Le moderne automobili sono sistemi complessi, sempre più tecnologici e connessi. L'impianto elettrico è fondamentale per il loro funzionamento, gestendo sia le funzioni digitali che i componenti attivati elettricamente, come fari e motorino di avviamento. Comprendere il concetto di massa elettrica è cruciale per la sicurezza e la corretta manutenzione dei veicoli, soprattutto in quelli elettrici.

Cos'è la Massa Elettrica?

Nello specifico, fra le parti metalliche dell'impianto, solamente quelle che, a causa di un guasto all'isolamento principale, vanno direttamente in tensione vanno considerate masse. Una volta identificate, tutte le masse devono essere dotate dell'adeguato collegamento a terra per prevenire il rischio di folgorazione.

Identificazione delle Masse Elettriche

Nella progettazione di un impianto elettrico, è essenziale distinguere quali parti metalliche costituiscono la massa elettrica. Vanno considerati come masse anche i corpi metallici a diretto contatto con una massa, poiché possono entrare in tensione quando la massa stessa va in tensione.

La Messa a Terra e la Sicurezza

Tutte le masse, per essere adeguatamente protette per il contatto indiretto, devono essere messe a terra. La messa a terra ha il compito di creare un anello di guasto, sul cui monitoraggio si basa l’attivazione delle protezioni magnetiche o dei differenziali.

Messa a Terra: Cosa Evitare

Spesso, ogni parte metallica fissa viene messa a terra, anche quelle non a contatto con una massa. Un quadro elettrico di distribuzione (massa) è correttamente messo a terra; la sua anta metallica non è una massa in quanto un eventuale guasto interno al quadro (un filo che esce dal morsetto) può mandare direttamente in tensione la piastra frontale (massa), ma non la porta. La cerniera che lega la porta al quadro costituisce dal punto di vista elettrico una resistenza che riduce l'eventuale tensione di contatto dell'anta. La messa a terra dell'anta non fa altro che bypassare la resistenza delle cerniere, innalzando la tensione di contatto dell’anta al valore di quella del quadro.

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Connessioni simili vengono spesso applicate a ripari fissi, porte metalliche, supporti: questi collegamenti a terra sono dannosi: non fanno altro che connettere al circuito elettrico di terra corpi che normalmente non ne fanno parte, aumentando il rischio in caso di contatto indiretto. La porta rossa di una sala quadri non potrà mai andare in tensione dato che è lontana da qualsiasi apparecchiatura elettrica.

Componenti Fondamentali dell'Impianto Elettrico Auto

Per comprendere appieno l'importanza della massa elettrica, è utile conoscere i componenti principali dell'impianto elettrico di un'auto:

  • Batteria: Definita come il serbatoio della corrente elettrica, la sua funzione è la raccolta di energia. La tensione della batteria è misurata in Volt ed è ciò che permette alla corrente di scorrere attraverso i fili dei circuiti. Quando questa si abbassa oltre un certo limite, l’auto non potrà essere messa in moto.
  • Motorino di Avviamento: Ha la funzione di mettere in rotazione il motore, sfruttando una notevole quantità di energia della batteria, per permettere al propulsore di raggiungere un numero di giri sufficiente in modo da lavorare in autonomia.
  • Cavi: Sono un altro elemento indispensabile per il funzionamento dell’impianto elettrico auto. Percorrono tutto il corpo vettura e sono rivestiti da una guaina isolante, per essere costantemente protetti dalle intemperie. Questi cavi sono di colori differenti: quelli rossi o arancioni indicano una tensione positiva, mentre quelli blu, neri o verdi indicano la massa.

Schema Elettrico Auto

Con il termine schema elettrico auto si fa riferimento alla rappresentazione semplificata di un circuito elettrico o elettronico, che utilizza simboli comuni. Avere a disposizione lo schema elettrico è utile se si vuole procedere a riparazioni in autonomia.

Differenze tra Auto Diesel e Benzina

Ci sono delle differenze fra lo schema elettrico di un’auto con motore diesel e quella di una vettura con motore benzina. Infatti, entrambe hanno componenti proprie dei motori a gasolio. Questi ultimi utilizzano l’autocombustione, cioè l’accensione spontanea della miscela di gasolio e aria, causata dalla compressione dei pistoni e dall’alta temperatura. Questo sistema utilizza le candelette per preriscaldare il carburante e facilitare l’innesco della combustione in fase di avviamento.

Auto Elettriche: Il Motore e l'Inverter

Ad alimentare il motore dell’auto elettrica è ovviamente la batteria, ma visto che il motore elettrico non deve per forza essere alimentato da un classico pacco batterie può essere adattato a tutte le tipologie di accumulatori capaci di cedere energia elettrica, come le celle a combustibile delle automobili a idrogeno che, infatti, sono dotate di un motore elettrico. In ogni caso, il motore elettrico riceve energia elettrica dall’inverter, componente fondamentale di un’automobile con motore elettrico. L’inverter, infatti, ha l’indispensabile funzione di trasformare la corrente continua proveniente dalla batteria in corrente alternata utilizzabile dal motore elettrico.

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La maggior parte dei motori dell’auto elettrica è in grado di funzionare sia con corrente alternata che continua, e il suo funzionamento è molto semplice, soprattutto confrontandolo con i motori termici. Se infatti abbiamo imparato a conoscere le decine di componenti che formano un motore come bielle, valvole, pistoni, alberi motore, alberi a camme e così via, i motori elettrici sono formati da pochissime parti meccaniche, delle quali quelle mobili sono circa tre.

Componenti del Motore Elettrico

Il motore elettrico è essenzialmente composto da tre parti: lo statore, il rotore e l’involucro esterno, detto anche armatura.

  • Statore: È la parte statica del motore elettrico, ed è costituito da bobine di filo di rame, poste radialmente rispetto al rotore.
  • Rotore: È un piccolo cilindro pieno posizionato al centro del motore elettrico che gira intorno al suo asse.

Quando la corrente attraversa le bobine dello statore, si crea un campo magnetico che fa girare il rotore, il quale crea a sua volta un altro campo magnetico.

Tipi di Motori Elettrici: Sincrono e Asincrono

Per capirlo, dobbiamo anticipare la conoscenza delle due tipologie più utilizzate di motore elettrico, il motore asincrono e quello sincrono a magneti permanenti. Entrambe funzionano essenzialmente grazie allo stesso principio, con differenze importanti dal punto di vista prestazionale ma non molto ampie a livello teorico del funzionamento.

  • Motore Sincrono a Magneti Permanenti (Brushless): Il grande rotore ruota seguendo il campo magnetico dello statore (da qui arriva il nome sincrono).
  • Motore Asincrono: Il rotore utilizza la corrente per generare un proprio campo magnetico che quindi non è congiunto rispetto a quello dello statore: da qui arriva la definizione di “asincrono” poiché i due campi magnetici non sono sincronizzati.

Vantaggi dei Motori Elettrici

  • Compattezza e Leggerezza: Per via delle pochissime parti mobili, il motore elettrico è più compatto e più leggero di un motore termico, e per questo anche molto più affidabile.
  • Manutenzione Ridotta: Se nei motori asincroni dotati di spazzole (le cosiddette “brushes”) queste devono essere sottoposte a manutenzione periodica (sebbene molto sporadica) per mantenere la loro capacità di creare un campo magnetico, i motori sincroni a magneti permanenti sono pressoché privi di manutenzione ordinaria.
  • Rigenerazione di Energia: Trasformarsi, quando non erogano potenza, in veri e propri generatori di energia. Quando l’automobile rallenta, infatti, l’energia cinetica permette al motore di girare comunque nonostante non stia erogando potenza.
  • Erogazione di Potenza Costante: I motori elettrici riescono ad erogare tutta la potenza e la coppia che hanno a disposizione fin da 0 giri e costante per tutto il range di giri, che sui motori più prestanti può raggiungere i 15/18.000 giri. Questa caratteristica permette di rinunciare a trasmissioni e frizioni, in quanto visto che l’erogazione della potenza è presente fin dagli 0 giri non c’è bisogno di gestire l’erogazione della potenza.
  • Silenziosità: I motori elettrici sono molto più silenziosi. Non sono completamente “muti”, in quanto emettono un sibilo caratteristico, ma di certo sono molto meno rumorosi di un motore a scoppio.
  • Assenza di Emissioni Locali: Un altro dei vantaggi dei motori elettrici è, ovviamente, l’assenza di emissioni locali.

Potenziali Svantaggi

  • Efficienza Inferiore alle Alte Velocità: I motori elettrici hanno un’efficienza inferiore alle alte velocità, e anche le prestazioni, eccellenti da 0 a circa 100/120 km/h, scendono progressivamente con l’aumentare della velocità.
  • Autonomia Ridotta in Autostrada: Questo rende le automobili elettriche poco adatte all’utilizzo extraurbano e soprattutto autostradale: anche con batterie molto capienti, l’autonomia in autostrada può scendere anche del 50% rispetto alle percorrenze cittadine.

Tipi di Motori Elettrici: Corrente Alternata e Continua

Scopriamo allora quali sono le tipologie del motore dell’auto elettrica, partendo dalla prima separazione, quella tra motori a corrente alternata, quelli più comuni, e quelli a corrente continua.

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  • Motori a Corrente Continua: Nel primo caso, il rotore è collegato alla batteria tramite due componenti, chiamati appunto spazzole, che con il proprio contatto sul rotore riescono a trasferire a quest’ultimo energia elettrica per permettergli di essere alimentato e avere un suo campo elettromagnetico. Questo sistema è molto semplice ed economico da utilizzare, ma le spazzole sono soggette ad usura e quindi necessitano di una manutenzione che, sulle altre tipologie di motori elettrici, non è prevista. Tra i motori a corrente continua, infatti, trovano posto anche i motori brushless, ovvero senza spazzole: In questa soluzione, le bobine sono montate sullo statore, e i magneti permanenti sullo statore. In questo modo, la corrente fluisce sullo statore e viene regolata elettronicamente per gestire il campo elettromagnetico e, visto che il rotore è dotato dei magneti permanenti, di mettere in moto il rotore stesso. Si tratta di una soluzione più efficiente e più leggera, ma più complessa da gestire, in quanto per garantire la massima efficienza bisogna gestire con precisione la direzione dei campi magnetici.
  • Motori a Corrente Alternata: Richiede l’utilizzo di un inverter per poter trasformare la corrente continua immagazzinata all’interno della batteria ad alto voltaggio in corrente alternata, utilizzabile dai motori elettrici. Il motore elettrico più utilizzato sulle auto ibride e sulle prime elettriche è quello asincrono ibride ed elettriche è il motore asincrono. Noto anche come asincrono trifase, il motore asincrono, nel momento in cui lo statore viene alimentato, il campo magnetico generato induce un secondo campo magnetico negli avvolgimenti del rotore. Questa soluzione è più duratura nel tempo ed è molto più economica da realizzare rispetto ai motori sincroni a magneti permanenti, ma comporta alcuni limiti. Rispetto ai motori sincroni, infatti, l’asincrono trifase ha componenti più pesanti, riducendo quindi la potenza erogabile dal motore e la sua risposta. In generale, quindi, i motori asincroni sono meno vivaci e pesano di più, ma costando meno e avendo una buona efficienza sono ancora interessanti per alcuni utilizzi. Tra le automobili elettriche di ultima generazione, i motori asincrono sono sempre meno utilizzati.

Motori Sincroni a Magneti Permanenti

Tra le tipologie di motore dell’auto elettrica, il motore sincrono è quello che si sta facendo più strada come soluzione ideale. Noto anche come “a magneti permanenti”, i motori sincroni formano naturalmente un campo magnetico che muove il rotore, rendendo quindi sincronizzati i campi magnetici di rotore e statore. L’assenza di bobine e di “spazzole” rende più affidabili, più leggeri e più potenti i motori sincroni rispetto alla tipologia asincrona, che hanno prestazioni più alte, sono più efficienti e più leggeri, nonché più compatti. I lati negativi di questa tecnologia stanno nei costi, molto più elevati rispetto al motore sincrono, e ad una perdita di prestazioni piuttosto importante in occasione di surriscaldamento. I magneti permanenti, infatti, possono smagnetizzarsi se il calore sale eccessivamente, riducendo così la potenza.

Costi del Motore Elettrico

Spesso sentiamo parlare del costo delle automobili elettriche, molto più alto di quello delle termiche equivalenti. In realtà, il motore dell’auto elettrica ha costi davvero contenuti, anche e soprattutto quando confrontato con motori termici di pari potenza. Un motore elettrico, infatti, parte da un prezzo minimo di 1.000 euro: a questo prezzo, però, non ci si porta a casa un motore “scarso”, ma un motore compatto e con circa 100/150 CV di potenza.

Terminologia delle Auto Elettriche

Quando si parla di automobili con propulsione e trasmissione alternative, si utilizzano spesso termini come EV, BEV, EREV, REX o PHEV. Questi termini in realtà descrivono in modo molto accurato la tecnologia e, allo stesso tempo, rivelano l’uso intenzionale dell’auto.

  • EV (Electric Vehicle) / BEV (Battery Electric Vehicle): Sinonimo di BEV [Battery Electric Vehicle - Veicolo Elettrico a Batteria], è un’abbreviazione per indicare un veicolo elettrico privo di motore a combustione interna. La propulsione è data da un motore elettrico che utilizza l’energia accumulata nella batteria di trazione.
  • PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle): Identifica i veicoli con propulsione/trazione sia elettrica sia a combustione interna. Questi veicoli hanno quindi due motori (uno elettrico, l’altro tipicamente benzina o diesel), alimentati rispettivamente da una batteria di trazione e da un serbatoio di carburante. La differenza rispetto a un’Auto Elettrica Ibrida (non Plug-In) sta nel fatto che la ricarica della batteria di trazione può avvenire anche da Rete Elettrica (mentre nei Veicoli Ibridi non Plug-In avviene solo da recupero di energia in frenata).
  • EREV (Extended-Range Electric Vehicles): Identifica particolari tipi di Auto Elettriche Ibride Plug-In PHEV in cui il motore a combustione interna è impiegato solamente come generatore di corrente per ricaricare la batteria di trazione quando il livello di carica è basso. Nelle Auto Elettriche con Range Extender quindi la trazione è sempre e solo elettrica; il motore a combustione interna non concorre mai alla trazione dell’auto.

Componenti Chiave delle Auto Elettriche

  • Batteria agli Ioni di Litio: L’energia elettrica viene immagazzinata in una batteria agli ioni di litio, la cui capienza si misura in kWh, che viene ricaricata tramite una presa di corrente, ma può anche ricevere energia rigenerativa, in frenata o in rilascio.
  • BMS (Battery Management System): Tra la batteria e i motori elettrici ci sono due componenti importanti. Il primo è il sistema BMS (Battery Management System) che si occupa di controllare le batterie durante le fasi di carica e scarica, in modo da evitare un danneggiamento delle stesse, monitorando parametri come lo stato di carica (SOC - State of Charge), lo stato di salute (SOH - State of Health), il voltaggio, la temperatura e la corrente in entrata o in uscita.

Considerazioni sulla Guida di un'Auto Elettrica

Le elettriche sono molto semplici da guidare essendoci un controllo elettronico digitale che comanda il motore (o i motori). È come avere un collegamento diretto tra l’acceleratore e le ruote, senza ritardi o esitazioni, come al contrario avviene per i motori a combustione, specialmente se turbocompressi. Sono rapide e precise nel seguire gli input dell’acceleratore, con un comportamento agile e scattante nella guida cittadina. Grazie al lavoro dei tecnici sulle rampe digitali di accelerazione, l’erogazione della coppia non è mai brusca, ma risulta dolce, nonostante una spinta molto forte.

Frenata Rigenerativa

Grazie alla frenata rigenerativa, un vantaggio delle elettriche è quello di utilizzare poco le pastiglie dei freni e quindi allungare l’intervallo di sostituzione: per poter sfruttare al meglio questo vantaggio occorre aumentare le fasi di rilascio evitando le frenate brusche ma anticipando il più possibile i rallentamenti dovuti al traffico o alle curve. Di solito è possibile regolare l’entità della frenata rigenerativa, con un comando dedicato. Alcuni modelli permettono addirittura di guidare con un solo pedale, quello dell’acceleratore, rilasciandolo per avere un rallentamento molto intenso, fino all’arresto.

Aspetti Negativi nella Guida Sportiva

Nella guida sportiva, dove si impegnano di più i freni, emergono alcuni aspetti negativi, come il peso elevato e il feeling sul pedale del freno. Il freno è infatti l’aspetto più particolare del comportamento in pista di un’auto elettrica. Il fatto di esserci la doppia frenatura (rigenerativa e idraulica) può creare una variazione di intensità di frenata quando avviene la transizione tra le due.

Importanza della Forma della Curva di Coppia

Possiamo concludere che per capire come si comporterà un veicolo è necessario esaminare la forma della curva di coppia, caso per caso.

Coppia e Potenza nei Motori Elettrici

Il motore elettrico, a differenza del termico, la coppia è erogata in modo molto più regolare e non sono presenti le “campane” tipiche del termico. Questo è un tipico andamento della coppia alle ruote e della potenza di un motore elettrico. Assomiglia molto al motore ideale che avevamo visto.

Caratteristiche della Curva di Coppia nei Motori Elettrici

La curva di coppia parte subito al suo valore massimo e tale si mantiene per un certo tratto. In questo tratto iniziale la potenza cresce linearmente da zero fino ad arrivare al suo valore massimo. A quel punto, valendo la relazione P = C * ω , aumentando ω la coppia deve decrescere non potendo crescere la potenza.

In termini di esperienza di guida un simile andamento della coppia si traduce in una spinta iniziale immediata, forte e regolare nei primi istanti, poi la sensazione di spinta scema con continuità senza gli andamenti sussultori dei motori termici che seguono l’andamento a campana della curva di coppia e le cambiate che per alcuni istanti azzerano la spinta (il tempo di azzeramento nei cambi automatici moderni è in realtà brevissimo, ma comunque resta sempre).

Assenza del Cambio

Un aspetto notevole del motore elettrico è che non richiede la presenza del cambio (sono presenti pochissimi modelli che utilizzano un cambio a due marce per ottimizzare al massimo alcuni fattori). Il powertrain di una vettura elettrica richiede, oltre al motore, solo un riduttore/differenziale (come nelle termiche) che ha il compito di ridurre la velocità di rotazione e incrementare la coppia alle ruote in un rapporto fisso.

Potenza Omologata vs. Potenza Massima

I dati di alcune auto elettriche sono mirabolanti: potenze che superano agevolmente i 500 CV e coppie mostruose definiscono infatti prestazioni top, anche se a volte appannate da pesi importanti. Questa sinfonia di CV e Nm diventa però improvvisamente afona guardando i dati ufficiali che riportano due livelli di potenza: alla roboante potenza massima se ne contrappone infatti una ben più modesta “potenza omologata”, una semplice parolina che sembra spegnere i sogni di gloria.

Normativa UN/ECE R-85

Il nocciolo della questione è proprio nella potenza omologata, che fa riferimento alla normativa UN/ECE R-85 che disciplina i principi per l'omologazione dei motori a combustione interna e di quelli elettrici destinati agli autoveicoli (dotati di almeno 4 ruote) di classe M e N, con i primi destinati al trasporto di persone e i secondi adibiti al trasporto merci e di massa massima non superiore a 3,5 tonnellate. Questa normativa prescrive che la potenza omologabile dei motori elettrici sia quella media misurata nell’arco di 30 minuti con “acceleratore a fondo”.

Implicazioni della Potenza Omologata

Queste limitazioni spiegano la grande discrepanza fra i kW omologati e quelli massimi: la Taycan Turbo S dichiara infatti rispettivamente 142 kW/193 CV e 560kW/761 CV. La differenza può essere forte, ed è importante perché sulla potenza continua (l’unica presente nella carta di circolazione) si paga il bollo e si calcola la possibilità di guida per i neopatentati.

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