed una gestione termica complessa. Per questo, oggi sono meno diffusi nelle ibride compatte, ma restano apprezzati in applicazioni ad alte prestazioni o come motori secondari, come su alcuni modelli Tesla.
- Motore sincrono a magneti permanenti: il rotore contiene magneti (e non avvolgimenti di fili conduttori) che generano sempre un campo magnetico proprio, il quale ruota in perfetta sincronia con il campo magnetico dello statore. Questo consente un controllo istantaneo della coppia e della velocità. Il principale vantaggio di questo motore è l’elevata efficienza ai carichi parziali (la condizione più frequente nella guida reale). Inoltre, offre alta densità di potenza, risultando più compatto e leggero a parità di prestazioni rispetto all’asincrono. Queste caratteristiche lo rendono ideale per veicoli ibridi, dove spazio e peso sono fattori critici. Il rovescio della medaglia è determinato proprio l’uso dei magneti permanenti. Nonostante ciò, l’equilibrio tra prestazioni ed efficienza ha reso il motore sincrono la scelta dominante per la trazione elettrica.
- Motore sincrono a riluttanza variabile: raro ma, per semplicità costruttiva, rappresenta una soluzione promettente. Il rotore è costituito da materiale ferromagnetico sagomato: semplice dal punto di vista costruttivo e con benefici in termini di costi, approvvigionamento e sostenibilità (non richiedendo l’estrazione delle terre rare). Il motore a riluttanza può raggiungere ottimi livelli di efficienza, ma richiede elettronica di potenza molto sofisticata per garantire fluidità di funzionamento e contenimento di vibrazioni e rumorosità.
Quando si parla di motori elettrici, oltre al principio di funzionamento, esiste un’altra distinzione fondamentale: la direzione del flusso magnetico rispetto all’asse di rotazione. Da questo punto di vista i motori si dividono in:
- Motori a flusso radiale: il campo magnetico si sviluppa radialmente, attraversando l’intercapedine tra statore e rotore in modo perpendicolare all’asse di rotazione. È la configurazione classica, adottata da oltre un secolo nell’industria elettrica, ed è oggi dominante nel settore automotive per un semplice motivo: rappresenta una soluzione conosciuta e robusta, con processi produttivi consolidati e costi relativamente contenuti. È facilmente adattabile a tutti e tre i principi di funzionamento e garantisce un buon equilibrio tra prestazioni, affidabilità e longevità. Dal punto di vista progettuale, tuttavia, presenta alcuni limiti strutturali: a parità di potenza, tende ad essere più lungo assialmente, il che può creare vincoli di integrazione in veicoli compatti o in architetture ibride complesse; mentre la densità di coppia non è ottimale e per ottenere valori elevati è spesso necessario aumentarne diametro o lunghezza.
- Motori a flusso assiale: il campo magnetico scorre parallelamente all’asse di rotazione. Il motore assume così una forma “a disco”, con rotore e statore disposti l’uno fronte all’altro. Questa geometria consente di sfruttare un diametro maggiore ed uno spessore ridotto, con effetti significativi sulle prestazioni. Il principale vantaggio è l’elevatissima densità di coppia, che li rendendo particolarmente interessanti per applicazioni con necessità di ottimizzazione degli spazio o con richieste di coppia elevate a bassi regimi, come nelle auto sportive. Dal punto di vista teorico, il flusso assiale permette anche migliori rendimenti ed una distribuzione più uniforme delle forze. Tuttavia, questi benefici si scontrano con una maggiore complessità produttiva, richiedendo tolleranze elevate e processi industriali ancora poco standardizzati. Inoltre, la gestione termica è ancora più critica data la compattezza del motore e la sua posizione lungo la catena cinematica.
Per i motori elettrici, poi, bisognerebbe considerare che la potenza di picco si ottiene solo a batteria completamente carica; e che l’uso intensivo sulle vetture ha dimostrato come, ad alte velocità, vengano prodotti residui d’usura inquinanti e si perda buona parte dell’efficienza (tanto che alcune case automobilistiche hanno paventato l’uso di cambi a tre velocità anche per le elettriche pure). La produzione di corrente elettrica in frenata, essendo queste macchine elettriche impiegate anche come generatori, può comportare uno scarso utilizzo dei freni. Uno scenario teoricamente ideale dato il risparmio economico per l’acquirente; ma, nella pratica, la “guida ad un solo pedale” comporta la formazione di più polveri inquinanti sui dischi freno di quelle che si avrebbe durante il loro normale consumo. Polveri che vengono disperse nell’ambiente durante la marcia.
Il vero limite della trazione elettrica non è il motore, bensì l’accumulo di energia. A differenza delle elettriche pure, un’ibrida non ha bisogno d’immagazzinare grandi quantità di energia per centinaia di chilometri, ma deve caricarsi e restituire energia molto rapidamente (decine di migliaia di volte durante la vita operativa). Le ibride utilizzano principalmente batterie agli ioni di litio, e la sottoclasse di batterie al litio ferro fosfato, o batterie al nichel-metallo idruro:
- Le batterie Ni-MH sono state per anni lo standard delle auto ibride, soprattutto per Toyota e Lexus che ancora le usano su molte full hybrid (dove la longevità conta più della capacità). Queste batterie vantano un comportamento prevedibile anche dopo anni di utilizzo ed una sicurezza elevata (basso rischio di incendio). Hanno, però, densità energetica inferiore rispetto alle soluzioni che si basano sul litio e soffrono più comunemente dell’effetto memoria dovuto a cicli di carica-scarica parziali.
- Le batterie Li-ion sono oggi le più diffuse sulle plug-in e sulle elettriche pure a lunga percorrenza, dato che solo questa tecnologia consente autonomie di centinaia di chilometri con pesi accettabili. Vantano infatti una maggiore densità energetica e sono poco soggette all’effetto inerziale (anche se questo può verificarsi con utilizzi prolungati ad elevate temperature). Hanno un costo più elevato, richiedono una complessità maggiore per la gestione termica e presentano un maggiore rischio termico.
- Le batterie LFP iniziano a diffondersi soprattutto nei mercati asiatici. Hanno maggiore stabilità termica, non richiedono cobalto o nichel; ma sono caratterizzate da densità energetica più bassa rispetto ad altre Li-ion.
In generale, le batterie sono le uniche soluzioni in grado di fornire sufficiente energia elettrica per il funzionamento delle ibride e delle elettriche, contrariamente ai supercondensatori (usati in rare applicazioni e solo su hypercar, come la Lamborghini Sián). È poi possibile ricaricarle rapidamente (con tempistiche nell’ordine delle decine di minuti) in corrente continua da 50 a 350 chilowatt e tensioni di 400 o 800 volt, escludendo così la “strozzatura” dell’inverter di bordo, oltre l’immagazzinamento dell’energia generata in frenata o dal motore termico. I problemi comuni rimangono peso e costi elevati, oltre a processi estrattivi, produttivi e di smaltimento altamente inquinanti ed energivori. Le batterie soffrono poi di degradamento temporale, a causa delle condizioni climatiche ambientali (che ne riducono l’autonomia), della dipendenza da materie prime e, in caso di incendio, il processo (fortemente esotermico) è difficile da gestire e può coinvolgere le celle adiacenti, innescando incendi successivi anche a distanza di ore. Infine, nonostante il motore elettrico sia una macchina efficiente e la propulsione elettrica non presenti solitamente organi meccanici responsabili di dissipazioni energetiche (come il cambio), tutta la filiera della produzione di energia elettrica (dalla produzione all’uso sulle automobili) comporta perdite energetiche paragonabili o superiori all’inefficienza della filiera energetica fossile che permette di spingere le vetture endotermiche.
Il motore a combustione interna resta una macchina complessa e relativamente inefficiente, specialmente in contesti urbani (con rendimenti del 25%), ma imbattibile per densità energetica del carburante, scarsa variabilità di autonomia e velocità di rifornimento. Nelle ibride, si usano prevalentemente motori a benzina(-GPL), più silenziosi ed adatti a frequenti accensioni-spegnimenti. In casi specifici, si usano motori a ciclo Atkinson/Miller, ottimizzati per l’efficienza più che per le prestazioni, le cui mancanze (specialmente di coppia in ripresa) possono essere compensate dall’elettrico. Termico ed elettrico possono assumere diverse configurazioni sulle vetture ibride:
- Configurazione in serie: il motore termico non muove mai direttamente le ruote, ma funge da generatore per produrre energia elettrica, che alimenta la batteria. Si marcia così sempre in elettrico, mentre il termico opera in condizioni ottimali, nonostante le perdite derivanti dalle continue conversioni energetiche: l’energia chimica è inizialmente “contenuta” nel carburante, poi trasformata in meccanica dal motore termico, convertita in elettrica dal generatore e stipata nuovamente sotto forma di energia chimica nella batteria, prima di essere trasmessa un’altra volta come energia elettrica al motore di trazione. Si ha inoltre una ridotta efficienza ad alte velocità. Le vetture con questa architettura sono spesso definite “elettriche con range extender”, avendo un generatore di corrente elettrica interno. Un esempio è la Nissan e-Power.
- Configurazione in parallelo: il motore elettrico e quello termico possono entrambi trasmettere coppia alle ruote (contemporaneamente o alternativamente). Questo schema garantisce maggiori impieghi in condizioni efficienti per entrmabi i sistemi di propulsione e vanta una maggiore semplicità meccanica.
- Ibrido serie-parallelo (o combinato): è la soluzione più sofisticata e complessa, in cui il sistema può comportarsi sia da serie sia da parallelo, a seconda delle condizioni di guida. Il vantaggio indiscusso riguarda la massima flessibilità, garantendo efficienza sia in città sia alle medie andature. Alcuni esempi sono le full hybrid di Toyota e Lexus.
Poste queste basi, la classificazione che possiamo definire “commerciale” delle automobili ibride è la seguente:
- Mild Hybrid (MHEV): è l’ibrido “leggero”, che non consente al motore elettrico di muovere l’auto da solo (escludendo le MHEV “evolute”), ma consente ad esso di assistere il termico in accelerazione e di recuperare energia in frenata. Solitamente sostituisce il motorino d’avviamento, riducendo gli stress provocati dallo start-and-stop. L’architettura è quella in parallelo e spesso la parte elettrica opera a 48 volt, mentre il motore/generatore non supera i 20kW. I vantaggi principali sono costi e pesi contenuti, semplicità costruttiva e possibilità di accedere ai vantaggi regionali per le ibride. Queste vetture derivano spesso da modelli termici, aggiornati per rientrare nelle omologazioni ibride, come Fiat Panda e 500 Hybrid e Suzuki Swift Hybrid.
- Full Hybrid (FHEV): definite anche ibride “piene” o “complete”, permettono il moto anche nella sola modalità elettrica (seppur in alcuni casi solo per poche decine di metri e a basse velocità). Le potenze dei motori e le tensioni sono variabili: raramente la propulsione combinata per le ibride in parallelo di segmenti B e C supera i 150kW; mentre le tensioni di alimentazione variano da 100 a 600 volt. Contrariamente alla classe successiva, non permettono/richiedono ricarica esterna e, usando architetture in serie o combinate, possono sfruttare il termico come fonte di energia elettrica per una tangibile riduzione dei consumi in città. Inoltre, la batteria è più piccola, favorendo così pesi, dinamica di guida e costi. L’autonomia elettrica rimane però limitata ed il consumo di carburante è necessario. Alcuni esempi sono: Toyota Yaris Hybrid e Corolla Hybrid, Renault Clio E-Tech, Honda Jazz Hybrid.
- Plug-in Hybrid (PHEV): sono full hybrid con batteria di capacità superiore rispetto alla classe precedente, ricaricabili da presa esterna ed in grado di percorrere svariate decine di chilometri in elettrico puro. Il grosso vantaggio è rappresentato dall’uso quotidiano a zero consumo di carburante combinato a costi di ricarica da rete domestica inferiori rispetto alle colonnine. Di contro, hanno pesi e costi elevati, uniti alla scarsa efficienza se non ricaricate regolarmente. Paradossalmente, l’uso quasi esclusivo in elettrico puro tramite ricarica comporta la presenza di un “peso morto” a bordo dato dalla componente termica. Alcuni esempi sono: Toyota RAV4 Plug-in, ALFA Romeo Tonale Plug-in Hybrid Q4, Mazda MX-30 R-EV.
Spesso accade nel settore automobilistico che molte soluzioni tecnologiche nascano nel motorsport, per poi essere declinate nella produzione di massa con (si spera) riduzione importanti di costi. Accadde per la dinamica di guida, l’efficienza aerodinamica e l’impiego del turbocompressore. Per quanto riguarda l’ibridazione, però, il processo è stato invertito: dalle applicazioni stradali delle primissime vetture a fine Ottocento e passando per la prima ibrida di larga produzione (la Toyota Prius), le ibride sono state declinate anche all’uso pista. Un esempio lampante è la Formula 1 – classe regina delle vetture da competizione a ruote scoperte, detenuta da una controllata di Liberty Media Corp. –, che dal 2014 ha visto l’introduzione di unità di potenza turbo-ibride dotate di un sofisticato sistema elettrico di recupero dell’energia (ERS), a sua volta composto da una batteria, dall’unità motore/generatore cinetica (MGU-K) e dall’unità motore/generatore a calore (MGU-H). La prima di queste agisce analogamente ai sistemi ibridi serie-parallelo discussi precedentemente: si occupa di recuperare energia in frenata o in rilascio (che sulle stradali sarebbe assimilabile alla fase di veleggiamento) da accumulare nella batteria, per poi usarla in accelerazione. La seconda, invece, ben più complessa tecnologicamente, si interfaccia col turbocompressore: frenando la turbina, recupera energia dai gas di scarico in “eccesso” che sarebbero altrimenti semplicemente espulsi (data la limitazione strutturale che non permette al turbogruppo di superare un certo numero di giri al minuto); mentre nella situazione opposta, quando i gas di scarico sono insufficienti per sovralimentare il motore, l’MGU-H accelera il compressore per compensare l’altrimenti ritardo provocato dal turbogruppo. Grazie a questo sistema di propulsione e all’uso di benzine E10 (contenti etanolo al 10%), l’efficienza delle PU turbo-ibride raggiunge il 50%, rispetto anche ai più efficienti motori termici stradali di serie con valori massimi del 40% (che scendono al 30-35% in condizioni reali e gravose). Questi valori vanno relazionati, inoltre, all’elevata potenza che la PU può erogare: 735kW ca. di picco in combinata. Se questi risultati sembrano promettere altrettanto bene per le ibride di largo consumo, non va dimenticato che l’uso dell’ibrido in F1 è stato “obbligato”: una campagna marketing più politica che ingegneristica. Tant’è che, nonostante anche dal 2026 l’elettrico continuerà ad essere impiegato sulle monoposto, sono state apportate diverse modifiche per abbattere costi e complessità (specialmente riguardo l’ERS) ed il futuro ibrido dopo il 2030 per le vetture da F1 è incerto. La batteria da quest’anno vede un incremento di capacità per una maggiore potenza erogabile da MGU-K, contrariamente alla potenza del termico che viene ridotta. Viene eliminata la MGU-H, responsabile in buona parte di quell’efficienza non sfruttata sulle automobili stradali. L’ibrido richiede componenti e gestioni elettroniche e termiche raffinate: requisiti che non sempre vanno d’accordo col mercato (basti pensare alla recente crisi dei semiconduttori o ai costi proibitivi delle PHEV e delle elettriche pure), oltre alla ricerca dell’efficienza aerodinamica “ad ogni costo” (controproducente per la componente termica) che le ibride vantano rispetto alle auto termiche.
L’elettrificazione (parziale o totale che sia) sta risultando sempre più un obbligo con obiettivi troppo spinti e repentini persino per un settore, quello delle competizioni, con bilanci economici “a perdere”. Figurarsi dunque quanto possa essere difficile per le grandi case automobilistiche soddisfare le regolamentazioni (UE e statunitensi in primis), generando contemporaneamente profitto. Ora che gli USA hanno fatto dietrofront con l’amministrazione Trump sull’elettrificazione, che l’UE ha eliminato lo stop ai motori endotermici previsto per il 2035 e che alcune case asiatiche, come BYD e Toyota, hanno presentato motori termici elettrificati ad altissimo rendimento, pensati per la produzione in massa e con cubature tradizionali (tra 1,5 e 2,0 litri), le passate decisioni da parte di stati europei e nordamericani riguardo l’abbandono totale del termico sembrano aver solo condannato l’industria automotive occidentale, senza salvare il pianeta dall’inquinamento.
