Veicoli elettrici con prestazioni da veicoli benzina: sogno o son desto?

Non è difficile immaginare la piacevolezza e la comodità nel guidare un’auto dotata di motore elettrico: la quasi totale assenza di vibrazioni e di rumorosità del propulsore rendono l’abitacolo un mini-salotto domestico.

Molto più difficile è, invece, immaginare l’adrenalina di una guida sportiva al volante di una vettura elettrica… O almeno lo era!

La Tesla Motors, casa automobilistica americana il cui nome è un omaggio ad uno dei più brillanti scienziati dell’epoca moderna (Nikola Tesla), produce veicoli elettrici con prestazioni associabili a quelle dei veicoli a benzina (autonomia a parte).

La produzione del primo modello, la Tesla Roadster, è iniziata nel febbraio del 2008 ed ha completamente rivoluzionato lo scenario delle vetture elettriche sul piano delle prestazioni: il suo motore elettrico riesce ad erogare una potenza di 223 kW (circa 300 CV), grazie alla quale è in grado di raggiungere una velocità massima di 201 km/h. Ma il dato ancor più sorprendente riguarda il tempo di accelerazione da 0 a 100 km/h: 3,8 secondi!!! Il dato è ancora più sconvolgente se confrontato con un mito dell’automobile: la Ferrari GTB, con motore benzina, 6000 cc e 620 CV, impiega 3,7 secondi a raggiungere la stessa velocità…

Veicoli con prestazioni dello stesso livello sono stati prodotti, qualche anno dopo, anche in Europa: la Mercedes SLS AMG Electric Drive e la Audi R8 e-Tron; i costi di suddetti bolidi, però, sono molto alti (oltre 400.000€ contro i 100.000€ della Tesla Roadster), e nonostante questo, la Audi non ha sviluppato la produzione seriale poiché avrebbe significato investimenti economici senza ritorno.

Motore elettrico: Funzionamento

Quello adottato dalla Roadster è un semplicissimo motore asincrono trifase in corrente alternata(brevettato proprio da Nikola Tesla nel 1888 e oggi diffusissimo a livello industriale), costituito da pochi componenti: una parte fissa dotata di bobine, detta statore, e una parte mobile, detta rotore. Quest’ultima viene anche detta “gabbia di scoiattolo”, per via della sua struttura, avente due anelli d’estremità congiunti da barre di rame. Senza entrare eccessivamente nei dettagli, il fenomeno dell’induzione elettromagnetica si genera dalla reciproca influenza tra campi elettromagnetici. Nel motore asincrono, tale fenomeno si manifesta in questo modo. Viene fatta circolare corrente alternata nelle bobine dello statore, la quale, grazie alla particolare disposizione delle bobine, genera un campo elettromagnetico rotante nello statore; questo campo elettromagnetico è in grado di generare una tensione (e quindi una corrente) indotta nel rotore, la quale genera, a sua volta, un campo elettromagnetico; a questo punto, all’interno del motore, saranno presenti due campi elettromagnetici: la loro interazione provoca la rotazione del rotore, e tale rotazione genera la coppia motrice in grado di spingere il veicolo. Il campo elettromagnetico dello statore ruota ad una velocità fissa, detta velocità di sincronismo, che dipende dalla frequenza di alimentazione delle bobine; siccome la velocità angolare del rotore è inferiore a quella del campo magnetico statorico, il motore si dice asincrono.

Figura 1: Motore elettrico asincrono ad induzione

La Mercedes, invece, monta un motore sincrono a magneti permanenti sulla SLS AMG; le differenze principali col motore adottato dalla Roadster sono queste:

• la velocità di rotazione è perfettamente “sincronizzata” con quella del campo elettromagnetico statorico, e proporzionale alla frequenza elettrica di alimentazione;
• il rotore dispone di magneti permanenti invece di conduttori di rame.

Nel motore sincrono della Mercedes, il campo magnetico (e non elettromagnetico) del rotore è generato proprio dai magneti.

Figura 2: Motore elettrico sincrono a magneti permanenti

Motore elettrico: Vantaggi

Il moto rotatorio è direttamente trasferibile alle ruote, superando l’esigenza di convertire la traslazione del pistone in rotazione dell’albero motore: questo è un fattore che migliora l’efficienza del motore elettrico rispetto a quello endotermico (aumento di rendimento meccanico).

L’efficienza del propulsore elettrico è alta anche perché si ha una produzione di calore minore se confrontata con quella dei motori a combustione interna: si pensi che nei motori endotermici circa il 75% del potere energetico del carburante viene trasformato in calore, mentre il motore elettrico ha un’efficienza 3 volte superiore! Questa è figlia soprattutto del fatto che solo il rotore si muove nel motore elettrico, a differenza degli innumerevoli componenti in moto all’interno di un motore endotermico.

I costi di gestione e di manutenzione rappresentano il loro punto di forza:

• la ricarica costa molto meno di un pieno di carburante;
• l’inferiore quantità di componenti meccanici rende la manutenzione assolutamente più economica rispetto a quella necessaria per un motore a combustione interna: non hanno un filtro da cambiare, ne’ dell’olio ne’ dell’aria; non daranno mai problemi al motorino di avviamento, al termostato, alla cinghia di distribuzione o alla pompa dell’acqua semplicemente perché non ne sono muniti;
• le batterie che alimentano il motore sono garantite per anni e centinaia di migliaia di km  (esempio: 8 anni o 160.000 km, addirittura alcune sono garantite per km illimitati).

Motore elettrico: Svantaggi

Purtroppo, permangono le note limitazioni per l’utilizzo di una vettura completamente elettrica:

• l’autonomia limitata della batteria;
• i tempi di ricarica;
• il peso della batteria;
• l’elevato prezzo della vettura

Infatti, le macchine elettriche attualmente in commercio hanno un’autonomia che va dai 145 km della Smart o della Citroen C-Zero ai 480 km della Tesla Model S, con batteria da 85 kWh. Alcune vetture, come la Chevrolet Volt e la Opel Ampera, sono elettriche ad autonomia estesa (E-REV): presentano, cioè, un piccolo motore a benzina ausiliario che funge da generatore per la ricarica della batteria; l’autonomia di queste auto si aggira intorno ai 500 km.

I tempi di ricarica variano molto, a seconda della modalità adottata:

• Slow charge: è la ricarica da rete domestica o, più in generale, che avviene ad una potenza inferiore ai 10kW. Con questo sistema, i tempi di ricarica completa della batteria oscillano tra le 6 e le 9 ore;

• Quick charge: la batteria viene caricata ad una potenza di 22 kW da stazioni di ricarica poste in luoghi pubblici; in questo modo, i tempi di ricarica diventano di circa 2/3 ore;

• Fast charge: la potenza alla quale si carica la batteria oscilla tra i 43 kW e i 50 kW, a seconda se la colonnina utilizzata per la ricarica lavori, rispettivamente, in corrente alternata o continua. In questa maniera, il tempo di ricarica si riduce a poco più di 1 ora.

Il pacco batterie delle automobili elettriche pesa parecchio; ad esempio, sulla Tesla Model S le batterie arrivano a pesare 600kg. Questo implica che i materiali da utilizzare per contenere il peso della vettura siano leggeri: tali materiali sono frutto di sofisticate tecnologie, il che farà crescere il costo del veicolo.

Le macchine elettriche attualmente sul mercato hanno prezzi piuttosto alti, alcune costano il doppio del loro equivalente con motore endotermico. Sebbene tale costo iniziale sia ammortizzabile nel tempo grazie al risparmio sulla gestione e sulla manutenzione del veicolo, attualmente le case automobilistiche stanno sviluppando vetture con prezzi decisamente più accessibili alle tasche del cittadino medio.