High Voltage Bring: trasmissione di un veicolo elettrico

Ciao Ringers e buon anno! In questo appuntamento di High Voltage Bring proviamo a rispondere a una delle domande che sono scaturite da uno dei precedenti articoli. Nella presentazione di questa stagione 2017/2018 (http://nordschleife1976.com/high-voltage-bring-2017-fia-formula-e-hkt-hong-kong-e-prix/) abbiamo parlato delle diverse scelte di trasmissione per i costruttori di FE. Qui di seguito un riepilogo delle caratteristiche tecniche, con una correzione rispetto al precedente articolo per quanto riguarda l’architettura del team Virgin (grazie Morok per la precisazione):

Team Motore Tipo Marce
Renault Renault Trasversale 1
Audi Audi Longitudinale 1
Virgin DS Trasversale 3
Mahindra Magneti Marelli (Mahindra) Trasversale 2
Venturi Venturi (McLaren) Longitudinale 3
Andretti BMW Longitudinale 3
NIO NIO Doppio-Trasversale 1
Jaguar Jaguar Longitudinale 2
Dragon Magneti Marelli (Penske) Trasversale 2
Techeetah Renault Trasversale 1

Come giustamente fatto notare in uno dei commenti, il motore elettrico è molto vantaggioso per quanto riguarda la trazione stradale, in quanto per sua stessa natura fornisce una autoregolazione di coppia con la velocità di rotazione e garantisce quindi un ottimo accoppiamento alle ruote traenti di un veicolo per soddisfare le esigenze di una vettura. È noto infatti che uno dei principali problemi del motore a combustione interna (oltre a quello dello scarso rendimento) è la difficoltà dell’accoppiamento con l’utilizzatore finale, per esempio l’asse posteriore di una F1. Innanzitutto, infatti, un MCI ha la necessità di mantenere un regime di rotazione minimo per evitare lo spegnimento; inoltre, per massimizzarne le prestazioni, è necessario che lavori entro un certo range di giri al minuto, così da sfruttare al meglio i picchi di coppia e di potenza. Tali necessità sono chiaramente amplificate per un motore da competizione. Per risolvere i problemi derivanti dall’adozione di un MCI si utilizza un sistema di trasmissione dotato di innesto a frizione e cambio di velocità, che risolve sia la problematica del regime minimo che quella dello sfruttamento delle prestazioni massime.

Di seguito si riporta un grafico con l’andamento delle curve di coppia al variare della velocità di un veicolo, con l’innesto di marce diverse (a destra), affiancato dal grafico con riportata la curva di coppia e di potenza ideale per la trazione stradale (a sinistra):

A causa della discontinuità dei rapporti e della necessità di eseguire il cambio marcia, un MCI non riuscirà mai a seguire perfettamente la linea tratteggiata della figura, che corrisponde alla curva ideale. Ciò è possibile solo nel caso teorico di numero di marce infinito, che viene replicato nella pratica nei ciclomotori 50 cc a rapporto di trasmissione con variazione continua; questa soluzione introduce altri svantaggi, legati alla difficoltà di trasmettere coppie elevate, a causa del collegamento fra albero motore e asse traente realizzato con il variatore di velocità a cinghia.

Per quanto riguarda un motore elettrico, invece, le curve che si ottengono sono estremamente simili a quelle ideali riportate a sinistra nella figura precedente; tale caratteristica lo rende molto efficace per l’impiego automotive.

Fatta questa doverosa introduzione, siamo tornati al punto di partenza: perché allora in FE alcuni costruttori utilizzano powertrain con diversi rapporti di trasmissione, invece che uniformarsi al monomarcia? Quest’ultima soluzione presenta infatti almeno tre vantaggi: uno legato all’efficienza della trasmissione, uno alla prestazione della vettura ed uno alla efficacia della guida del pilota.

  1. L’assenza di marce permette di avere un sistema di trasmissione più snello, che permette quindi di ridurre peso ed attriti, migliorando quello che in un motore a combustione viene detto “rendimento organico”. In una competizione come la FE, dove la vittoria viene ottenuta dal più efficiente, nessun dettaglio riguardante il rendimento della vettura può essere sottovalutato
  2. Il cambio marcia, pur essendo sempre più rapido, comporta comunque dei brevi intervalli di tempo (sotto al decimo di secondo) in cui il motore non è collegato alle ruote e quindi non riesce a fornire la coppia richiesta, per cui si ha perdita di prestazione
  3. La guida di una FE, come vedremo in uno dei prossimi articoli, richiede al pilota estrema attenzione nella gestione dell’energia, tanto che le tecniche per il risparmio della carica della batteria sono ben più complesse da attuare rispetto a quelle a cui sono abituati i piloti di F1(!). Eliminare un elemento di azione del pilota, come il cambio marcia, peraltro molto frequente nei circuiti cittadini in cui gareggiano le FE, è sicuramente un modo per migliorare il livello di guida

Un motore elettrico è caratterizzato dalla base speed, velocità di rotazione alla quale, nella curva di potenza, inizia il tratto a valore costante. Il rapporto fra la velocità di rotazione massima e la base speed è detto rapporto di velocità:

Al crescere di x si ha un più ampio campo di funzionamento del motore elettrico, infatti a parità di velocità di rotazione massima si ha una base speed più bassa, cioè una disponibilità più immediata di potenza massima. In figura si vede la differenza fra le curve di potenza di motori elettrici al crescere di x.

In base alla tecnologia a disposizione del costruttore, la velocità massima di rotazione del motore e la base speed possono variare, di conseguenza viene influenzato il valore del rapporto di velocità. Se questo è troppo elevato sarà necessario introdurre una trasmissione a più rapporti, per sfruttare al meglio la potenza a disposizione, mentre il costruttore che riesca ad ottenere un motore con basso x potrà realizzare un veicolo monomarcia. È allo stesso tempo fondamentale avere a disposizione un propulsore che permetta di raggiungere elevati regimi di rotazione, in quanto la velocità massima di un veicolo è legata alla velocità di rotazione delle ruote, a sua volta dipendente da quella del motore in base al rapporto di trasmissione complessivo. Nel caso di un monomarcia quindi è necessario che x sia basso ed allo stesso tempo  sia elevata. I costruttori con tecnologie più sviluppate sono evidentemente già riusciti ad ottenere un powertrain con queste caratteristiche (Audi e Renault), mentre gli altri sono dovuti ricorrere a diverse soluzioni per aggirare questo problema. Fra questi risulta davvero particolare la scelta di NIO, che ha optato per un doppio motore, così da poter ricreare, con un monomarcia, lo stesso effetto dato dall’utilizzo del cambio.

Le diverse scelte effettuate dai costruttori, unite alla grande incertezza nei risultati in pista, mostrano certamente che la soluzione migliore non è ancora stata individuata, a riprova dell’enorme margine di sviluppo del motore elettrico e di conseguenza della FE.