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16/12/2015
IMPIANTI A 48 VOLT: AUMENTA LA TENSIONE, SI MOLTIPLICANO I VANTAGGI

Dal motore alle ruote

In medio stat virtus: vediamo insieme le opportunità - anche ambientali - di impianti elettrici la cui tensione è superiore ai “soliti” 12 volt pur senza arrivare alle centinaia di volt dei veicoli 

Nicodemo Angì

Ormai da decenni chi conosce le automobili ha in testa l’equazione impianto elettrico = batteria a12 V. Tensioni diverse - e molto più alte - sono ovviamente presenti nelle nostre autovetture ma le correnti in gioco nelle scintille delle candele o nei fari allo Xeno sono molto basse e poco rilevanti nel bilancio dell’impianto elettrico. Ben diverso è il discorso se si parla delle “utenze” maggiori, quali climatizzatori, alternatori e motorini di avviamento: in questo caso si mettono in gioco correnti di centinaia di ampere, con tutte le complicazioni del caso.

Vale sicuramente la pena, arrivati a questo punto, di esplicitare meglio il legame fra tensione, corrente e potenza. La potenza di un utilizzatore elettrico in corrente continua (la batteria ha una tensione di 12 volt continua) è data con ottima approssimazione dal prodotto della tensione di alimentazione per la corrente che lo attraversa. Il busillis è proprio qui: più corrente scorre in un conduttore più le perdite dovute alla resistenza del cavo saranno elevate, con conseguente spreco di energia e riscaldamento del conduttore. Pensate alla lampadina di un faro: i suoi 55 watt implicano una corrente di circa 4,6 ampere mentre l’alternatore di una vettura di classe medio-alta eroga 100 e più ampere; il motorino di avviamento di un grosso propulsore supera invece i 2 kW, con assorbimenti di corrente – fortunatamente per brevissimi periodi – superiori a 170 ampere. Aumentare la tensione a 48 volt permette di dividere per 4 la corrente assorbita a parità di potenza: il nostro fanale avrà quindi bisogno di soli 1,15 ampere, un valore tranquillizzante se pensate che la porta USB di un computer eroga 0,5 ampere.

 

Meno corrente, più potenza

Un impianto di questo tipo non soltanto permette di diminuire il diametro dei cavi conduttori, cosa molto gradita nelle vetture moderne, dato che gli assorbimenti elettrici tendono ad aumentare costantemente, ma apre anche la strada a nuove tipologie di vetture ibride.

Mentre i sistemi start & stop di uso corrente già portano quasi al limite gli impianti a 12 volt, grazie ai 48 volt è invece pensabile di avere delle “macchine elettriche” da 10 – 12 kW che non solo permettono di avere uno start & stop veramente efficiente ma anche di arrivare a comporre una mild hybrid con un aggravio di peso irrisorio. In effetti queste soluzioni potrebbero rivelarsi quasi indispensabili per soddisfare, in questi tempi procellosi nel settore delle emissioni, gli stringenti limiti che arriveranno nel 2020: se essi venissero impiegati in 100 milioni di auto potrebbero evitare l’immissione nell’atmosfera di 100 milioni di tonnellate di inquinanti un anno. Un prototipo Audi su base A6 TDI ha un alternatore specialmente concepito per recuperare fino a 10 kW di picco e permette di risparmiare circa 10 grammi di CO2 al km. Questi sviluppi saranno molto interessanti anche in vista dell’adozione del nuovo ciclo di omologazione WLTP (Light vehicles Test Procedures) che, essendo più simile al reale utilizzo del veicolo, sarà più impegnativo da superare. Un “aiuto elettrico” durante le accelerazioni, per esempio, potrebbe contenere il surplus di carburante iniettato nei cilindri, abbassando le temperature e minimizzando così la produzione dei temuti e dannosi ossidi di Azoto NOx.

Il concept Hyundai Tucson 48V Hybrid Concept combina un diesel da 2 litri e 134 CV con un elettrico da 14 CV: anche se la potenza della macchina elettrica non è esorbitante la sua grande efficienza e le sue favorevoli caratteristiche di coppia ai bassi regimi permettono di avere una vettura che con 148 CV di potenza combinata emette soltanto 109 grammi di CO2/km.

Un altro possibile impiego degli impianti a 48 volt è nel campo della sovralimentazione elettrica: un compressore alimentato da un motore elettrico invece che da una turbina permette di superare limiti quali il ritardo delle risposta e l’effetto di “vuoto” ai bassi regimi, consentendo di ottimizzare sia il comportamento sia l’efficienza.

 

Parola d’ordine: ottimizzare

Abbiamo visto come i sistemi a 48 volt permettano di avere non solo potenze elevate ma anche recuperi dell’energia con alte potenze di picco, che devono essere gestite al meglio dalle batterie. Molto promettenti appaiono, in tal senso, le batterie Piombo-Carbonio, una tecnologia il cui sviluppo è portato avanti, per esempio, dall’Advanced Lead-Acid Battery Consortium. Il consorzio ha già mostrato tre veicoli sperimentali, fra i quali c’è una Passat 1.4 TSI equipaggiata di compressore elettrico Valeo e un alternatore/motore CPT. La vettura già nelle prime fasi del suo sviluppo ha evidenziato una diminuzione del 13% nelle emissioni di CO2 con il potenziale di poter arrivare al 18% con ulteriori affinamenti. Anche la Kia Optima T-Hybrid è stata concepita intorno alla Optima di serie ma suo turbodiesel CRDi da 1,7 litri ha ora un generatore/motore Valeo da 10KW, un compressore elettrico e una batteria a 48 volt UltraBattery della East Penn. Questo powertrain permette alla vettura di percorrere anche brevi distanze in modo EV, recupera energia in frenata e aumenta la coppia ai bassi regimi. Il concept ADEPT (Advanced Diesel Electric Powertrain) è invece prodotto in partnership con Ford partendo dalla Focus e con la consulenza del famoso gruppo di engineering Ricardo. Questa vettura è “proiettata” verso emissioni di CO2 intorno ai 75 g/km ed indica la strada per arrivare ai 70 g/km con un rapporto costo/tasso di riduzione delle emissioni superiore a quello di un veicolo full hybrid. Importanti vantaggi derivano anche dal fatto che queste mild-hybrid hanno un aggravio di peso contenuto in poche decine di kg: la macchina elettrica sostituisce infatti l’alternatore e il motorino di avviamento e le batterie non sono molto pesanti, cosa che minimizza il consumo di energia durante le variazioni di velocità. La Tucson ibrida citata più sopra registra infatti un aumento di peso totale quantificabile in 20 kg, compreso il convertitore DC/DC che alimenta le utenze a 12 volt.

 

Il contributo delle batterie

Queste batterie al Piombo Carbonio (quest’ultimo impiegato nelle piastre negative), oltre a costare molto di meno rispetto agli elementi al Litio ed essere totalmente riciclabili, sono superiori dal punto di vista della vita utile, dell’accettazione di carica e dell’energia usabile: esse sopportano infatti scariche profonde anche fino al 70% della capacità. Un altro grande vantaggio è la sostanziale indifferenza alle condizioni di temperatura: possono essere caricate fino a temperature di – 30C° e non hanno bisogno di una gestione termica, a differenza degli attuali elementi al Litio. Importanti sviluppi si registrano però anche nelle batterie al Litio: il Wanxiang Group sta sviluppando un brevetto del MIT che, tramite Nanofosfati, permetterà di avere elementi che richiederanno una gestione della temperatura molto ridotta o addirittura nulla, con grandi vantaggi in termini di peso e ingombri del pacco batterie.

Le potenzialità dei sistemi a 48 volt sono dimostrate anche dall’interesse dei grandi gruppi: oltre alla già citata Valeo, anche Continental, Bosch e Magneti Marelli – solo per citare i nomi più importanti – sono molto vicine alla produzione di componenti con questo tipo di alimentazione per il mercato di massa. La tensione relativamente bassa permette inoltre di “maneggiare” questi sistemi con precauzioni simili a quelle richieste dai classici 12 volt, eliminando perciò la necessità che le reti di assistenza si dotino di nuove attrezzature e competenze come invece sono costrette a fare con le batterie a 200/500 volt delle elettriche e delle full-hybrid. 

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