La Audi lavora a pieno ritmo per costruire la mobilità del futuro. Nella strategia ad ampio raggio messa a punto dalla Casa dei quattro anelli, l’elettrificazione dei propulsori riveste un ruolo di centrale importanza. Le nuove vetture ibride ed elettriche costituiscono uno dei capisaldi della strategia Audi che contribuirà anche a definire quale sarà, in generale, la mobilità del futuro.
Motori elettrici: verso il futuro della mobilità
La Audi ha già compiuto i primi passi nel campo della mobilità elettrica. Diversi modelli di serie adottano già sistemi Start&Stop e di recupero dell’energia in frenata che ne fanno delle vetture micro-ibride a tutti gli effetti. Derivate dal sistema d’efficienza modulare, queste tecnologie hanno permesso al Marchio di abbattere drasticamente i consumi e le emissioni di CO2 della propria flotta.
La mossa successiva della Audi sarà il lancio della Q5 hybrid quattro la cui produzione in serie partirà nel corso del 2011. Dotata di due propulsori, la Q5 hybrid quattro è un ibrido parallelo ad alta efficienza e all’avanguardia della tecnica. Abbinato a un motore elettrico alimentato da una batteria compatta agli ioni di litio, il motore a combustione della Audi Q5 hybrid quattro, un 2.0 TFSI, lavora in maniera flessibile e intelligente.
La Audi Q5 hybrid quattro sviluppa una potenza di 245 CV (180 kW) e una coppia di ben 480 Nm. Il nuovo modello di punta della gamma Q5 accelera da 0 a 100 km/h in 7,1 secondi e raggiunge una velocità massima di 222 km/h. Nella modalità elettrica, il SUV ibrido sportivo è in grado di coprire una distanza pari a 3 km a una velocità massima di 60 km/h. I consumi sotto i 7 litri ogni 100 km corrispondono a emissioni di CO2 inferiori a 160 grammi per chilometro.
Gli elementi della catena cinematica della Q5 hybrid quattro sono quelli previsti dal sistema modulare longitudinale già adottati su altri modelli Audi con motore montato longitudinalmente come, ad esempio, la nuova Audi A8, la futura A6.
Più di 20 anni d’esperienza nel campo delle auto ibride
La Audi vanta più di 20 anni d’esperienza nel settore della tecnologia ibrida. Già nel 1989 la Casa di Ingolstadt lanciò la prima generazione della Audi duo, uno studio tecnico su telaio Audi 100 Avant. Le ruote anteriori erano spinte da un cinque cilindri a benzina e quelle posteriori da un motore elettrico inseribile da 12 CV (9 kW). L’energia veniva accumulata da batterie al nickel-cadmio. Due anni più tardi, la Audi ripropose un’altra versione della duo su telaio Audi 100 Avant quattro.
Nel 1997 la Audi fu il primo produttore di automobili europeo a costruire una vettura ibrida in piccola serie: la Audi duo su telaio A4 Avant. La spinta propulsiva era affidata a un motore TDI 1.9 90 CV (66 kW) e a un propulsore elettrico raffreddato ad acqua da 29 CV (21 kW) alimentato da una batteria al gel di piombo posizionata sulla parte posteriore. Entrambi i gruppi propulsori servivano ad azionare le ruote anteriori.
Come i due precedenti studi, anche la duo di serie seguì l’avveniristico concept del plug-in con batteria ricaricabile a una normale presa. Il motore elettrico era anche in grado di recuperare l’energia frenante in fase di decelerazione. Nella modalità elettrica, la duo raggiungeva una velocità di 80 km/h e, grazie al TDI, arrivava a una velocità massima di 170 km/h. Si trattava di una soluzione molto moderna per quell’epoca, addirittura troppo avanzata per un mercato non ancora pronto ad accoglierla.
Guidare con l’energia elettrica: i modelli e-tron
Parallelamente alla tecnologia ibrida, la Audi sviluppa oggi i modelli e-tron, una famiglia di vetture in grado di circolare in modalità elettrica sulle lunghe percorrenze, che includeranno anche degli ibridi plug-in. L’idea di fondo è offrire in chiave moderna e intelligente una nuova forma di piacere di guida e di dinamismo. Sebbene i modelli e-tron della Audi siano ancora molto giovani, hanno già personalità ben definite.
Il primo modello e-tron ha debuttato nel settembre 2009 al Salone Internazionale dell’Automobile di Francoforte IAA: i quattro propulsori elettrici della supersportiva sviluppano nel complesso 313 CV (230 kW). La biposto scatta da 0 a 100 km/h in 4,8 secondi, la velocità è limitata elettronicamente a 200 km/h.
La batteria agli ioni di litio accumula 53 kWh di energia, abbastanza per garantire un’autonomia di circa 250 km. I tempi di ricarica completa da una presa elettrica a corrente trifase sono di circa 2,5 ore. La formula a quattro motori singoli consente di azionare ogni ruota singolarmente e permette di gestire ciascuna di esse con la massima precisione. Questa forma di “torque vectoring” costituisce un nuovo livello evolutivo del principio quattro: l’e-quattro, per l’appunto.
Al Motor Show di Detroit del 2010 è stato presentato un altro studio e-tron, ovvero una biposto leggera e compatta con due propulsori elettrici sull’asse posteriore che sviluppano nel complesso una potenza di 204 CV (150 kW). La più giovane della famiglia è la dinamica e-tron Spyder, protagonista del Salone di Parigi del 2010. La sua batteria può essere ricaricata con una normale presa; due motori elettrici sviluppano nel complesso una potenza di 87 CV (64 kW) che va ad azionare le ruote anteriori. Dietro il vano passeggeri è montato un 3.0 TDI a sovralimentazione biturbo con una potenza di 300 CV (221 kW) e una coppia di 650 Nm trasmesse alle ruote posteriori dal cambio a 7 rapporti S tronic.
La Audi A1 e-tron per il traffico urbano
La Audi A1 e-tron è invece concepita per l’uso nei grandi agglomerati urbani. Il suo motore elettrico sviluppa una potenza continua di 61 CV (45 kW) e la sua autonomia si aggira sui 50 km. Un piccolo motore Wankel nella parte posteriore della vettura funge da range extender: ricarica la batteria - e dissipa i dubbi di chi teme di avere un’autonomia ridotta. Nella modalità “Range” il Mega City Vehicle della Audi percorre 200 km in più.
Nel 2011, in collaborazione con altri tre partner quali il gruppo energetico E.ON, le aziende municipalizzate e il Politecnico di Monaco di Baviera, la Audi sperimenterà una flotta di prova con la A1 e-tron. Entro la fine dell’anno i primi veicoli circoleranno sulle strade del capoluogo bavarese e, in contemporanea, saranno inaugurate 200 nuove stazioni di ricarica.
La supersportiva e-tron, il primo modello Audi a trazione interamente elettrica, inizierà a circolare su strada in piccola serie già a partire dal 2012. La sua produzione è stata affidata alla quattro GmbH di Neckarsulm (Germania), azienda di comprovata esperienza nella costruzione di vetture sportive esclusive.
Il punto forte della Audi: l’approccio globale alla progettazione
Lo sviluppo di soluzioni tecnologiche tra loro molto diverse testimonia l’approccio globale che la Audi persegue nei confronti dei sistemi di trazione elettrica. Gli ingegneri del Marchio non si limitano a studiare la chimica delle celle delle batterie ma, piuttosto, affrontano il progetto in modo olistico, verificando l’interazione dei componenti, il modo di integrarli e la gestione efficiente dei flussi di corrente. Per ottimizzare i vantaggi per il Cliente, già da oggi la Audi sviluppa vetture di segmento “premium” perfettamente idonee all’uso quotidiano, tali da non richiedere al Cliente rinunce di nessun tipo.
La pianificazione Audi a lungo termine comprende tutti gli aspetti pratici della guida elettrica: la tecnica di carica, la gestione termoenergetica di batterie e motori, la strategia operativa dei propulsori, la trazione quattro, i freni e i sistemi di recupero energetico. Il principio dell’efficienza basato su una gestione attenta anche della più piccola quantità di energia implica, nell’era della mobilità elettrica, il delinearsi all’orizzonte di nuove sfide.
A tutto questo si aggiungono nuove conquiste in materia di costruzioni leggere, un settore di centrale importanza anche nella mobilità elettrica e da tempo anche una delle competenze chiave della Audi. Anche in questo caso i modelli sportivi e-tron aprono nuove strade. La carrozzeria in alluminio basata sulla tecnologia Audi Space Frame (ASF) è infatti completata da elementi in fibra di carbonio. Particolare attenzione è stata riservata anche alla sicurezza passiva. Il packaging dei motori ha richiesto ad esempio nuovi calcoli per il comportamento in caso di incidente.
Attraverso questo approccio di sviluppo a tutto campo, la Casa di Ingolstadt fa sì che i suoi core values non solo restino intatti, ma risultino addirittura potenziati con l’avvento della mobilità elettrica. Eleganza, dinamismo ed efficienza resteranno anche in futuro i punti di forza di ogni Audi. Anzi, lo saranno ancora più di quanto non lo siano già oggi.
Massimo impegno per la mobilità elettrica
La Audi profonde un grande impegno nello sviluppo della mobilità elettrica. Oggi sono più di 400 gli specialisti del reparto di sviluppo tecnico che lavorano alla mobilità elettrica con il supporto di diverse centinaia di colleghi dei più svariati settori. Questa equipe di esperti riserva particolare attenzione all’implementazione nella produzione in serie delle nuove tecnologie, arricchendosi continuamente di collaboratori altamente qualificati.
Per capire l’entusiasmo con il quale la Audi sta lavorando al tema della mobilità elettrica basta entrare nel nuovo centro di sviluppo e di collaudo inaugurato proprio in questi giorni. La Audi ha creato 390 posti di lavoro su quattro piani e investito 65 milioni di Euro in moderne tecnologie.
Il fatto che tutti i principali settori di attività si trovino nello stesso stabile consente di snellire i flussi di comunicazione. Al terzo e al secondo piano del centro di sviluppo e controllo si trovano gli uffici dove gli ingegneri sviluppano i nuovi gruppi di trazione. Il primo piano ospita invece i laboratori, le officine e i banchi di prova più piccoli. Il pianterreno, infine, è riservato ai grandi banchi di prova per i gruppi di trazione e i veicoli completi.
Il centro di ricerca Projekthaus e-performance funge invece da “think tank” della Audi. Composto da un gruppo relativamente piccolo di specialisti di diverse discipline che intrattengono contatti con tecnici esterni all’azienda, l’agile equipe centrale del Projekthaus e-performance opera con rapidità e competenza.
Uno dei suoi principali compiti è un progetto di ricerca denominato anch’esso e-performance e patrocinato dal Ministero federale per l’istruzione e la ricerca tedesco. L’obiettivo del suddetto progetto è sviluppare una matrice modulare di componenti per la guida elettrica adattabile a diversi concept di vetture, dall’utilitaria alla sportiva.
Parallelamente a queste attività, la Audi analizza i potenziali insiti nei propulsori con celle a combustibile. Lo studio Audi Q5 HFC adotta questa tecnologia e dimostra come essa sia impiegabile anche per le lunghe percorrenze. Le tre lettere HFC sono l’acronimo di “Hybrid Fuel Cell”. Questo studio si avvale delle sinergie sviluppate dai vari progetti e utilizza molte componenti tecniche messe a punto per i futuri modelli ibridi di altro tipo. Due serbatoi contengono l’idrogeno a una pressione di 700 bar. Le celle a combustibile a elettrolita polimerico (PEM) generano una potenza di 133 CV (98 kW). La potenza erogata dalla batteria a ioni di litio utilizzata nella vettura ibrida è pari a 1,3 kWh. La trazione è affidata a due motori elettici posti in prossimità delle ruote che, insieme, hanno una potenza massima di 90 kW e un picco di coppia di 420 Nm.
L’idrogeno viene sfruttato in modo molto efficiente e il coefficiente di rendimento della trazione a celle a combustibile si colloca, in ampie fasce di impiego, ben oltre il 50%.
Prima di poter implementare queste tecnologie su una vettura di serie è però necessario superare diversi ostacoli di natura tecnica e commerciale e chiarire alcune importanti questioni come, ad esempio, l’approvvigionamento di idrogeno e il costo energetico della sua produzione.
La risposta giusta a ogni esigenza
Anche per quanto riguarda la mobilità elettrica, le aspettative dei Clienti si svilupperanno in direzioni molto differenti. Oltre alle specificità dei mercati, occorrerà tenere conto anche della tipologia di impiego delle vetture. Nel medio periodo un’autovettura puramente elettrica sarà consigliabile solo per brevi tragitti fino a circa 200 km. Per tragitti a medio raggio bisognerà optare per un range extender. Le percorrenze di 500 km e più saranno invece appannaggio dei propulsori ibridi, sia convenzionali sia plug-in.
Per diversi anni il futuro della mobilità sarà caratterizzato dalla compresenza di diverse tecnologie e di diverse fonti energetiche. Con i suoi modelli hybrid ed e-tron, ma anche con il TDI, il TFSI e i nuovi carburanti, la Audi ha tutte le carte in regola per far fronte egregiamente a questi scenari. I Clienti potranno scegliere tra una vasta gamma di tecnologie di propulsione. E la Audi sarà sempre in grado di trovare la soluzione migliore per ciascuno di loro.
La Audi Q5 hybrid quattro: la prima full hybrid di Ingolstadt
Con la forza di un V6 e il consumo di un TDI a quattro cilindri, la Q5 hybrid quattro è, dopo tre generazioni di Audi duo, il primo modello ibrido della Audi a utilizzare due motori. Il motore a benzina 2.0 TFSI e il motore elettrico, con una potenza complessiva di 245 CV (180 kW) e una coppia di 480 Nm, si caratterizzano per una dinamica di guida sportiva e un consumo medio nel ciclo di misurazione europeo standard (NEDC) inferiore a 7 litri ogni 100 km.
In fase di progettazione la Audi ha dedicato particolare attenzione a un elevato apporto della componente elettrica nel bilancio della trazione. Il SUV ibrido più sportivo sul mercato percorre, con una velocità di marcia di 60 km/h, circa 3 km a emissioni zero, oppure raggiunge una velocità massima di 100 km/h nella modalità puramente elettrica. Grazie alla batteria agli ioni di litio, potente ma leggera, e a molti altri accorgimenti tecnici, la Audi Q5 hybrid quattro può essere considerata un gioiello della tecnica.
Le prestazioni
Il 2.0 TFSI e il motore elettrico della Audi Q5 hybrid fungono da sistema ibrido parallelo e sono montati, con una soluzione tecnica stabile ed estremamente efficiente, in successione diretta. I due motori sviluppano potenza e coppia complessive rispettivamente di 245 CV (180 kW) e 480 Nm. L’accelerazione da 0 a 100 km/h di questo modello si attesta su 7,1 secondi, e la ripresa da 80 a 120 km/h nel 5° rapporto su 5,9 secondi. La velocità massima raggiunge i 222 km/h.
La Audi Q5 hybrid quattro consuma meno di 7 litri di carburante ogni 100 km nel ciclo di misurazione standard, ed emette 160 g di CO2 a chilometro. Il capiente serbatoio da 75 litri assicura un’autonomia elevata, paragonabile a quella di un TDI.
Il motore
Il 2.0 TFSI della Audi Q5 hybrid quattro ha una cilindrata di 1.984 cm3. Eroga una potenza di 211 CV (155 kW) e una coppia massima costante di 350 Nm a un regime compreso tra 1.500 e 4.200 giri. Il quattro cilindri unisce l’iniezione diretta alla sovralimentazione turbo, una scelta fedele alla filosofia del “downsizing” abbracciata dalla Audi, in cui la riduzione della cilindrata è compensata dall’impiego di un turbocompressore. L’“Audi valvelift system” (AVS) contribuisce ad aumentare ulteriormente potenza, coppia ed efficienza energetica, regolando su due livelli l’alzata delle valvole di scarico in base al carico e alla coppia.
Alcune caratteristiche del 2.0 TFSI sono state modificate per poter impiegare il motore nella Audi Q5 hybrid. L’azionamento meccanico dei gruppi ausiliari è stato rimosso, i cuscinetti dell’albero motore e la taratura del turbocompressore sono stati adattati alle speciali esigenze. Un impianto di immissione d’aria secondario ubicato nella testata garantisce una depurazione dei gas di scarico particolarmente rapida. La centralina del motore integra il cosiddetto “hybrid manager”, un sistema creato completamente dalla Audi per consentire un passaggio morbido ed efficiente fra le due modalità di trazione.
La trasmissione è affidata a un tiptronic a otto rapporti intensamente modificato e senza convertitore di coppia. La funzione di quest’ultimo è espletata dal motore elettrico stesso, combinato a una frizione a dischi in bagno d’olio. La frizione ha il compito di collegare o separare il motore elettrico dal TFSI. L’innovativo innesto funziona in ogni situazione con assoluta precisione, comfort e rapidità.
All’elevata efficienza energetica della Audi Q5 hybrid quattro contribuisce in larga misura anche il cambio ibrido, grazie all’ampia spaziatura dei suoi otto rapporti. Quando il 2.0 TFSI è disinserito, il livello della pressione dell’olio nell’impianto idraulico è mantenuto costante da una pompa elettrica, che assicura così la piena operatività della funzione Start&Stop.
L’impianto elettronico di potenza e il motore elettrico
L’impianto elettronico di potenza, collegato alla batteria e al motore elettrico tramite cavi di alta tensione è alloggiato nel serbatoio dell’acqua del vano motore. Si tratta di un inverter a pulsazioni che funge da regolatore fra la batteria, che eroga corrente continua, e il motore elettrico che funziona con corrente alternata.
Le tecnologie innovative hanno permesso di contenere il volume e il peso di questo sistema, raffreddato ad acqua da un circuito a bassa temperatura dedicato. Il sistema integra un convertitore DC/DC che collega e alimenta gli altri utilizzatori elettrici della rete di 12 Volt di bordo.
Il motore elettrico è del tipo sincrono a eccitazione permanente. Esso funge da motorino di avviamento e, in fase di rilascio dell’acceleratore, anche da alternatore. Sviluppa una potenza massima di 45 CV (33 kW) e una coppia di 211 Nm. Il motore elettrico è incluso nel circuito di raffreddamento del motore endotermico.
La batteria
L’accumulo di energia per il motore elettrico della Audi Q5 hybrid quattro è espletato da una batteria agli ioni di litio dal peso di soli 38 kg. L’unità compatta con un volume di 26 litri è collocata in una zona a prova d’urto sotto il pianale del bagagliaio e riduce solo minimamente la capienza di quest’ultimo. La batteria è composta da 72 celle; ha una tensione di 266 Volt, un valore energetico nominale di 1,3 kWh e una potenza di 39 kW.
La batteria agli ioni di litio viene raffreddata ad aria in due modi differenti a seconda delle esigenze. Quando la sollecitazione termica è bassa, la batteria utilizza l’aria temperata convogliata da una ventola ubicata nell’abitacolo. Quando la temperatura sale oltre un determinato valore viene attivato un impianto di raffreddamento proprio. Quest’ultimo è accoppiato al climatizzatore automatico principale della vettura e utilizza un evaporatore separato.
Le modalità di funzionamento
Con il suo sistema ibrido parallelo, la Audi Q5 hybrid quattro può funzionare in cinque modi diversi. Può muoversi solo con il motore a combustione, solo con quello elettrico o nella modalità ibrida; può inoltre recuperare energia e mettere in atto la funzione boost.
A vettura ferma, vale a dire prima della partenza o a un semaforo, entrambe le fonti di trazione sono disattivate. Il sistema Start&Stop comfort consente al climatizzatore automatico di rimanere attivo. Non appena il conducente rilascia il pedale del freno, la Audi Q5 hybrid quattro riparte elettricamente. Con la trazione esclusivamente elettrica, può raggiungere una velocità massima di 100 km/h, con una rumorosità pressoché impercettibile e zero emissioni. A una velocità costante di 60 km/h può percorrere circa 3 km. Questa elevata componente di marcia elettrica è sufficiente per la maggior parte delle zone abitative e molti centri storici.
Il conducente ha la possibilità di scegliere fra tre programmi diversi. La mappatura EV per la città predilige la trazione elettrica, il programma D utilizza entrambi i propulsori mirando a ottimizzare i consumi, mentre la modalità S, così come la selezione manuale delle marce del tiptronic, punta a uno stile di guida sportivo.
Quando il guidatore spinge a fondo l’acceleratore, è il motore a combustione a fornire la forza di trazione. Il funzionamento del motore elettrico viene regolato di conseguenza in base a una strategia di comando volta alla massima efficienza e al minimo consumo. Premendo l’acceleratore vigorosamente subentra la funzione boost e il motore elettrico interviene a supporto del TFSI. A tutto gas nella modalità S, per brevi momenti è messa a disposizione tutta la potenza del sistema. La propulsione ibrida presenta pertanto la capacità di ripresa di un potente motore aspirato, ma con un’efficienza energetica di ben altra portata.
Al rilascio del pedale dell’acceleratore, il motore elettrico funziona da alternatore e recupera energia. Il TFSI in questo caso è disaccoppiato nella maggior parte delle situazioni dalla trasmissione per non generare perdite da slittamento. La corrente elettrica che il motore elettrico recupera in questa fase e durante le frenate viene immagazzinata temporaneamente nella batteria agli ioni di litio. Quando il conducente frena solo leggermente, la decelerazione è effettuata unicamente dal motore elettrico; quando le frenate sono più energiche, invece, interviene parallelamente anche l’impianto frenante idraulico.
I comandi
Con la Audi Q5 hybrid nella strumentazione di bordo viene introdotto un sistema di visualizzazione completamente nuovo, che rende chiari e percettibili i singoli stati di funzionamento del sistema di propulsione ibrida. Sulla plancia portastrumenti, al posto del contagiri, è collocato il cosiddetto “powermetr”, il cui ago indica la potenza complessiva del sistema su una scala in percentuale da 0 a 100. Una seconda scala suddivisa in segmenti colorati verdi e arancioni ha il compito di informare in modo chiaro e immediato su come la Q5 hybrid quattro stia procedendo, ovvero in che misura siano attive la propulsione elettrica e quella a combustione. Il livello di carica della batteria è visualizzato da uno strumento aggiuntivo.
Contemporaneamente, il display del sistema d’informazione per il conducente e l’ampio monitor del sistema di navigazione MMI plus visualizzano gli stati di esercizio e i flussi di forze del sistema ibrido utilizzando eleganti grafici tridimensionali. Il monitor del sistema MMI indica inoltre una statistica differenziata del consumo e del recupero, in una rappresentazione con diagrammi a barre di facile comprensione.
Il sistema di navigazione MMI plus è montato di serie sulla Audi Q5 hybrid quattro e precisamente nella versione più aggiornata. La capacità di memoria del disco rigido è di 60 GB, i menu sono selezionati mediante una moderna interfaccia wizard e i titoli degli album sono visualizzati con le copertine dei CD. Un apparecchio esterno come un telefono cellulare o un lettore può essere connesso via Bluetooth, mentre il sistema di comando vocale è in grado di comprendere i nomi delle città e delle strade pronunciati in modo naturale, senza pause. Anche l’“Audi sound system” dalle sonorità piene e intense è compreso nella dotazione di serie.
La trazione quattro e l’autotelaio
La trazione integrale permanente quattro trasferisce sulla strada le forze di entrambi i motori in modo sicuro in ogni situazione. In condizioni normali essa presenta caratteristiche sportive che privilegiano il retrotreno, ma all’occorrenza trasferisce il grosso delle forze sull’asse con la trazione migliore. L’autotelaio elaborato consta di molti componenti in alluminio che ne riducono il peso. La Audi Q5 hybrid quattro può essere sollecitata sul gancio con un carico massimo trainabile di 2.000 kg.
Lo sterzo è di tipo elettromeccanico: è un motorino elettrico a creare la forza necessaria alla servoassistenza. Esso opera in modo molto efficiente poiché nella marcia in rettilineo non assorbe energia. L’unità servofreno è inoltre alimentata da un pompa a vuoto elettrica. Una complessa strategia d’intervento modula il processo di frenata adattandolo alle particolari esigenze dettate dalla trazione elettrica e dalla funzione di recupero di energia.
Gli esterni
La Audi Q5 hybrid quattro è riconoscibile da diverse scelte estetiche presenti sulla carrozzeria. Sul portellone posteriore, sui parafanghi e sui listelli di accesso in alluminio è applicata la scritta “hybrid”. La griglia del radiatore è in smalto nero lucido e i terminali di scarico sono adornati da mascherine cromate. Come verniciatura esclusiva è disponibile la tonalità argento polare metallico. I cerchi in lega di alluminio da 19” si presentano in uno speciale design hybrid, con dieci razze che ricordano le pale di una turbina. Gli pneumatici sono del tipo 235/55. A richiesta la Audi fornisce altri cerchi con diametri da 19” e 20”. La quattro GmbH mette a disposizione un paraurti in design S line.
La carrozzeria con cofano bagagli e cofano motore in alluminio è straordinariamente leggera. La scocca è costituita da molti elementi in forgiato a caldo che uniscono un peso ridotto a una resistenza elevatissima.
Nonostante disponga di un equipaggiamento di serie molto ricco, la Audi Q5 hybrid quattro con un peso a vuoto inferiore alle due tonnellate è il SUV ibrido più leggero al mondo. Il peso aggiuntivo provocato da tutti i componenti del sistema ibrido non supera i 130 kg.
Gli equipaggiamenti
Il climatizzatore automatico della Audi Q5 hybrid è stato adattato ai requisiti specifici di un sistema di propulsione ibrido. L’azionamento del compressore del climatizzatore è di tipo elettrico ad alta tensione. Esso opera in funzione del fabbisogno reale in modo altamente efficiente e assicura il funzionamento del climatizzatore anche quando il motore a combustione è disinserito. Per supportare la funzione di riscaldamento dell’abitacolo viene impiegato un riscaldatore elettrico supplementare.
La Audi Q5 hybrid quattro offre quasi gli stessi equipaggiamenti dei modelli di successo (la Q5 è leader di mercato in Europa nel segmento dei SUV di medie dimensioni) che l’hanno preceduta. Gli optional disponibili includono anche sistemi di assistenza alla guida altamente avanzati. Un nuovo optional è rappresentato dalla connessione Internet attraverso il telefono veicolare Bluetooth Online disponibile su richiesta. Un modulo UMTS crea la connessione con servizi speciali di Google e con il World Wide Web, fornendo al conducente informazioni meteo e notizie in tempo reale.
Il conducente può pianificare l’itinerario tranquillamente da casa, salvarlo in un’area di navigazione apposita della pagina Internet “www.audi.it” e, prima di iniziare il viaggio, caricarlo sul sistema di navigazione via UMTS. Tramite il collegamento rapido, il SUV ibrido scarica anche immagini tridimensionali satellitari da Google Earth e le visualizza con rappresentazione a volo d’uccello sul monitor; il computer traccia poi le strade.
Un altro elemento al vertice della tecnologia è l’hotspot WLAN che consente di collegare a Internet fino a otto apparecchiature terminali. La comunicazione avviene mediante l’antenna del tetto, il collegamento è molto stabile e la qualità di ricezione eccellente. Grazie a un processo di modulazione speciale, lo scambio di dati UMTS raggiunge una velocità massima di 7,2 MB al secondo. La cifratura basata sullo standard WPA 2 risulta molto sicura.
L’uso dell’hotspot WLAN è estremamente facile; il conducente deve solo inserire una scheda SIM compatibile con la trasmissione dei dati. Contemporaneamente può collegare il proprio cellulare all’impianto via Bluetooth a condizione che il cellulare disponga della funzione SIM Access Profile. Nella maggior parte dei casi il contratto di telefonia con opzione dati è sufficiente per godere del servizio senza che siano necessarie ulteriori stipule di contratto e maggiorazioni.
La Audi Q5 hybrid quattro sarà disponibile presso i Concessionari nel corso del 2011.
La Audi A1 e-tron: in città a emissioni zero
La Audi A1 e-tron è un veicolo che utilizza per la trazione esclusivamente la corrente elettrica. È un’auto versatile a quattro posti, progettata specialmente per l’uso nelle grandi metropoli e nei conglomerati urbani. Sono molti i dettagli che rivelano, nel loro insieme, il nuovo percorso intrapreso dalla Casa dei quattro anelli con la A1 e-tron. I componenti in carbonio esibiscono la competenza della Audi nell’ambito della costruzione leggera. Soluzioni come la totale connettività a Internet, con navigazione su Google e uno hotspot WLAN, rendono perfetta questa piccola-grande autovettura per un pubblico giovane e moderno.
L’esperienza di guida
La prima volta che si parte con una Audi A1 e-tron la sensazione è la stessa che si prova quando un aereo decolla, tanto imperiosa è l’accelerazione quando si preme sul pedale del gas. Ma la propulsione è assolutamente silenziosa; sono percepibili solo un leggero rollio e il fruscio aerodinamico. La guida procede fluida, non interrotta nemmeno dai cambi marcia o dalle pause d’innesto.
Quando si viaggia in un modo così confortevole e sportivo, si scopre un nuovo piacere di guidare, che non distoglie l’attenzione dalla strada. Una potenza silenziosa che trasmette un fascino speciale. La coppia elevata del motore elettrico è pronta a manifestarsi con tutto il suo vigore praticamente già al momento della partenza. L’esperienza di guida nella A1 e-tron è completamente diversa rispetto ai veicoli con motore endotermico.
Le soluzioni tecniche
La Audi A1 e-tron racchiude un concentrato di tecnologia intelligente e avanzata. Un gruppo batteria agli ioni di litio genera l’energia necessaria per la propulsione elettrica. Il conducente generalmente la carica collegandola alla presa elettrica di casa in tutta comodità. La batteria completamente carica consente di percorrere oltre 50 km, un’autonomia nella maggior parte dei casi più che sufficiente per gli spostamenti di lavoro quotidiani, come dimostrano numerosi studi.
Per percorrenze maggiori il conducente di questo Mega City Vehicle della Audi potrà contare sul cosiddetto range extender, un piccolo motore a benzina integrato che ricarica la batteria. Con il suo ausilio, l’autonomia della vettura sale a oltre 250 km. La trazione della Audi A1 e-tron rimane comunque sempre elettrica in quanto il range extender e le ruote motrici anteriori non sono collegati meccanicamente.
Anche i gruppi ausiliari della A1 e-tron sono elettrificati. Il climatizzatore è alimentato da un compressore ad alta tensione che opera in funzione del reale fabbisogno energetico; questo sistema è molto più efficiente delle tecnologie tradizionali. Anche il servosterzo è all’insegna dell’efficienza energetica con un funzionamento elettroidraulico, come nel modello di serie. Per produrre la depressione necessaria al servofreno integrato, l’impianto idraulico dei freni dispone di una pompa azionata elettricamente a seconda delle esigenze energetiche.
La compatta due porte eredita tutti i punti forti della serie Audi A1 quali un diametro di sterzata ridotto, una buona visione complessiva e una grande agilità. Il telaio è particolarmente bilanciato e combina il piacere della comodità a un carattere sportivo. Per rispondere ai trend del futuro, la A1 e-tron vanta anche una grande abitabilità degli interni e uno spazioso vano bagagli, entrambi agli stessi livelli della A1.
Il motore elettrico
Grazie alla sua posizione di installazione, ribassata e trasversale nel frontale, il motore sincrono della Audi A1 e-tron contribuisce a ottimizzare il baricentro della vettura. La potenza costante è di 61 CV (45 kW) e la coppia, disponibile fin da subito, è di 150 Nm. La potenza di picco si attesta a 102 CV (75 kW) e la coppia massima a 240 Nm. Queste prestazioni consentono alla piccola-grande Audi di scattare in 10,2 secondi da 0 a 100 km/h e di raggiungere una velocità massima di oltre 130 km/h.
Le coppie sono trasferite in modo fluido dal motore elettrico all’asse anteriore, mediante una trasmissione a rapporto singolo calettata direttamente sul motore. La leva del cambio deriva dal modello di serie ed è stata appositamente adattata. Le modalità di guida sono “D”, “R”, “N” e “Range”. Quest’ultima modalità prevede l’attivazione del range extender, inserito gradualmente dall’unità di controllo e gestito tenendo conto soprattutto della richiesta di carico e del livello energetico della batteria.
Nel vano motore accanto al motore elettrico si trova l’impianto elettronico di potenza, adibito al controllo della trazione elettrica. Anche l’inverter di corrente continua, che connette la rete di bordo a 14 volt con quella dell’alta alta tensione, l’unità di protezione elettrica dei componenti ad alta tensione e l’unità di ricarica sono alloggiati nella parte anteriore della vettura.
La batteria
Il gruppo batteria della Audi A1 e-tron presenta una forma a T ed è collocato sotto il tunnel centrale e i sedili posteriori, una posizione ideale in termini di ripartizione equilibrata dei pesi. La batteria agli ioni di litio opera a una tensione di 270 V e dispone di un livello di energia nominale di 12 kWh. Essa è mantenuta in un range di temperatura ottimale da un impianto di raffreddamento ad acqua.
Nella Audi A1 e-tron la presa dell’unità di ricarica si trova nel single-frame dietro i quattro anelli. La ricarica di una batteria completamente scarica richiede circa tre ore con la rete elettrica di 230 V, o anche meno di un’ora in condizioni ottimali utilizzando la rete elettrica trifase di 380 V.
Un display presente accanto alla presa del veicolo indica il tempo di ricarica rimanente e il livello di carica momentaneo. Tale valore e l’autonomia disponibile sono rilevabili anche nel display di informazione per il conducente sulla plancia.
Durante la marcia, il potente motore elettrico della A1 e-tron è in grado di trasformare l’energia dissipata in fase di frenata in corrente elettrica da immettere nella rete di bordo, svolgendo quindi la funzione di un alternatore. Il recupero di energia inizia non appena il conducente rilascia il piede dal pedale dell’acceleratore.
Tale recuperò è regolabile in cinque livelli tramite dei bilancieri al volante. Al livello 1 la decelerazione è leggera, al livello 5 molto intensa. Nel traffico cittadino la A1 e-tron è in grado di recuperare circa un terzo dell’energia di cui ha bisogno per spostarsi. Quando il conducente non accelera e non attiva i bilancieri, questo Mega City Vehicle non consuma alcuna energia, avanzando per inerzia come una barca a vela trasportata dal vento.
Il range extender
La funzione del range extender integrata nella Audi A1 e-tron è svolta da un piccolo motore Wankel con pistone rotante singolo. Esso dispone di una camera di lavoro di 254 cm3 e ruota a 5000 giri al minuto in maniera costante, sempre nel suo range ottimale di rendimento. Il motore a pistone rotante aziona un alternatore che genera fino a 20 CV (15 kW) di potenza di carica.
I maggiori pregi del motore Wankel sono il funzionamento privo di rumorosità e vibrazioni, le dimensioni ridotte e il peso estremamente contenuto. Insieme all’alternatore, l’intero gruppo pesa circa 65 kg. Questo valore comprende anche lo speciale impianto elettronico di potenza, i sistemi di aspirazione, di scarico e di raffreddamento, la capsula fonoassorbente e il telaietto di supporto.
Il consumo di benzina del range extender, secondo le proiezioni per la misurazione dei consumi dei veicoli con tale dispositivo, corrisponde a circa 1,9 litri ogni 100 km. Le emissioni di CO2 si attestano a soli 45 grammi per km. Per alimentarlo è necessario un serbatoio di carburante da 12 litri.
Il design
La Audi A1 e-tron ha una verniciatura speciale color Aquamint perla con tonalità di contrasto High gloss steel scuro per l’arco del tetto. Il tetto stesso, lo spoiler posteriore e altri componenti sono realizzati in vetroresina rinforzata con fibre di carbonio e dimostrano con chiarezza la competenza della Audi nell’ambito della costruzione leggera.
L’elemento diffusore posteriore è privo di terminali di scarico; una soluzione che mette in risalto la larghezza della vettura e il suo carattere ecologico. Sui parafanghi anteriori è applicata la scritta “e-tron”.
Gli interni e gli equipaggiamenti
Nell’ampio abitacolo della A1 e-tron gli inserti sulle porte e sulla consolle centrale sono rivestiti in pelle Milano griglio titanio. I comandi e i sistemi di visualizzazione sono di utilizzo molto semplice, come si conviene a una Audi.
Gli equipaggiamenti soddisfano tutti i desideri dei Clienti. Gli interni dalle linee leggere e sportive sono spaziosi e offrono diverse possibilità di connessione con sistemi quali l’iPod. Come ogni A1, anche la Audi A1 e-tron è sinonimo di spazio, musica, comunicazione, intelligenza e qualità. È una vettura per chi ha uno stile di vita moderno, ama i colori e le forme, la libertà e l’avventura.
Tra gli equipaggiamenti del Mega City Vehicle della Audi figurano anche il pacchetto luci interne a tecnologia LED e la più innovativa tra le soluzioni di infotainment: il potente sistema di navigazione MMI plus con disco fisso di 20 GB, monitor di 6,5’’ e rappresentazione cartografica tridimensionale.
La Audi A1 e-tron è connessa a Internet tramite un modulo UMTS. Offre pertanto le stesse innovative caratteristiche dell’ammiraglia Audi A8, quali il sistema di navigazione con cartografia Google Earth e uno hotspot WLAN al quale i passeggeri possono connettere i loro dispositivi mobili, per esempio un iPad. Il collegamento UMTS è veloce, sicuro e senza costi aggiuntivi.
La Audi R8 e-tron: trazione elettrica ad alte prestazioni
La Audi R8 e-tron è un’auto supersportiva a trazione puramente elettrica. I suoi quattro motori elettrici con potenza complessiva di 313 CV (230 kW) garantiscono prestazioni di guida brillanti. I motori possono essere comandati individualmente, un fatto che apre nuovi orizzonti nello sviluppo della trazione integrale permanente quattro.
L’idea
I quattro motori elettrici asincroni ripartiti tra l’asse anteriore e quello posteriore (2+2) fanno della R8 e-tron una vettura quattro. Il trasferimento della coppia motrice alle ruote ha luogo attraverso delle trasmissioni a un solo rapporto e alberi di lunghezza ridotta. Con una potenza di picco di 313 CV (230 kW) e una coppia massima di 4500 Nm disponibili già a vettura ferma la R8 e-tron fornisce prestazioni mozzafiato. Balza in 4,8 secondi da 0 a 100 km/h.
Questa R8 - un autentico concentrato di tecnologia - rientra nel top di gamma delle sportive elettriche. La sua conformazione risponde pienamente alle necessità strutturali dettate dall’impiego delle nuove tecnologie. La batteria agli ioni di litio di grandi dimensioni e raffreddata a liquido e l’impianto elettronico di potenza sono ad esempio collocati immediatamente dietro l’abitacolo. La scelta di questa posizione ottimizza il baricentro della vettura e la ripartizione dei pesi in un rapporto di 42:58 tra l’asse anteriore e quello posteriore, in maniera simile a quanto avviene per la R8 di serie con il suo motore FSI di 5,2 litri di cilindrata.
La R8 e-tron consente di comprendere quale sia la filosofia Audi in fatto di mobilità elettrica: è il risultato di una progettazione a tutto campo, che va al di là della pura sperimentazione della tecnologia delle batterie, o la semplice sostituzione di un motore endotermico con uno elettrico. La complessa interazione tra tutti i componenti svolge un ruolo decisivo in termini di efficienza energetica, autonomia di percorrenza e idoneità all’uso pratico.
L’approvvigionamento energetico
La batteria agli ioni di litio montata sulla Audi R8 e-tron è composta da celle singole di elevata densità energetica collegate in serie e in parallelo e garantisce un elevato trasferimento di potenza. Un sistema di gestione della batteria intelligente regola in maniera ottimale la disponibilità di energia in tutte le situazioni possibili. La batteria pesa 550 chili e accumula, 53 KWh di energia. La frazione realmente utilizzabile corrisponde a 42,4 kWh. Nella versione definitiva della Audi R8 e-tron essa consentirà di coprire una distanza di 250 km nelle condizioni di marcia definite nel ciclo di guida standard europeo NEDC.
La ricarica della batteria ha luogo mediante la presa domestica di 230 V e richiede, se completamente scarica, dalle 6 alle 8 ore. Utilizzando corrente trifase la ricarica dura attorno alle 2 ore e mezza. La batteria viene ricaricata anche quando la Audi R8 e-tron è in marcia grazie alla funzione di recupero che entra in azione nelle fasi di decelerazione e di frenata. I quattro motori elettrici sono in condizione di recuperare una notevole porzione di energia.
La dinamica di marcia
La ripartizione delle coppie di trazione elettrica della R8 e-tron privilegia senza dubbio il retrotreno. Analogamente alla Audi R8 di serie, in condizioni di marcia normali circa il 70% della coppia di trazione è trasferita alle ruote posteriori e il rimanente 30% a quelle anteriori. Quando le ruote di un asse tendono a perdere aderenza, la distribuzione della coppia varia di conseguenza nel giro di poche frazioni di secondo. La supersportiva a trazione elettrica offre pertanto tutti i maggiori vantaggi della tecnologia quattro.
La R8 e-tron gestisce anche la dinamica trasversale alla vettura mediante i suoi quattro motori. Essi consentono di controllare e modulare l’imbardata, accelerando solo specifiche ruote e ripartendo attivamente le coppie di trazione. Le tendenze al sovrasterzo o al sottosterzo sono compensate con precisione mediante opportune spinte e frenate di lieve entità. Anche in presenza di accelerazioni trasversali elevate, la supersportiva elettrica della Audi mantiene un comportamento esemplare e percorre le curve come se viaggiasse su un binario.
Anteriormente sono impiegati bracci triangolari doppi e al posteriore bracci trapezoidali in alluminio forgiato. Questa configurazione ha dimostrato ampiamente la sua validità nelle competizioni sportive, dove contano elevata dinamicità, massima precisione e un comportamento in curva esattamente prevedibile. La taratura di sospensioni e ammortizzatori è rigida, pur offrendo sufficiente comfort. La risposta dello sterzo a cremagliera con rapporto diretto è finemente differenziata. Il servosterzo è di tipo elettromeccanico e opera in funzione della velocità della vettura. Sulla Audi R8 e-tron sono montate ruote da 19".
Design
In strada la Audi R8 e-tron appare larga e muscolosa. Il frontale è dominato dalla griglia single-frame, affiancato da prese d’aria voluminose. Le proporzioni sono da supersportiva: 1,90 metri in larghezza, 4,43 metri in lunghezza e 1,25 metri in altezza. Il passo di 2,65 metri lascia spazio in abbondanza al guidatore e al passeggero.
Le strutture leggere rappresentano il presupposto fondamentale per l’efficienza e l’autonomia dei veicoli a trazione elettrica. Per questa ragione gli ingegneri Audi hanno attinto a piene mani a una delle competenze centrali della Casa. La carrozzeria è realizzata in alluminio nella tecnologia Audi Space Frame ASF e pesa meno di 200 chilogrammi. Essa contribuisce in maniera determinante a far sì che la Audi R8 e-tron pesi solo 1.600 chilogrammi.
Abitacolo e comandi
A differenza del modello di serie, la Audi R8 e-tron possiede un display grafico per la visualizzazione della modalità di marcia. È collocato tra i due grandi strumenti circolari, dei quali quello sinistro indica il livello di recupero e l’emissione di potenza. Il conducente può selezionare tramite dei tasti sul volante l’intensità del recupero e quindi agire direttamente sul livello di riassorbimento energetico e sulla forza frenante dei motori elettrici, al fine di allungare l’autonomia della e-tron.
La produzione di serie
La Audi R8 e-tron sarà in vendita in serie limitata verso la fine del 2012. La sua produzione è stata affidata alla quattro GmbH di Neckarsulm (Germania), azienda di comprovata esperienza nella costruzione di vetture sportive esclusive.
La mobilità elettrica: per ogni impiego, l’auto giusta
Nell’ambito della mobilità elettrica, la Audi sviluppa un’intera famiglia di autovetture, ognuna delle quali, grazie a un insieme molto articolato di soluzioni modulari, risulta perfettamente rispondente alle necessità di impiego dei Clienti.
La Audi suddivide i veicoli a trazione elettrica in due categorie. Una categoria è rappresentata dai veicoli full hybrid in grado di percorrere circa tre chilometri nella modalità puramente elettrica. Questi veicoli montano a bordo una batteria ad alte prestazioni. L’altra categoria comprende tutti i veicoli che montano invece una batteria ad alta densità energetica per coprire distanze più lunghe: i veicoli ibridi plug-in, i veicoli range-extender e i veicoli a trazione esclusivamente elettrica.
La Casa dei quattro anelli con la sua gamma vetture ha già dato una risposta alle sfide della mobilità elettrica. Molti modelli già prodotti in serie possono essere definiti dei veicoli microibridi in quanto dispongono dei sistemi Start&Stop e di recupero dell’energia in decelerazione. Il livello di elettrificazione immediatamente superiore è quello costituito dai veicoli ibridi leggeri, dotati di un piccolo motore elettrico con sola funzione di supporto al motore a combustione. Sulle vetture ibride integrali come la Audi Q5 hybrid quattro il motore elettrico presenta dimensioni notevolmente superiori. Esso è in grado di far avanzare il veicolo autonomamente per brevi tratti, per esempio nei centri cittadini o nelle aree urbane residenziali.
I veicoli muniti di batteria ad alta densità energetica sono in condizione di percorrere distanze più lunghe utilizzando la forza elettrica. I veicoli ibridi plug-in vengono ricaricati utilizzando la normale rete elettrica e sono in grado di viaggiare elettricamente per decine di chilometri. I veicoli range-extender come la Audi A1 e-tron possono coprire distanze di circa 50 km. L’autonomia dei veicoli puramente elettrici o di quelli alimentati a celle di combustibile è ancora maggiore.
La Audi progetta e produce veicoli che soddisfano e, addirittura, superano le aspettative dei Clienti. Per ogni ambito d’uso sarà a disposizione una soluzione perfettamente su misura. Quanto più piccole saranno le auto, tanto maggiore sarà il loro grado di elettrificazione. Le autovetture per l’uso in città si sposteranno in futuro esclusivamente utilizzando l’energia elettrica. Nella fase di transizione il fabbisogno in fatto di mobilità sarà coperto dalle soluzioni range-extender. Nella categoria superiore gli ibridi plug-in hanno dimostrato la loro validità anche come prima vettura. Gli ibridi integrali come la Audi Q5 hybrid quattro rappresentano generalmente delle scelte adeguate in tutte le categorie di vetture.
I motori elettrici e l’impianto elettronico di potenza
I motori elettrici e il cosiddetto impianto elettronico di potenza fanno parte dei componenti più importanti in un sistema di trazione elettrica. Si tratta di componenti molto complessi con caratteristiche alquanto diverse.
I motori elettrici sono dei campioni di versatilità: convincono per la loro affidabilità di funzionamento, pesano relativamente poco e si caratterizzano per rendimenti elevatissimi tra il 93 e il 97% in un range di rotazione molto ampio. Al contrario dei motori endotermici, i motori elettrici mettono a disposizione la loro coppia massima già a un numero di giri molto basso, de facto già al momento dell'avviamento. Per questo motivo sulla vetture a trazione completamente elettrica vengono in genere impiegate trasmissioni a un solo rapporto.
I motori elettrici impiegati dalla Audi per la trazione di veicoli possono essere suddivisi in due categorie. Una categoria è costituita dai cosiddetti motori asincroni. Essi non dispongono di magneti permanenti, sono di semplice conformazione, robusti e durevoli e non necessitano di intensa manutenzione. Non sono tuttavia particolarmente adatti ad essere integrati in sistemi con motore a combustione e cambio.
La seconda categoria è quella dei motori asincroni a eccitazione permanente. Grazie al loro elevato dispiego di potenza, qualora il tipo di impiego lo consenta, possono avere una struttura più compatta e leggera. Inoltre sono in grado di sviluppare coppie e rendimenti elevati a regimi bassi.
Le prestazioni di un motore elettrico dipendono dalla sua conformazione strutturale. Le dimensioni del motore, quali il diametro e la lunghezza, influiscono direttamente sui livelli di coppia e di potenza generati.
Sulle vetture a trazione ibrida della Audi come la Audi Q5 hybrid quattro sono impiegati motori asincroni permanentemente eccitati e progettati in particolare per generare coppie elevate. Dispongono di un diametro notevole, ma di una lunghezza di solo alcuni centimetri: una caratteristica che consente di inserirli facilmente tra il motore a combustione e il cambio. Il loro range ottimale di rotazione si aggira tra 500 e 5000 giri, armonizzandosi così al meglio con le caratteristiche di coppia del motore a combustione.
Per i veicoli che invece sfruttano spesso o di continuo la sorgente di forza elettrica si scelgono invece motori asincroni permanentemente eccitati ottimizzati per generare potenza piuttosto che coppia, o motori asincroni veloci. Il loro diametro è inferiore a quello dei motori elettrici ottimizzati per l'erogazione di coppia. Sono tuttavia più lunghi e il loro range di rotazione utile è molto più ampio.
Tutti i motori elettrici usati dalla Audi sono raffreddati a liquido affinché non superino la soglia di temperatura prescritta di 180 °C. Il fattore termico incide negativamente sulla potenzialità dei motori all'interno del sistema, tuttavia dei superamenti dei limiti di breve durata sono ammessi. Il motore elettrico della Audi A1 e-tron per esempio raggiunge una potenza costante di 61 CV (45 kW) e, per qualche istante, una potenza di soglia di 102 CV (75 kW).
Altissimo livello tecnologico: l'inverter a pulsazioni
L'impianto elettronico di potenza rappresenta l'unità più complessa e anche più costosa di tutta la linea di trasmissione di natura elettrica. Si tratta di un inverter a pulsazioni che svolge la funzione di convertire la corrente continua generata dalla batteria in corrente alternata necessaria per il funzionamento del motore elettrico.
Per esempio sulla Audi Q5 hybrid quattro l'inverter a pulsazioni deve saper gestire fino a 54 CV (40 kW) di potenza a una tensione nominale di 264 V. Ciò equivale ad accendere e spegnere 666 lampadine di 60 W ciascuna, variandone in continuazione la luminosità, a una frequenza di pochi centesimi di secondo. Il cuore del sistema è costituito da un modulo composto da diversi elementi a semiconduttore collegati reciprocamente, i cosiddetti IGBT (insulated-gate-bipolar transistor).
All'interno del sistema la temperatura raggiunge valori oltre i 100 C: il calore è dissipato da un liquido fatto fluire attraverso la scatola di metallo. L'ultima generazione dell'inverter a pulsazioni montato sulla Audi Q5 hybrid quattro è particolarmente compatto nelle dimensioni e occupa un volume di soli 6 litri. Esso accoglie anche il trasformatore dell'alta tensione continua per l'alimentazione a 12 V della rete di bordo della vettura.
La batteria: un sistema estremamente complesso
In un sistema di propulsione elettrica di qualsivoglia natura il ruolo più importante è sempre ricoperto dalla batteria. Essa è un sistema estremamente complesso, e molto più di una pila di singole celle collegate insieme. La Audi è impegnata nello sviluppo di batterie che soddisfino le esigenze più elevate.
Già al momento del suo primo passo nella mobilità elettrica la Audi non concede spazio a compromessi: la batteria della Audi Q5 hybrid quattro è realizzata nella modernissima tecnologia agli ioni di litio (Li-Ion). Si tratta di un espressione che abbraccia un vasto ambito tecnologico, ricco di opportunità e di sfide che riguardano tutti gli aspetti inerenti a una batteria, quali il peso, la capacità energetica, gli ingombri, la sicurezza, la durata di vita e, non ultimo, i costi.
La Audi suddivide le batterie agli ioni di litio in due categorie distinte. Una categoria comprende le batterie ad alte prestazioni per l’impiego in veicoli ibridi come la Audi Q5 hybrid quattro, e l’altra le batterie ad alta energia per veicoli destinati a percorrere elettricamente distanze più lunghe, come la R8 e-tron.
Il fattore decisivo per l’autonomia di percorrenza di un veicolo è rappresentato dal livello di energia che una batteria è in condizione di accumulare, e viene espresso in kilowattora (kWh). La densità energetica si ricava mettendo in relazione l’energia accumulabile dalla batteria con la sua massa. Attualmente le batterie agli ioni di litio per la trazione automobilistica raggiungono una densità di circa 0,14 kWh per chilogrammo. Superano pertanto le batterie al piombo del fattore 4, ma rimangono ancora del 40% al di sotto delle batterie Li-Ion impiegate su telefoni cellulari, notebook ecc.
La durata di vita di una batteria agli ioni di litio montata su un veicolo si aggira sui dieci anni, a condizione che essa sia stata sempre mantenuta a temperatura idonea. La durata di vita è influenzata dal genere di sollecitazione e dall’intensità delle azioni di prelievo e di apporto di carica. Una ricarica rapida effettuata abitualmente con correnti di potenza elevata, o frequenti scaricamenti completi provocano un invecchiamento precoce della batteria.
Le batterie ad alte prestazioni vengono di regola scaricate fino a un livello SOC (state of charge) del 50% mentre le batterie ad alta energia possono essere scaricate anche dell’80%. Se si rispettano le limitazioni indicate, le batterie possono sopportare migliaia di cicli di carica e di scarica prima di perdere sensibilmente la loro funzionalità.
È inoltre indispensabile evitare di scaricare la batteria completamente o di caricarla eccessivamente, pena il rischio di distruggerne le celle. Tale rischio è comunque controllato dall’adozione di numerose misure di sicurezza. La temperatura è monitorata con precisione da appositi sensori, mentre delle protezioni elettriche e delle valvole di sovrapressione impediscono la generazione di reazioni a catena all’interno del sistema. In linea di principio è compito del costruttore delle batterie scegliere materiali di alto grado di purezza, adottare un processo veloce e al contempo stabile e intraprendere le misure necessarie ad assicurare la qualità.
Il flusso di corrente genera calore in quantità considerevoli, pertanto è determinante ricorrere a un impianto di raffreddamento che mantenga la temperatura della batteria entro i limiti dovuti di 25 e 45°C. Temperature più basse o più alte, quest’ultime anche quando la batteria non è in funzione, incidono negativamente sulla durata di vita. Un’ulteriore funzione svolta dall’impianto di raffreddamento è compensare la differenza di temperatura che si manifesta tra le singole celle. Il fenomeno di invecchiamento precoce non progredisce quando questa differenza rimane al di sotto di 5°C.
Il raffreddamento può aver luogo con aria o con liquido. Anche in questo contesto devono essere valutati diversi fattori. Per esempio la rumorosità della ventola di raffreddamento deve essere tale da non infastidire gli occupanti della vettura. Al contempo deve indirizzare l’aria verso la batteria con un flusso omogeneo e diretto senza dispersioni; la batteria non deve essere inoltre troppo grossa o troppo pesante.
L’Associazione dell’industria automobilistica tedesca VDA lavora in collaborazione con le case costruttrici alla definizione di standard di unificazione per celle di batteria. Le celle prismatiche al centro dell’interesse attuale generano una potenza compresa tra 500 Watt (per veicoli ibridi) e oltre 1.500 Watt (per veicoli elettrici potenti). Il loro volume va da circa 130 cm3 a 900 cm3. Rispetto alle celle cilindriche, le celle piatte possono dissipare più facilmente il calore grazie a un migliore rapporto tra superficie e volume. Inoltre presentano ingombri ridotti, essendo possibile montarle una accanto all’atra.
Oltre alle celle e all’impianto di raffreddamento, il tema delle batterie contempla anche altri componenti. Essi sono gli attacchi di alta tensione e di servizio, il sistema elettronico di controllo, le parti elettromeccaniche, l’involucro e, infine, i sensori e gli attuatori. I costi attualmente molto alti dei sistemi batteria sono da ricondurre proprio all’insieme di tutti questi componenti e alla loro integrazione reciproca. Una batteria agli ioni di litio costa infatti diverse centinaia di euro per ogni chilowattora prodotto. I primi smorzamenti derivanti dalla produzione in larga scala stanno già subentrando e la Audi prevede un dimezzamento dei costi nel giro dei prossimi 10 anni.
Batterie cariche: per viaggiare veloci, sicuri e con maggiore autonomia
L’autonomia di una vettura a trazione elettrica è un fattore di fondamentale importanza per la mobilità elettrica, così come anche la ricarica della batteria adibita alla trazione. Sono state messe a punto molteplici soluzioni, ognuna adatta a specifiche esigenze. La Audi individua tre tipi di ricarica: standard, senza contatti e rapida.
La situazione può essere esemplificata ricorrendo a dei calcoli di riferimento. Una vettura a trazione elettrica classica con una batteria di 20 kWh di energia e un consumo di 15 kWh ogni 100 km è in condizione, in linea teorica, di percorrere una distanza di 133 km. Integrando nella proiezione di calcolo un margine di sicurezza di ca. il 25%, l’autonomia si attesta su un valore di 100 km. L’energia consumata di 15 kWh deve essere nuovamente immessa nella batteria.
Il metodo standard è innanzitutto quello di usare un cavo. La potenza di trasferimento dipende soprattutto dalla potenza disponibile fornita dalla presa di corrente. Utilizzando la rete elettrica domestica monofase di 230 V, la potenza di carica ammonta a 3,6 kW. Utilizzando invece una corrente di rete trifase di 400 V, la potenza di carica raggiunge un valore di 11 kW, o di 22 kW, a seconda del livello di protezione per ogni fase (16 o 32 Ampere). La Audi si dedica pertanto allo sviluppo di caricabatteria di bordo con potenze comprese tra 3,6 kW e 22 kW. I caricabatteria di bordo hanno la funzione di convertire la corrente alternata AC in corrente continua CC necessaria alla batteria di trazione.
Collegandosi a una presa elettrica comune monofase di 230 V, la ricarica della batteria richiederebbe in base alle proiezioni di calcolo circa sei ore, a condizione che i 2,5 kW siano utilizzati interamente per la ricarica diretta della batteria. Collegando invece il veicolo con un caricabatteria di 22 kW a una apposita stazione di ricarica o a una presa di corrente trifase, la durata della ricarica si ridurrebbe a 45 minuti.
In contemporanea la Audi, in cooperazione con un partner di progetto, è dedita a degli studi su un sistema di ricarica innovativo e promettente, ovvero su punti di ricarica privi di contatti in cui l’operazione di carica abbia luogo per induzione mentre il veicolo è fermo in parcheggio.
Un circuito elettrico integrato a terra genera un campo elettromagnetico che interagisce con un circuito secondario complementare montato sul veicolo. Mediante il fenomeno dell’induzione, nel circuito secondario del veicolo viene generata corrente elettrica alternata, la quale, dopo essere stata assorbita e convertita, viene usata per alimentare la batteria. L’aspetto interessante di questa soluzione è rappresentato dall’elevato comfort per il Cliente, essendo le operazioni di avvio e di arresto della ricarica completamente automatiche. Sulla base degli studi attuali, il trasferimento energetico può raggiungere un rendimento del 90%.
I calcoli assumono un significato diverso qualora il conducente di una vettura elettrica desideri percorrere un percorso più lungo in giornata. Secondo le proiezioni di calcolo, per coprire una distanza di 230 km sono richiesti circa 35 kWh. In questo caso quindi è necessario effettuare una sosta per caricare i 15-20 kWh mancanti. Siccome il conducente è obbligato ad attendere la fine dell’operazione di ricarica, è auspicabile abbreviare quest’ultima il più possibile.
Per raggiungere questo risultato si perseguono attualmente due strade. La prima ipotesi è di installare depositi di ricambio per batterie, ma la Audi non guarda con favore a questa soluzione per via dei problemi inerenti alla strutturazione della vettura e alla maneggevolezza. La seconda ipotesi, più interessante, è quella di servirsi di stazioni di ricarica a corrente continua. I veicoli potrebbero rinunciare all’installazione dei caricabatteria poiché essi sarebbero già in dotazione alle stazioni di ricarica stesse. Dalle proiezioni di calcolo emerge che il veicolo dovrebbe sostare a una stazione di questo tipo - con una potenza emessa di 50 kW - per soli venti minuti prima di poter ripartire con la batteria carica.
Per concretizzare l’idea di una ricarica a corrente continua, la Audi supporta lo sviluppo di un sistema di connettori modulare costituito dai connettori AC IEC 62196-2 Tipo 1 e Tipo 2 e da un connettore aggiuntivo CC.
Anche la conformazione delle stazioni di ricarica a corrente continua presenta aspetti differenti. Esse possono mettere a disposizione tramite wallbox (caricabatteria esterni) 11 o 22 kW per la ricarica oppure offrire una potenza massima di 50 kW come già sta avvenendo con successo sul mercato asiatico. In linea di principio sono plausibili anche stazioni di ricarica con potenze fino a 150 kW. Il peso e le dimensioni non risultano problematici, poiché esse possono essere integrate nell’attuale infrastruttura dei distributori di carburante.
Tuttavia è opportuno tenere in considerazione che più bassa è la potenza di carica, migliore è l’effetto di ricarica conseguito per quanto riguarda la durata di vita e l’efficienza della batteria. Sarebbe opportuno optare per una ricarica veloce quando il fattore tempo ha una maggiore priorità per il Cliente.
La Audi presume che si affermeranno contemporaneamente diverse modalità di ricarica a seconda delle specifiche esigenze applicative. Operazioni di ricarica con potenze fino a 3,6 kW potranno essere tranquillamente effettuate dalla presa domestica o tramite sistemi a induzione. Per potenze di ricarica superiori si prospetta la probabilità di stazioni di ricarica a corrente continua o tramite rete elettrica trifase.
I sistemi di gestione termica: i flussi di calore
Le batterie adibite alla trazione di veicoli necessitano di un impianto di raffreddamento molto complesso. Già oggi il Marchio dei quattro anelli è al lavoro per sviluppare un impianto di gestione del calore adeguato ai requisiti delle vetture del domani. Si tratta di una soluzione estremamente sofisticata che apre la strada ad applicazioni nuove e promettenti.
La batteria agli ioni di litio della Audi Q5 hybrid quattro occupa un volume di 80 litri e pesa 38 kg. La batteria deve essere raffreddata per dissipare il calore generato dal flusso di corrente durante le fasi di carica e di scarica. Inoltre le batterie agli ioni di litio, sia a riposo sia in funzione, sono obbligate a operare entro un range di temperatura relativamente ristretto, oltre al quale subirebbero altrimenti un effetto di invecchiamento precoce.
Gli ingegneri della Audi applicano in questo contesto il loro know-how tecnico acquisito in anni di studi e ricerche nell’ambito della climatizzazione. La soluzione di raffreddamento doppia da essi sviluppata per questo SUV dalle alte prestazioni si distingue da quella degli altri veicoli ibridi.
A seconda della situazione contingente, è attivo infatti solo uno dei due circuiti di raffreddamento. Il circuito passivo sfrutta l’aria temperata proveniente dall’abitacolo. L’aria è aspirata da una ventola radiale posizionata di fronte alla batteria ed è convogliata verso il corpo di essa nel quale sono ricavati degli appositi canali. Questo accorgimento consente di mantenere in molte situazioni la temperatura della batteria al valore di 37 °C, ideale per il suo corretto funzionamento. L’andamento della temperatura è controllato da sei sensori integrati. La potenza di raffreddamento fornita da questo circuito passivo ammonta a 0,5 kW.
Al superamento della soglia di 37 °C interviene il circuito di raffreddamento attivo, in grado di fornire una potenza di raffreddamento anche di 1,4 kW. Esso è accoppiato all’impianto di climatizzazione della vettura e utilizza un evaporatore proprio. L’aria, che attraversando la batteria si è surriscaldata, viene raffreddata dall’evaporatore e convogliata nuovamente verso la batteria.
Quando la temperatura tende a salire, il sistema di gestione della batteria richiede in proporzione una potenza sempre maggiore, fino al raggiungimento di 55 gradi, superati i quali la funzione di trazione ibrida viene disattivata.
L’impianto di raffreddamento a circuito doppio, che nonostante il suo rendimento pesa solo 5 chili, presenta diversi vantaggi rispetto a un sistema di raffreddamento passivo semplice. Il maggiore punto di forza è rappresentato dal fatto che il conducente può sollecitare intensamente la batteria richiedendole elevate correnti di carica e di scarica sia in inverno sia in estate. In tal caso la dispersione di calore può anche raddoppiare rispetto a una condotta di guida rilassata, ma per il conducente non cambia nulla.
Nella modalità di trazione elettrica, la Audi Q5 hybrid raggiunge la velocità massima di 100 km/h, e mantenendo una velocità di crociera costante di 60 km/h è in grado di avanzare per 3 km. Questa componente di propulsione elettrica consente al Cliente di risparmiare carburante e costi. Nella bella stagione, quando l’autovettura è ferma all’aperto, la temperatura della batteria può surriscaldarsi anche oltre i 50 °C. In questo caso la Audi Q5 hybrid viene avviata con il motore a benzina TFSI, ma dopo una breve fase iniziale in cui l’impianto di raffreddamento attivo comincia ad aver effetto, può passare alla modalità di trazione elettrica. Se montasse unicamente un impianto di raffreddamento passivo, quasta fase iniziale durerebbe tre volte tanto.
Sentieri inesplorati: batterie raffreddate a liquido
L’impianto di raffreddamento attualmente montato sulla Audi Q5 hybrid quattro rappresenta solamente il primo passo del percorso che la Audi ha intrapreso in questo campo. Per applicazioni future gli ingegneri Audi prevedono l’utilizzo di altre soluzioni innovative, come per esempio un impianto di raffreddamento a liquido. Questa soluzione richiede una minore potenza di azionamento e minori ingombri, e permette di gestire il bilancio termico della batteria in maniera più efficiente e omogenea agendo sul livello di temperature delle singole celle. Questa tecnologia viene già sperimentata a bordo della Audi A1 e-tron.
L’ambito tecnico della gestione del calore non interessa solo il metodo di raffreddamento della batteria ma si estende a tutto il veicolo. Nella Audi Q5 hybrid quattro la strategia di raffreddamento complessiva coinvolge già ora sia il motore per la trazione elettrica sia l’impianto elettronico di potenza. Il motore elettrico è infatti collegato con il circuito di raffreddamento del motore a combustione e l’inverter a pulsazioni è alimentato da un impianto a bassa temperatura dedicato.
Un successivo passo in avanti verso un maggior comfort per il Cliente riguarda il climatizzatore generale. Esso non è soggetto a limitazioni di funzionamento e svolge la sua normale funzione anche quando il motore a benzina TFSI 2.0 della Audi Q5 è disinserito. L’unità preposta alla compressione del fluido refrigerante funziona elettricamente e non presenta la classica conformazione a pistone alternativo azionata dal motore a combustione mediante una trasmissione a cinghia. La regolazione variabile in funzione del fabbisogno reale di questo cosiddetto compressore scroll è garante di un rendimento energetico particolarmente efficiente.
La sfida: rinunciare del tutto al motore a scoppio
Per le vetture puramente elettriche come la Audi R8 e-tron la Audi è alla ricerca di soluzioni radicalmente nuove. Per il riscaldamento dell’abitacolo sono tuttora oggetto di interesse teorico elementi termici convenzionali a coefficiente di temperatura positivo (PTC) o scambiatori di calore termoelettrici. Nella pratica la loro efficienza energetica è tuttavia ancora insoddisfacente. L’attivazione di un elemento termico PTC di 6 kW di potenza a una temperatura ambiente di -20 °C comporterebbe un dimezzamento dell’autonomia di percorrenza della vettura. Con -10°C e 4 kW di potenza assorbita per il riscaldamento l’autonomia si ridurrebbe al 30%.
La strada maestra della Audi: la pompa di calore
Su una vettura a propulsione elettrica conta ogni joule di energia. Per questa ragione la Audi, nelle sue ricerche, batte la strada maestra diretta verso la pompa di calore, una tecnologia nota nel riscaldamento degli edifici. Questa tecnica è molto efficiente dal punto di vista del bilancio energetico e può utilizzare l’acqua come sorgente termica.
Dal punto di vista strutturale, la pompa di calore si basa sul classico ciclo di raffreddamento, al quale viene aggiunto, tra l’altro, un ulteriore condensatore. Esso svolge il compito di condensare e raffreddare il fluido refrigerante precedentemente compresso e riscaldato dal compressore su livelli elevati. Al termine della fase di espansione il fluido è ceduto a un altro condensatore con funzione di evaporatore, dove assorbe il calore dall’ambiente circostante.
Tuttavia l’uso di pompe di calore richiede una strategia di regolazione altamente dinamica ed estremamente complessa. Lo studio e-tron offre alla Audi la possibilità di accumulare già ora le prime esperienze, molto prima di introdurre la nuova tecnologia nella produzione di serie.
Nel loro lavoro di ricerca gli ingegneri Audi possono ricorrere a una vasta gamma di banchi di prova, tra i quali una camera climatica in cui le vetture con le nuove tecnologie a bordo e i vari prototipi vengono sottoposti a cicli di prova di ogni genere a temperature estremamente basse ed estremamente alte.
Da circa due anni è in servizio anche una piattaforma di simulazione modulare. Essa consente di analizzare al computer le prestazioni di guida della vettura nonché il comportamento di tutti i componenti più importanti nell’ambito della climatizzazione, della fluidodinamica, della propulsione e della rete elettrica di bordo. Tutte le simulazioni godono di un alto livello di interconnessione e offrono così a tutto il personale tecnico un accesso globale ai dati in ogni momento. I progressi nello sviluppo di tecniche e componenti possono pertanto essere valutati nel loro insieme.
Il cellulare come computer di bordo:
nuove soluzioni di visualizzazione in casa Audi
nuove soluzioni di visualizzazione in casa Audi
I veicoli a trazione elettrica sono oggi ancora lontani dall’affidabilità, in termini di percorrenza, che caratterizza le vetture con motore endotermico. Per questo motivo la Audi cerca soluzioni di visualizzazione che consentano al Cliente di pianificare con sicurezza la propria mobilità. La prima fase di sviluppo ha fornito una soluzione in cui il conducente è informato in modo dettagliato sull’autonomia momentanea della vettura. La fase di sviluppo successiva prevede un’interconnessione tra il sistema di gestione della carica sulla vettura e il telefono cellulare del Cliente, al fine di consentirgli di monitorare e programmare le operazioni di carica anche a distanza.
La nuova idea per la visualizzazione dell’autonomia si basa su un’analisi di possibili percorsi alternativi. Il calcolatore del sistema di navigazione includerebbe nei calcoli anche l’andamento delle curve, il profilo altimetrico e i limiti di velocità. Dall’insieme di tutti questi dati pronosticherebbe quindi il consumo di energia. Oltre a quelli momentanei, anche i dati raccolti in precedenza confluirebbero nelle proiezioni di questo sistema di assistenza dall’apprendimento dinamico.
La distanza percorribile verrebbe quindi contrassegnata sul monitor dell’MMI in maniera luminosa su una cartina mantenuta appositamente scura. L’evidenziazione grafica della distanza percorribile seguirebbe la posizione dell’auto contraendosi o espandendosi a seconda che il consumo tenda ad aumentare o a calare.
In una fase ancora successiva saranno a disposizione del sistema di gestione dell’energia anche dati ambientali. Nel momento in cui il calcolatore di bordo di un veicolo a trazione elettrica avrà appreso dettagliatamente le caratteristiche del tragitto da percorrere, esso potrà impostare una strategia di azione mirata a un uso razionale dell’energia messa a disposizione dalla batteria.
Un controllo completo dell’auto elettrica
Un altro progetto futuristico inerente ai metodi di comando e di informazione guarda al telefono cellulare del conducente. Gli specialisti della Audi del gruppo di lavoro "Pianificazione della mobilità elettrica" stanno sperimentando un applicazione che per ora gira sull’iPhone e prossimamente anche su altri smartphone con sistemi operativi differenti. Mediante un server protetto della Audi, i telefoni cellulari possono connettersi con un modulo ricevitore montato sul veicolo. Il modulo comunica con il sistema di gestione della carica e con altri sistemi.
Il conducente può così tramite la rete di telefonia mobile informarsi sullo stato momentaneo della sua vettura e ottenere informazioni direttamente sul suo telefono cellulare riguardo al livello del liquido dei tergicristalli, allo stato di chiusura delle porte e dei finestrini e, soprattutto, riguardo al livello di carica della batteria. Le informazioni sono di facile comprensione in forma di brevi messaggi, numeri e simboli. L’autonomia restante è visualizzata graficamente su una cartina stradale. Su richiesta potrà essere visualizzata anche la posizione della vettura: una funzione estremamente utile quando l’auto è ferma in un grande parcheggio.
Quando l’auto viene ricaricata in un’apposita stazione, il conducente può seguire sul telefonino i dati più importanti del processo di ricarica mentre ne attende la conclusione. La stessa funzione è a sua disposizione quando l’auto in garage è collegata alla rete elettrica domestica. Per definire fino a che livello la batteria debba essere ricaricata, al conducente basta inviare un messaggio indicante i chilometri che desidera percorrere. Egli riceverà sul telefonino un avviso corrispondente non appena la batteria avrà raggiunto il livello di carica sufficiente. Il Cliente può richiamare le informazioni sul livello di carica anche quando l’auto non è collegata all’infrastruttura di ricarica.
Il progetto "Pianificazione della mobilità elettrica" include inoltre una funzione agenda, che gestisce i cicli di ricarica di routine dalla presa di casa. Chi percorre lo stesso tragitto ogni giorno per recarsi al lavoro, può programmare un piano di ricarica consuetudinario. Un avviso è inviato tempestivamente anche al manifestarsi di problemi, ad esempio per essersi dimenticati di inserire la spina.
Con l’ausilio di ulteriori parametri è possibile configurare le caratteristiche della ricarica. Ad esempio una ricarica a tariffa notturna può influire positivamente sulla bolletta della corrente elettrica. È altresì possibile programmare il sistema affinché riscaldi l’abitacolo durante l’operazione di ricarica. Grazie a questo riscaldamento anticipato la batteria è sollecitata di meno durante la marcia del veicolo, in quanto è richiesta meno energia per la climatizzazione, a vantaggio anche dell’autonomia di percorrenza.
Le potenzialità di questa applicazione e l’efficienza della funzioni illustrate sono tuttora in fase di sperimentazione pratica su una serie di vetture Audi A1 e-tron a Monaco di Baviera. I veicoli, sulla strada presumibilmente fino a metà 2011, hanno a bordo il software e l’hardware necessari. Questa sperimentazione sul campo ha diverse finalità. Oltre all’acquisizione di esperienze sul comportamento della vettura è al centro dell’attenzione anche il trasferimento di dati tra il veicolo e il guidatore.
Il recupero di energia:
come sfruttare con intelligenza l’energia generata dalla frenata
come sfruttare con intelligenza l’energia generata dalla frenata
Il recupero di energia rappresenta una delle funzioni centrali per la riduzione dei consumi sui veicoli a trazione elettrica e ibridi. Il recupero di energia consiste nella trasformazione in elettricità dell’energia cinetica del veicolo in fase di frenata e nel suo incameramento nella batteria di trazione, così da poterla utilizzare quando il veicolo richiede potenza per l’accelerazione.
La funzione di recupero si serve di tutti i componenti della linea di trasmissione di natura elettrica. Nella fase di decelerazione, il motore elettrico preposto alla trazione funge da alternatore. Esso trasforma la forza meccanica proveniente dalle ruote in forza elettrica sotto forma di corrente trifase, convertita a sua volta dall’inverter di potenza in corrente continua ad alta tensione e immagazzinata nella batteria anch’essa ad alta tensione. Il processo è controllato da un software.
La grandezza primaria che definisce la caratteristica del processo è l’intensità della frenata impartita dal conducente. Per questo motivo, la Audi Q5 hybrid quattro e le altre vetture elettriche o ibride della Audi montano appositi sensori di corsa sul pedale del freno e dell’acceleratore, che ne rilevano gli spostamenti. Una parte di energia viene recuperata già nel momento in cui il conducente rilascia il pedale destro. Durante la frenata vera e propria, il livello di energia recuperata aumenta in maniera corrispondente.
Il software di recupero energia controlla il processo di decelerazione ripartendolo opportunamente tra i motori elettrici e i freni meccanici sulle ruote. Il compito di decelerare la vettura è svolto sempre in misura maggiore dai motori elettrici. Tuttavia i freni meccanici continuano a esercitare un ruolo importante anche sulle vetture elettriche e ibride.
Infatti i motori elettrici non sono in grado di generare coppie di frenata statiche a vettura ferma, senza un apporto di energia. Inoltre le coppie di frenata da loro sviluppate non sono sufficienti per frenate decise come a esempio le frenate di emergenza. A ciò si aggiunge il fatto che l’efficacia della frenata di origine elettromeccanica varia in funzione di diversi fattori, quali a esempio la velocità del veicolo e il bilancio energetico momentaneo della batteria: una batteria completamente carica subirebbe dei danneggiamenti se continuasse ad assorbire energia in fase di recupero.
Il criterio decisivo per il conducente che intende frenare la vettura con un recupero dell’energia è quello di gestire il pedale del freno in modo da ottenere un effetto frenante costante e prevedibile. Per garantire questo comportamento, la Audi ha installato sulla Audi Q5 hybrid quattro un impianto frenante progettato specificamente per operare in sintonia con il sistema di recupero dell’energia.
Già da oggi il Marchio dei quattro anelli attua un intenso lavoro di ricerca al fine di ottimizzare al massimo la distribuzione delle coppie di decelerazione tra i motori elettrici e i freni meccanici sulle ruote. In tal senso, sono previste soluzioni con freni totalmente elettrici o con servofreni elettromeccanici, a seconda del tipo di veicolo. In entrambi i casi il meccanismo di azionamento dei freni non è collegato direttamente con i freni meccanici, a favore di una ripartizione libera e variabile delle coppie di frenata e di un’interazione precisa e senza soluzione di continuità tra il sistema meccanico e quello elettrico.
In situazioni di guida reali, questa soluzione consente, nella maggior parte dei casi, di ottenere una decelerazione solo mediante l’intervento dei motori elettrici. I freni meccanici si rendono necessari in poche altre situazioni, ovvero quando la vettura è ferma o procede lentamente, o quando sono richieste forze frenanti molto elevate. La funzione di recupero dell’energia è coordinata con il programma elettronico di stabilizzazione (ESP). Quando la vettura tende a perdere stabilità, l’effetto frenante di origine elettrica viene immediatamente ridotto, e il compito di rallentare la vettura e di stabilizzarne la tenuta su strada viene immediatamente assunto dai freni meccanici mediante interventi mirati su ogni ruota.
Il conducente è sempre informato sul livello momentaneo di energia recuperata. Nel cosiddetto “powermeter” montato sulle vetture ibride della Audi è integrata anche un’indicazione dell’energia riassorbita dal sistema di recupero. Esso fornisce anche informazioni sull’intensità dell’azione frenante esercitata dai freni meccanici. Il conducente è in grado in questo modo di sfruttare al massimo il potenziale di risparmio offerto dal sistema di recupero e di ridurre quindi attivamente il consumo di carburante.
L’impianto frenante elettromeccanico
Il complesso di soluzioni tecniche modulari concepite dalla Audi per la trazione elettrica è innovativo e multiforme. Tra le nuove tecnologie spiccano i cosiddetti freni EHC, che accoppiano l’azionamento idraulico convenzionale a uno elettromeccanico.
L’impianto frenante EHC (freno elettroidraulico combinato), che nasce da anni di ricerche e sperimentazioni, unisce i vantaggi di due differenti metodologie di frenata: sull’avantreno sono impiegati freni idraulici classici, mentre sul retrotreno operano unità frenanti elettromeccaniche. Un motorino elettrico controllato da una centralina integrata nella pinza del freno è alimentato dalla rete di bordo a 14 V. Esso provvede a spingere la guarnizione di attrito contro il disco del freno tramite un riduttore con vite a ricircolo di sfere. Questa operazione richiede pochi centesimi di secondo.
La struttura di base del freno elettromeccanico ricalca quella di un freno a pinza flottante, in cui la pinza avvolgente può traslare assialmente non essendo vincolata in maniera rigida al suo supporto. I freni a pinza flottante dispongono su ogni lato di un solo pistone; i loro punti di forza risiedono nell’eccellente modulabilità della regolazione, nella loro silenziosità di funzionamento e nel ridotto livello di vibrazioni.
Uno degli aspetti più importanti della trazione elettrica è rappresentato dalla funzione di recupero dell’energia. In molte situazioni i freni delle ruote espletano solo una parte del lavoro di frenatura; la parte rimanente è svolta dal motore elettrico che in questi frangenti funge da alternatore. In questa circostanza i freni EHC rivelano tutte le loro qualità. Essi scompongono la coppia frenante richiesta dal pedale del freno e consentono una transizione fluida e automatica fra la frenatura elettrica, ovvero l’azione di recupero elettrico, e l’azione di frenatura meccanica. Indipendentemente dall’intensità di azionamento sul pedale del freno, il conducente ottiene sempre una risposta costante e finemente differenziata.
L’azionamento by-wire dei freni posteriori denota ulteriori aspetti positivi quali una risposta più rapida, una frenata potente e una modulabilità estremamente precisa, anche in caso di intervento esterno da parte del programma elettronico di stabilizzazione ESP. Inoltre scompare l’attrito causato dal leggero strisciare delle guarnizioni sui dischi caratteristico dei freni idraulici convenzionali.
La ripartizione della forza frenante e la pressione possono essere regolate a seconda della necessità, in funzione a esempio del carico della vettura o della presenza di un rimorchio. Il sistema non necessita di condotti idraulici e può essere accompagnato dalle funzioni di ausilio alla partenza in salita e di freno di stazionamento. Quando il veicolo è parcheggiato il disco del freno è bloccato da un altro meccanismo aggiuntivo integrato nel sistema.
Ripartizione della coppia: la dinamica di marcia nelle vetture elettriche
La trazione integrale permanente quattro è una delle tecnologie Audi di maggior prestigio e conferma in modo particolarmente evidente la posizione all’avanguardia della tecnica ricoperta della Casa dei quattro anelli. Introdotta 30 anni fa, la trazione integrale è stata oggetto di sviluppi intensi e continui. L’elettrificazione prospettata per le auto del futuro apre ora strade completamente nuove e la trazione quattro ha tutte le carte in regola per tramutarsi in una e-quattro. Le potenzialità di questa tecnologia sono già anticipate dallo studio R8 e-tron.
Le ruote della Audi R8 e-tron sono azionate da quattro motori elettrici indipendenti tramite alberi di lunghezza ridotta. Due di essi sono posizionati sull’asse anteriore e due su quello posteriore. La ripartizione della coppia di trazione ha luogo in maniera completamente variabile, sebbene in condizioni di marcia normali venga privilegiato il retrotreno. Analogamente a una vettura da competizione con motore centrale, il 70% della coppia generata è trasmessa, in condizioni standard, alle ruote posteriori e il restante 30% su quelle anteriori. La vettura elettrica sportiva dalle altissime prestazioni della Audi beneficia di tutti i classici vantaggi della tecnologia quattro.
Un software intelligente per il controllo della dinamica di marcia e della trazione analizza costantemente il comportamento della vettura. Alla minima variazione di stato, il software attua una modifica della ripartizione delle coppie in pochi millisecondi, adattandola alla situazione contingente. La coppia viene trasferita opportunamente non solo tra gli assi, ma anche selettivamente tra ogni ruota, ancora prima che possa verificarsi uno slittamento della presa. Così, sia la tenuta di strada della vettura, sia il suo potenziale di trazione, risultano eccellenti.
Nell’impartire un comando asimmetrico a un asse, la centralina dei motori elettrici imprime una coppia di imbardata attorno alla normale (asse ortogonale della vettura). La funzione di modulazione dell’imbardata può aver luogo contemporaneamente per l’asse anteriore e l’asse posteriore, opponendosi già nella fase iniziale a un incombente effetto sottosterzante o sovrasterzante.
Anche in presenza di accelerazioni trasversali elevate, la supersportiva elettrica della Audi mantiene un comportamento neutrale esemplare e percorre le curve come se viaggiasse su binari. Il vantaggio in termini di dinamica di guida si traduce anche in un incremento del livello di sicurezza. I quattro motori elettrici sono in grado anche di frenare le ruote singolarmente. Ciò consente sia di influire attivamente sulla dinamica di guida, sia di aumentare l’autonomia della vettura incamerando l’energia dissipata dalla forza di frenata.
Quando il guidatore frena in modo non brusco il lavoro di decelerazione viene sbrigato per intero dai motori elettrici. I freni meccanici intervengono gradualmente qualora risulti necessaria una decelerazione di notevole intensità. Questa soluzione garantisce in qualsiasi situazione una ripartizione ottimale della forza frenante. Per consentire l’attuazione di tale funzione, i motori elettrici sono interconnessi con i freni delle ruote in maniera del tutto nuova.
La tecnologia con quattro motori elettrici indipendenti rappresenta solo una delle tante soluzioni innovative a cui la Audi si sta dedicando. È in fase di sperimentazione anche una soluzione che contempla l’impiego di un motore elettrico separato molto potente per l’azionamento dell’asse posteriore, con modulazione dell’imbardata messa in atto da appositi meccanismi di sovrapposizione della coppia, in maniera simile a quanto accade nel differenziale sportivo. La tecnologia e-quattro permette alla Audi di consolidare la sua posizione di eccellenza all’avanguardia della tecnica nell’ambito della trazione integrale permanente.
La sicurezza: dall’assemblaggio al service
La Audi dedica grande attenzione alla sicurezza anche nell’ambito della mobilità elettrica. La batteria, i cavi e tutti gli altri elementi elettricamente conduttivi sono oggetto di severe misure di protezione, sia in caso di urto, sia durante il loro funzionamento, sia in fase di montaggio e di riparazione.
La Audi affronta anche il tema della sicurezza, così come tutte le altre questioni relative alla mobilità elettrica, con un approccio olistico, studiando con attenzione ogni fase della trasmissione della potenza sulla ruota. Grande attenzione viene dedicata, in particolare, alle relazioni che intercorrono, anche in un veicolo elettrificato, fra la sicurezza d’uso, la sicurezza di funzionamento e la sicurezza in caso di urto.
In Europa le prescrizioni di legge per la sicurezza di veicoli a trazione elettrica o ibrida in caso di incidente sono tuttora in fase di discussione, mentre in Giappone e negli USA esistono già norme e regole a riguardo. Gli ingegneri Audi sono rappresentati nei gruppi di lavoro e possono quindi elaborare sin d’oggi soluzioni per il Marchio valide anche per il futuro.
I sistemi ad alta tensione utilizzano per ragioni tecniche correnti elettriche di voltaggio elevato anche al di fuori della batteria, per esempio lungo i cavi dell’impianto elettronico di potenza e nel gruppo motore. Al verificarsi di un impatto, la rete ad alta tensione viene scissa dalla batteria e il condensatore del circuito intermedio dell’impianto elettronico di potenza viene scaricato in maniera controllata. In questo modo tutti i componenti che si trovano al di fuori della batteria non sono più percorsi da alte tensioni.
Gli elementi conduttori di corrente facenti parte della rete ad alta tensione dispongono di una separazione galvanica, ovvero non sono collegati elettricamente con il resto del veicolo. La posa dei cavi per l’alta tensione è tale da prevenire in caso di impatto, per quanto possibile, il verificarsi di cortocircuiti e archi voltaici. I cavi sono inoltre facilmente individuabili per la loro guaina di colore arancio.
Tutti i connettori sono opportunamente codificati e possono essere accoppiati solo a prese ben definite. Delle apposite sicure metalliche impediscono che possano venire scollegati accidentalmente.
Le batterie ad alta tensione sono in grado di accumulare energia in grande quantità e, se danneggiate, potrebbero prendere fuoco ed esalare gas tossici. Per questo motivo la Audi ha dedicato a esse particolare attenzione per quanto riguarda la sicurezza in caso di impatto. Il fattore decisivo è rappresentato dalla loro collocazione in una posizione protetta all’interno del veicolo. Sulla Audi Q5 hybrid quattro la batteria agli ioni di litio è montata avanti all’asse posteriore. Sulla R8 e-tron e sulla A1 e-tron la batteria a forma di T va a riempire lo spazio disponibile nel settore posteriore del tunnel centrale e quello davanti all’asse posteriore. In questo settore della vettura le deformazioni in caso di impatto generalmente sono di minore entità rispetto a quelle riscontrabili altrove.
Sulla A6 hybrid e sulla A8 hybrid verranno impiegati dei particolari contenitori reticolari di metallo con il compito di proteggere le batterie agli ioni di litio e di rafforzare la struttura del pianale del vano bagagli. In generale, tutti i requisiti futuri confluiranno sin dall’inizio nella progettazione delle nuove serie di modelli. Nella proiezione del comportamento della vettura coinvolta in un incidente incide notevolmente anche l’aumento del peso complessivo causato da tutti i componenti supplementari.
La costruzione leggera Audi: innovazioni di grande peso
Per la mobilità elettrica del futuro, le strutture leggere ricoprono un ruolo decisivo. L'impiego di nuovi componenti, come la batteria di trazione, causano un aumento del peso complessivo della vettura. La Audi è però in grado di contenere questa eccedenza di peso grazie alla sua competenza d'avanguardia nell'ambito delle strutture leggere.
La Audi Q5 hybrid quattro, il primo SUV a trazione ibrida della Audi, è la dimostrazione della competenza della Audi nell'ambito delle strutture leggere. Con un peso a vuoto inferiore alle due tonnellate è il SUV ibrido più leggero sul mercato. Gli equipaggiamenti speciali come il sistema di navigazione MMI plus e i cerchi maggiorati di 19" in tecnica leggera flow-forming sono già compresi nel calcolo. I risultati sono eccellenti: la batteria agli ioni di litio ha infatti un peso di soli 38 kg e i componenti della trazione ibrida pesano, nel loro insieme, meno di 130 kg.
Questo buon bilancio complessivo va ricondotto all'esperienza della Audi nell'ambito delle strutture leggere, maturata in diversi anni di lavoro. Questa competenza si concretizza sulla Q5 in molteplici dettagli, come la generosa adozione di acciai induriti in forme che uniscono un peso ridotto a una resistenza estremamente alta. Due anni fa la soluzione della carrozzeria della Q5 è stata premiata con l'Euro Car Body Award, il riconoscimento più importante del settore.
Anche la R8 e-tron, con il suo peso a vuoto di 1.600 kg, è un esempio tangibile di cosa significhi per la Audi essere all'avanguardia della tecnica. La carrozzeria di alluminio della supersportiva a trazione elettrica è frutto della tecnologia costruttiva in alluminio Audi Space Frame (ASF). Pesa poco più di 200 kg, il 40% in meno di una carrozzeria analoga realizzata in acciaio. La Audi produce autovetture in questa tecnologia già dal 1994. Nessun'altra casa automobilistica può ricorrere a un know-how simile. Attualmente la tecnologia ASF viene impiegata per la costruzione della TT, della TT Roadster, della R8, della R8 Spyder e della A8.
La Audi adotta inoltre già da oggi su alcuni modelli molti componenti in materiale composito rinforzato con fibre. Per esempio la A1 e-tron monta un tetto di plastica CFR che determina, oltre una riduzione del peso, anche un abbassamento del baricentro della vettura.
Gli ingegneri, guidati dal motto "Il materiale giusto al posto giusto", sono dediti ad accelerare il processo di impiego di materiali compositi. La Audi non si accontenta di mettere in scena showcar a effetto ma, come in tutti gli altri ambiti della mobilità elettrica, intende convincere i Clienti dei vantaggi concreti e tangibili delle soluzioni da essa proposte nel loro complesso.
Anche nel progettare i componenti elettrici la Audi riserva molta importanza a una rigorosa riduzione del peso. L'impianto elettronico di potenza della Audi Q5 hybrid quattro, costituito da un inverter a pulsazioni e da un convertitore DC/DC integrato, pesa solo nove chili, vale a dire circa la metà del suo predecessore montato sul prototipo della Audi Q7 hybrid. Le sezioni di tutti i cavi e condotti sono adeguate alla loro portata effettiva. Inoltre i ricercatori stanno indagando la possibilità sostituire il rame dei cavi o l'acciaio delle tubazioni con l'alluminio. Le strutture di tutti i motori elettrici sono già oggi realizzate in alluminio.
Lo sforzo della Audi teso a risparmiare ogni grammo superfluo sui veicoli a trazione elettrica diventa tangibile osservando la Audi A1 e-tron. Sotto il bagagliaio è collocato un leggero motore a scoppio Wankel con la funzione di prolungare l'autonomia della vettura mediante una ricarica supplementare della batteria tramite alternatore. Il gruppo complessivo pesa solo 65 kg circa. Questo valore comprende anche l'alternatore, lo speciale impianto elettronico di potenza, i sistemi di aspirazione, di scarico e di raffreddamento, la capsula fonoassorbente e l'intelaiatura di supporto.
Projekthaus e-performance
La Audi lavora con impegno e passione alla mobilità del futuro e il centro di lavoro esterno Projekthaus e-performance costituisce, in questo settore, un’autentica fucina di idee. In un progetto di ricerca dedicato, gli specialisti si concentrano in particolare sui problemi legati alla mobilità elettrica. E sulle loro possibili soluzioni.
Il centro di ricerca Projekthaus e-performance della AUDI AG è stato fondato nel 2009. La sua equipe centrale conta circa 30 giovani collaboratori collegati a tutte le aree di attività dell'Azienda. Il team racchiude le competenze di tutti i reparti della Audi, dal design alla motoristica, e opera in maniera rapida ed incisiva. I suoi specialisti provengono da diverse discipline e curano contatti con enti esterni come università, aziende in start-up e istituti di ricerca.
Il centro di ricerca Projekthaus e performance ha avviato nell'autunno del 2009 un progetto di ricerca parallelo. La durata prevista è di tre anni, e si chiama anch'esso e performance. Questa iniziativa è sovvenzionata dal Ministero dell'istruzione tedesco con un contributo di decine di milioni di Euro.
L'obbiettivo della ricerca è quello di progettare per intero un veicolo a trazione elettrica. L'oggetto principale degli studi è la creazione di una serie di componenti necessari alla trazione elettrica, dalla batteria allo stesso motore. I nuovi componenti devono essere compatibili con veicoli di almeno tre categorie: per vetture compatte come la A1 e-tron, per modelli di media stazza e per vetture sportive.
Il veicolo dimostrativo che fa da supporto ai componenti modulari è una vettura sportiva. Gli studi su di essa sono indirizzati alla gestione del calore, alla dinamica di marcia, al dimensionamento dei componenti, alla carrozzeria, al sistema elettronico di potenza e alla batteria. Il Projekthaus e-performance si caratterizza per il particolare metodo di lavoro: vi sono delle mansioni nettamente definite e delineate in cosiddetti pacchetti di lavoro (nove in tutto), ma non ci sono strutture statiche e inflessibili. Al contrario, accanto alla tipica attività dell'ingegnere è indispensabile anche uno slancio creativo in tutte le discipline.
I collaboratori provenienti da diverse aree di competenza si battono, tra l'altro, sulle questioni seguenti: come ridurre le perdite di calore causate dalla carrozzeria e dal veicolo? In che modo è possibile simulare un comportamento ideale del pedale del freno in fase di recupero dell'energia dissipata durante la frenata? In che misura sono effettivamente realizzabili i sistemi di raffreddamento per la batteria? In che modo è possibile integrare la modulazione dell'imbardata sui sistemi di controllo della dinamica di marcia di un veicolo a trazione elettrica? Questi sono alcuni dei temi affrontati dai pionieri del Projekthaus in collaborazione con partner del mondo scientifico. Essi sono l'Università del Reno-Westfalia di Aachen, i Politecnici di Monaco, Dresda e Illmenavia, l'Università Leibnitz di Hannover, la società di ricerca Fraunhofer e le ditte Bosch e Bosch Engineering.
L’esemplare processo di sviluppo nel Centro motori Audi
L’impostazione olistica con cui la Audi affronta la ricerca nel settore della mobilità elettrica presuppone un know-how che abbracci diverse discipline. Il Marchio dei quattro anelli lavora assiduamente per espandere questo know-how il più velocemente possibile. In questi giorni è entrato in servizio un nuovo centro di sviluppo e collaudo per trazioni elettriche.
Il nuovo centro di sviluppo e collaudo per propulsori elettrificati è situato nella zona nord-occidentale degli stabilimenti Audi di Ingolstadt, nell’area in cui si trovano gli impianti del reparto Ricerca e Sviluppo. È sorto negli ultimi due anni quale espansione del già esistente centro motori ed è costato circa 65 milioni di Euro.
Occupa una superficie complessiva di 14.000 m2 e offre 340 posti di lavoro negli uffici e altri 50 ai banchi di prova. La Audi ha deciso di raggruppare in un unico sito i vari reparti implicati nell’elettrificazione dei gruppi di trazione e il processo di sviluppo si svolge letteralmente dall’alto verso il basso.
Ai piani alti sono situati gli uffici degli ingegneri. Sono estremamente luminosi e, grazie a un isolamento acustico mirato, molto silenziosi. Sono dotati di scrivanie ergonomiche regolabili in altezza. L’ambiente piacevole favorisce la creatività e la concentrazione.
La ripartizione dei vani sottolinea il principio del lavoro d’equipe, mentre gli spazi aperti e le molteplici sale conferenza trasmettono un’atmosfera quasi da campus universitario. Alle postazioni PC vengono progettati i motori elettrici, gli impianti elettronici di potenza e i relativi software per l’elettrificazione della catena di trazione. La posizione centrale del centro di sviluppo e collaudo all’interno de reparto Ricerca e Sviluppo favorisce la comunicazione interdisciplinare con i colleghi di altri reparti.
Al primo piano ci sono i laboratori, le officine e i banchi di prova. Qui ad esempio sono situati i laboratori HIL (hardware in the loop), dove si testa in contemporanea l’interazione di tutte le centraline elettroniche rilevanti per il funzionamento dei gruppi di trazione, prima ancora della realizzazione del prototipo. Essi rappresentano un passo importante verso il metodo di progettazione simultanea, teso ad accelerare i tempi di progettazione.
L’oggetto principale dei test HIL è la comunicazione tra centraline. Le questioni tipiche sono: sono del tutto compatibili i programmi installati su centraline diverse? La centralina dell’impianto elettronico di potenza reagisce effettivamente come previsto dalla centralina del motore? Il sistema si disinserisce in maniera affidabile in caso di guasto?
Per i componenti hardware sono disponibili dei banchi di prova di grandezza differente al fine di testare il loro comportamento con il software di comando. Qui vengono impiegati per la prima volta assieme componenti provenienti da diversi ambiti di progettazione. Gli ingegneri del settore motoristico rispondono ad esempio degli apparati adibiti alla trazione, come il motore elettrico e l’impianto di potenza, e i loro colleghi del settore elettrotecnico delle batterie ad alto voltaggio. L’adozione di camere climatiche consente di simulare condizioni termiche estreme su entrambi i banchi di prova.
Il processo di progettazione continua poi al piano terra del nuovo centro di sviluppo e collaudo, dove è situata la piattaforma con i grandi banchi di prova delle trasmissioni. A questo livello sono testati insieme il motore endotermico, il motore elettrico della vettura, il cambio e i differenziali. Mancano ancora la batteria e le ruote, ma la loro assenza è compensata da un simulatore e da grandi macchine di sollecitazione elettrica.
I banchi di prova per i veicoli a trazione anteriore presentano una conformazione diversa da quelli per i modelli quattro. Tutti sono comunque in grado di simulare la marcia del veicolo in ogni condizione e sotto carichi diversi, dalla strada statale al rettilineo autostradale veloce fino alla pista da corsa. In tale ambito viene testata e ottimizzata l’interazione tra i vari componenti della trasmissione. Quindi i componenti vengono sottoposti a prove di durata e di affaticamento per testare la loro affidabilità in condizioni estreme, e per appurare la loro ottemperanza agli standard di qualità Audi.
Infine ha luogo l’ultima fase di test sui banchi di prova per il veicolo complessivo posizionati di fianco. A questo livello tutti i componenti sono già montati sul veicolo su cui verranno impiegati. I banchi di prova sono tali da poter simulare le situazioni di marcia più disparate, come un percorso in montagna o su strade da percorrere a tutto gas. Simulano altezze fino a 4.200 metri s.l.m., così come l’irradiazione solare, le partenze a freddo e le varie situazioni di guida. I banchi di prova frigoriferi generano in apposite camere temperature ambiente fino a -30 e anche -40 °C.
Sui banchi di prova per il veicolo complessivo sono simulate molteplici situazioni di guida e condizioni di prova fino a 260 km/h. Qui vengono effettuate anche le misurazioni del livello di inquinamento per la tipizzazione del modello. Esse rappresentano la fine del processo di progettazione.
Ad alta specializzazione: i banchi di prova per batterie
Accanto a tutta questa infrastruttura di prova, nel nuovo centro di sviluppo e collaudo il personale tecnico del settore elettronico ed elettrotecnico lavora in un edificio adiacente a due banchi di prova di sistema per batterie ad alta tensione. Su impianti di potenza elettrica di 150 kW ciascuno, vengono testate le batterie con una tensione massima di 500 V e un’intensità di corrente massima di 500 Ampere. Per limitare il dispendio energetico, l’energia scaricata dalla batteria è immessa nuovamente nella rete elettrica.
I banchi di prova sono costituiti da quadri elettrici con l’impianto elettronico di potenza, i calcolatori di controllo e di comando e una camera climatica ciascuno. Le camere climatiche consentono di simulare temperature ambiente comprese tra -40 e +80 °C, sono ermetiche e protette contro le esplosioni.
L’impianto elettronico di potenza dei banchi di prova per batterie è potente e dinamico ed è in grado di attuare qualsiasi profilo di marcia o di carica. Oltre che per le prove generali di funzionamento, i banchi di prova vengono impiegati principalmente per compiere delle analisi di natura elettrica. Oltre a test su aspetti inerenti alla capacità e alla resistenza interna, essi effettuano soprattutto test di efficienza, di rendimento e di invecchiamento. Uno speciale banco di prova per il raffreddamento consente di rilevare l’efficienza degli impianti di raffreddamento ad aria e a liquido per batterie.
Durante tutti i test una particolare attenzione è dedicata alla sicurezza delle batterie. Inoltre i banchi di prova hanno anche lo scopo di controllare i dati sulla potenza dichiarati dai fornitori. In aggiunta è possibile testare anche convertitori DC/DC e caricabatteria.
The Sound of Silence:
le soluzioni Audi per l’acustica delle auto elettriche del futuro
le soluzioni Audi per l’acustica delle auto elettriche del futuro
Il sonoro rombo di un 6 cilindri e il sound morbido e ovattato di un V8 fanno ormai parte del corredo sonoro delle nostre strade e chiunque associa a questi rumori la presenza di un’auto. Con le vetture elettriche ciò non può avvenire perché esse fino ai 25 km/h, di fatto, non producono alcun rumore. La silenziosità costituisce ovviamente una seria minaccia per gli altri utenti del traffico. Gli ingegneri acustici Audi sono giunti alla logica conclusione che anche l’auto elettrica del futuro dovrà possedere un suo caratteristico sound. Resta da definire quale.
“Quando parliamo di ‘quiet cars’ ci riferiamo ad auto elettriche che viaggiano a una velocità compresa tra 0 e 25 chilometri orari”, spiega Dr. Ralf Kunkel, Responsabile della divisione di acustica alla AUDI AG. A questa velocità le auto elettriche si muovono senza emettere quasi nessun rumore. A una velocità superiore, l’auto produce i tipici rumori causati dal rotolamento degli pneumatici e dai fruscii aerodinamici. In questo caso la differenza di rumorosità di un’elettrica rispetto a un’auto convenzionale è minima.
Questi nuovi mezzi di locomozione così silenziosi costituiscono naturalmente anche un successo, perché le automobili ecologiche non nascono solo con l’obiettivo di contenere le emissioni nocive allo scarico, ma anche di ridurre l’inquinamento acustico. Tuttavia, senza i tipici rumori di marcia che la contraddistinguono, la velocità può celare qualche insidia. Mentre con il senso dell’udito gli utenti del traffico percepiscono ciò che avviene tutto intorno a loro, con quello della vista intercettano solo ciò che si trova all’interno del loro campo visivo. È quindi reale il rischio che persone ipovedenti o utenti del traffico distratti non si accorgano della presenza di vetture elettriche.
A portare l’attenzione su questa problematica sono state le associazioni di non vedenti in tutto mondo, le quali spingono affinché le “quiet car” siano dotate di un segnale acustico riconoscibile, tanto che sia negli USA, sia in Giappone si stanno già mettendo a punto norme e leggi al riguardo.
Anche garantire la sicurezza dei pedoni nell’era della mobilità elettrica è un compito prioritario per gli specialisti del suono Audi. “Una possibile soluzione potrebbe essere quella di generare artificialmente un determinato suono”, dichiara Kunkel. Al momento gli ingegneri acustici stanno studiano a fondo il sound design della Audi e-tron. La questione è di fondamentale importanza per la sicurezza, ma non solo. Si dovrà dare una risposta anche a un’altra centrale domanda: che suono avranno i modelli Audi del futuro?
“Almeno in un primo momento è naturale che ci si ispiri al ben noto sound di un motore a combustione”, spiega Christian Schüller, Responsabile della divisione di sviluppo del Marchio/Corporate Identity. “Però vogliamo sottolineare anche il carattere innovativo dei nuovi modelli elettrici e ibridi della Audi. Vogliamo che anche nell’era della mobilità elettrica il suono delle nostre vetture dimostri che siamo all’avanguardia della tecnica”.
Improponibili, quindi, rumori che riproducano il fruscio di foglie o il cinguettio di uccelli, oppure sonorità stridule come ad esempio il segnale acustico dei cingolati battipista. “Sono interessanti le sequenze acustiche come quelle prodotte al cinema da un’astronave ”, prosegue Kunkel, “perché ricordano in qualche modo i suoni delle vetture odierne, anche se restano completamente differenti da essi”. In un futuro molto prossimo, comunque, il sound di una Audi non assomiglierà certo a quello di un jet o a quello di un’astronave di un film di fantascienza. “Tutto ciò che sappiamo già ora, è che le sonorità saranno nuove e particolari. La Audi RSQ del film hollywoodiano Io, Robot mostra come potrebbe essere il sound di una Audi del futuro”.
Glossario
Veicolo a batteria (BEV, battery electric vehicles)
I veicoli elettrici a batteria, a differenza dei veicoli ibridi e dei veicoli range-extender, dispongono di una batteria quale unica fonte di energia. La Audi R8 è un BEV.
Veicolo a celle a combustibile (FCEV, fuel cell electric vehicle)
In una cella a combustibile l’acqua e l’ossigeno reagiscono in una reazione chimica controllata e producono acqua, calore ed energia elettrica. L’energia elettrica è utilizzata per la trazione del veicolo.
Automobili a celle a combustibile come lo studio della Audi Q5 HFC hanno un rendimento superiore ai motori a combustione ed emettono vapore acqueo. L’introduzione di questa tecnologia nella produzione di serie è ostacolata da diversi fattori quali l’assenza di un’infrastruttura per l’approvvigionamento di idrogeno, la durata di vita ancora insoddisfacente e i costi elevati non adeguati al mercato.
Coppia
La coppia di forze è il risultato della forza che agisce attorno al fulcro del supporto del rotore di un motore elettrico moltiplicata per il braccio definito dalla distanza tra l’avvolgimento del motore e l’asse del motore. In confronto a un motore a combustione, il motore elettrico mette a disposizione la sua coppia massima già a partire da una velocità di rotazione molto bassa. Al raggiungimento del valore soglia, essa cala costantemente. Per tale ragione sui veicoli a trazione elettrica sono impiegate solitamente trasmissioni a un solo rapporto.
Motore elettrico
Le qualità di un motore elettrico risiedono nell’elevata affidabilità, nel peso ridotto e nell’elevato rendimento. Sono composti da un elemento rotante detto rotore e da un elemento fisso detto statore (Stator). Lo statore genera un campo magnetico rotante che interagisce con il rotore provocandone la rotazione. I motori elettrici adibiti alla trazione nelle vetture sono in genere raffreddati a liquido.
La Audi utilizza attualmente due tipi di motori elettrici: sincroni e asincroni. I motori asincroni non dispongono di magneti permanenti, sono di semplice conformazione, robusti e durevoli e non necessitano di intensa manutenzione. I motori sincroni a eccitazione permanente necessitano invece di complessi sistemi di sensori. Essi sono più compatti e più leggeri e presentano vantaggi in termini di coppia, di rendimento e di regime utile.
Su veicoli ibridi come la Audi Q5 hybrid la Audi utilizza un motore sincrono permanentemente eccitato, di coppia elevata e integrato nel cambio. Esso presenta un diametro relativamente grande al fine di generare una coppia elevata, tuttavia la sua lunghezza è ridotta. La sua velocità nominale di rotazione è compresa tra 2.000 e 7.000 giri al minuto. Per l’impiego su veicoli a trazione elettrica sono idonei sia motori sincroni permanentemente eccitati sia motori asincroni a elevata velocità di rotazione. La velocità nominale di questi ultimi si aggira tra i 10.000 e 14.000 giri al minuto. Sono meno larghi e più lunghi. La loro elevata velocità consente l’utilizzo di cambi con una marcia in meno.
Densità energetica
La densità energetica è la quantità di energia immagazzinabile da una batteria in rapporto alla sua unità di massa. È espressa in chilowattora (kWh) per chilogrammo di peso. Attualmente le batterie agli ioni di litio raggiungono una densità di circa 130 Wh per chilogrammo.
Gli esperti della Audi, sulla base delle attuali proiezioni, prevedono di raggiungere una densità energetica di 2.500 Wh per chilogrammo nel 2020, un valore che rappresenta al contempo il limite massimo raggiungibile per batterie agli ioni di litio. Come termine di confronto si consideri che la densità di energia racchiusa in un chilogrammo di benzina, corrispondente a circa 1,33 litri, è pari a 12.000 Wh.
e-quattro
Con la sigla e-quattro la Audi vuole indicare la generazione futura del sistema di trazione integrale quattro, che sarà parzialmente o completamente di origine elettrica. Sulla R8 e-tron la trazione integrale è espletata da quattro motori elettrici, ognuno calettato su una ruota. I motori possono essere comandati da specifici sistemi di controllo elettronico che ne regolano le variazioni di velocità in maniera molto precisa. La nuova funzione di modulazione dell’imbardata consente di controllare la dinamica di marcia e la tenuta su strada della vettura a livelli finora sconosciuti.
La stessa ripartizione intelligente della coppia di trazione è ottenibile anche in una configurazione combinata dove un asse è azionato da un motore a combustione e l’altro da un motore elettrico.
Veicolo ibrido (HEV, hybrid electric drive)
In un veicolo ibrido il motore a combustione è accoppiato a un motore elettrico. Un veicolo con a bordo un sistema di recupero dell’energia come quelli montati di serie su diversi modelli Audi può essere definito microibrido. Un veicolo ibrido leggero dispone di un motore elettrico con la sola funzione di supporto per il motore a combustione. Un veicolo ibrido integrale, come la Audi Q5 hybrid quattro, dispone di un motore elettrico in grado di far avanzare autonomamente la vettura per periodi limitati di tempo.
Ricarica
Sui veicoli ibridi plug-in e sui veicoli a trazione puramente elettrica la batteria è ricaricata in genere da una fonte esterna, tranne che nei frangenti in cui è attiva la funzione di recupero. Il caricabatteria del veicolo converte la corrente alternata fornita dalla normale rete elettrica in corrente continua per la batteria. Utilizzando corrente trifase di 400 V e correnti di carica di maggior amperaggio, la durata della ricarica si riduce alquanto rispetto alla carica con corrente proveniente dalla rete domestica di 230 V. In alternativa, la Audi offre la possibilità di ricaricare la batteria senza contatti per induzione, e la possibilità di una ricarica rapida direttamente con corrente continua di elevata potenza. Questa tecnologia consente di ridurre ulteriormente i tempi di ricarica.
Spostamento del carico
I veicoli ibridi come la Audi Q5 hybrid quattro sulle strade extraurbane per lo più si spostano utilizzando il motore a combustione. Il sistema di gestione della trazione ibrida che controlla l’interazione tra le due sorgenti di propulsione provvede a tratti a intensificare il carico del TFSI ai regimi bassi più di quanto necessario per la trazione. Così facendo il punto di carico si sposta sui regimi più alti, e il rendimento del motore aumenta di conseguenza. La coppia in eccesso giova al motore elettrico che, in veste di alternatore, la sfrutta per rifornire di energia la batteria.
Durata di vita
La durata di vita di una batteria per trazione è in media di dieci anni, a condizione che essa sia stata sempre mantenuta a temperatura idonea. La durata di vita è influenzata in maniera determinante anche dal genere di sollecitazione e dall’intensità delle azioni di prelievo e di apporto di carica. Per questa ragione le batterie dei veicoli ibridi come la Audi Q5 hybrid quattro vengono scaricate solo per il 50% massimo, ovvero fino al cosiddetto livello SOC (state of charge). Le batterie dei veicoli puramente elettrici possono essere invece scaricate anche dell’80%. I limiti di sollecitazione sono definiti dalla strategia operativa scelta dal sistema di controllo del veicolo.
Strutture leggere
L’impiego di componenti speciali nei veicoli elettrici o ibridi causa un aumento del peso complessivo della vettura. La Audi però è stata in grado di contenere questa eccedenza di peso, che ammonta per la Q5 hybrid quattro e la A1 e-tron a poco più di un quintale. Il Marchio con i quattro anelli può approfittare, nell’ambito della mobilità di natura elettrica, della sua ampia competenza nella creazione di strutture leggere. Da questo punto di vista, la Q5 può essere considerata il punto di riferimento in questo segmento di autovetture. Il potenziale di risparmio maggiore è insito nella carrozzeria in alluminio in tecnologia ASF Audi Space Frame e nell’uso di materie plastiche rinforzate con fibre.
Potenza
I motori elettrici raggiungono la potenza massima molto presto rispetto al loro campo di rotazione, e la mantengono costante per lungo tempo. La potenza nominale è la potenza erogata in maniera costante nel corso di un ampio intervallo di rotazione. La potenza massima è disponibile invece in intervalli di tempo di lunghezza variabile, in base ad altri fattori come l’intensità dell’accelerazione e della decelerazione/recupero, e la configurazione del sistema.
Densità di potenza
La densità di potenza di una batteria esprime il rapporto tra la potenza e la massa. La densità di potenza delle batterie attuali agli ioni di litio ammonta a 800-2600 W per chilogrammo, a seconda dei materiali utilizzati. La potenza elettrica equivale al valore di tensione moltiplicato per l’amperaggio della corrente.
Impianto elettronico di potenza
L’impianto elettronico di potenza è composto da un inverter a pulsazioni che funge da regolatore tra la batteria e il motore elettrico. Esso, in un cosiddetto campo elettrico rotante, converte la corrente continua della batteria in corrente alternata utilizzabile dal motore. Un trasformatore di corrente continua collega la rete di bordo da 12 V alla rete di alta tensione. In alcuni casi il trasformatore è integrato direttamente nell’inverter a pulsazioni. Il calore generato dall’impianto elettronico di potenza è dissipato da un impianto di raffreddamento ad acqua.
Batteria agli ioni di litio
La denominazione “batteria agli ioni di litio” si usa per denominare un complesso di tecnologie di grande potenziale. Queste batterie sono tuttora oggetto di intense ricerche al fine di migliorarne l’impiego sulle automobili. Esistono 40 tipi di materiali diversi che potrebbero essere impiegati in una cella di batteria in qualità di anodo, catodo, separatore ed elettrolita.
Tutte le varianti presentano una serie di vantaggi. Essi sono la densità energetica quasi doppia in confronto alle nichel-metalidrato e quasi quadrupla in confronto a quelle al piombo. Forniscono una tensione ampiamente costante e sono termicamente stabili. La percentuale di autoscarica è bassa e non sono soggette all’effetto memoria.
La Audi suddivide le batterie agli ioni di litio in due categorie distinte. Le batterie di alta potenza sono idonee all’uso in veicoli ibridi come la Audi Q5 hybrid quattro; le batterie di alta energia sono riservate ai veicoli che devono percorrere elettricamente distanze più lunghe. Entrambe le categorie sono accomunate dallo stesso complesso sistema di gestione termica e di sicurezza.
Veicolo ibrido parallelo
È definito ibrido parallelo un veicolo con un motore a combustione e un motore elettrico. Tali veicoli possono avanzare con uno dei due motori o con entrambi. La Audi Q5 hybrid quattro segue questo principio altamente efficiente. Una frizione separa il 2.0 TFSI, il motore elettrico e il cambio automatico a otto rapporti; il cosiddetto sistema di gestione ibrido controlla l’interazione delle varie unità.
Veicolo ibrido plug-in (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle)
Un veicolo ibrido plug-in è un veicolo ibrido la cui batteria può essere ricaricata dalla rete elettrica generale. Veicoli di questo tipo hanno un’autonomia più lunga. Lo studio e-tron Spyder presentato dalla Audi al Salone dell’Automobile di Parigi segue questo principio.
Range extender (EREV, extended range electric vehicle)
Un range extender è un dispositivo che amplia il raggio di percorrenza di un’auto a trazione elettrica oltre i limiti di autonomia della batteria. La funzione di range extender è assunta in genere da motori a combustione di dimensioni ridotte. Sulla A1 e-tron un compatto motore Wankel a pistone rotante carica la batteria tramite un alternatore.
Autonomia
I modelli e-tron della Audi si caratterizzano già oggi per le elevate autonomie. La A1 e-tron percorre elettricamente 50 km, e il range extender espande l’autonomia di altri 200 km. La Audi e-tron con trazione esclusivamente elettrica, al momento della sua introduzione sul mercato, potrà percorrere 250 km con un "pieno di batteria".
Recupero
Con il termine recupero si intende il recupero dell’energia generata dalla frenata. Nel sistema Start&Stop la funzione avviene tramite l’alternatore della rete di bordo a 12 V, che riassorbe l’energia sviluppatasi in fase di frenata e di decelerazione e la invia alla batteria.
Sui veicoli ibridi o elettrici la funzione di recupero è svolta dai motori elettrici, che in questi casi fungono da alternatore. Essi effettuano solo frenate leggere. Quando è richiesta maggior potenza frenante intervengono i freni idraulici. Nella generazione futura saranno disaccoppiati dal pedale del freno e la ripartizione delle coppie e il passaggio tra la frenata elettrica e la frenata idraulica saranno regolati con maggior precisione.
Sistema di gestione termica
Nelle fasi di carica e di scarica, il flusso di corrente genera calore, pertanto è necessario ricorrere a un impianto di raffreddamento che mantenga la temperatura della batteria entro i limiti dovuti di solitamente 25 e 45°C. L’impianto di raffreddamento ha anche lo scopo di livellare la differenza di temperatura tra le celle. Il raffreddamento può aver luogo con aria o con liquido. Le informazioni richieste sono fornite da appositi sensori della temperatura.L’impianto di raffreddamento ad aria per la batteria montato sulla Audi Q5 hybrid quattro interviene in caso di bisogno in maniera attiva o passiva. Questa tecnologia consente di aumentare l’autonomia di origine elettrica di questo SUV dalle alte prestazioni.
Oltre alla batteria, anche il motore elettrico e l’impianto elettronico di potenza devono essere raffreddati. A tale scopo è utilizzato un impianto di raffreddamento a liquido. Le vetture puramente elettriche senza motori a combustione utilizzano il calore per riscaldare l’abitacolo, seguendo principi nuovi nella gestione termica.
Pompa di calore
La pompa di calore riprende una tecnologia utilizzata per il riscaldamento degli edifici. Può riscaldare e raffreddare assorbendo calore dall’ambiente. Sul veicolo essa si basa sul classico circuito di raffreddamento del climatizzatore ampliato con un altro condensatore.
La Audi lavora intensamente all’impiego di questa tecnologia sui suoi veicoli elettrici. Per climatizzare l’abitacolo, la pompa di calore utilizza il calore generato dalla batteria, dai motori elettrici e dall’impianto elettronico di potenza. Grazie alla sua modalità operativa altamente efficiente consuma poca energia. Nella pratica riduce solo di poco l’autonomia della vettura.
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