Il rendimento di un motore di un'auto elettrica

Che cos'è il rendimento di un motore elettrico?

Il concetto di rendimento, per un motore, indica il rapporto tra l’energia utile e l’energia totale consumata. Può essere espresso in percentuale. Su un veicolo elettrico, il rendimento è stimato al 90%. Ciò significa che il 10% dell’elettricità consumata dal motore elettrico non è stato impiegato per la propulsione, una percentuale davvero minima. Oltre a queste eccellenti prestazioni, va notato che un veicolo elettrico o ibrido Renault beneficia, inoltre, della frenata rigenerativa che ricarica la batteria in determinate fasi di guida, per un rendimento ancora più vicino al 100%.

Partendo dal dato relativo all'autonomia, è possibile determinare con maggiore precisionel'autonomia di un veicolo elettrico e il suo consumo di energia elettrica. Maggiore è l'autonomia, minore è la quantità di energia (in kilowatt) che occorre «immettere» ad ogni ricarica per percorrere il numero di chilometri desiderato.

Come si calcola il rendimento di un motore elettrico?

Matematicamente, il calcolo del rendimento di un motore elettrico consiste nel dividere la quantità di energia utile per la quantità di energia consumata inizialmente.

In pratica, le case automobilistiche e gli studi specializzati in prestazioni meccaniche stimano l'efficienza dei veicoli (elettrici o ibridi) tenendo conto di diversi parametri, in modo da ottenere un dato il più possibile vicino alla realtà. Il processo di misurazione richiede innanzitutto un test delle condizioni di carico e dell'efficienza delle batterie per determinare quanta energia viene immessa. L'auto elettrica, valutata in base alla sua velocità media e al recupero di energia, viene poi guidata in situazioni quotidiane, con percorsi coerenti, per determinare il numero di chilometri percorsi con una singola ricarica.

Il rapporto tra i due valori rilevati spiega perché, nel settore automobilistico, gli esperti ritengono che il rendimento di un motore elettrico sia da 3 a 4 volte superiore a quello di un motore termico a benzina o diesel a parità di potenza.

Qual è la differenza tra un motore sincrono e uno asincrono?

Per far avanzare un veicolo elettrico o ibrido (in modalità elettrica nel caso di quest'ultimo) e fornire potenza elettrica al motore, quest'ultimo trasforma la corrente erogata dalla batteria in un campo elettromagnetico che fa ruotare un rotore che aziona la trazione.

Il funzionamento di un motore elettrico varia a seconda del tipo di tecnologia utilizzata per generare il campo elettromagnetico: si parla quindi di «sincroni» e «asincroni» per indicare le due categorie di motori più diffuse nell'industria.

Il motore elettrico sincrono funziona con una parte fissa, lo statore, e una parte rotante, il rotore. L'elettricità della batteria attraversa lo statore dove viene trasformata in un campo elettromagnetico. Il rotore – che integra una bobina di rame o un magnete permanente – seguirà questo campo magnetico e inizierà a ruotare su se stesso, a una velocità proporzionale alla frequenza della corrente elettrica. Questa tecnologia è attualmente la più utilizzata nel settore automobilistico.

Nel motore asincrono, il rotore e lo statore non funzionano in modo sincrono. Lo statore «trascina» il rotore nella sua rotazione con un leggero sfasamento: la velocità del campo magnetico rotante sarà sempre superiore a quella del rotore.

Motori elettrici sincroni: diverse tecnologie

Utilizzati in particolare nel settore automobilistico, i motori elettrici sincroni possono essere realizzati con due diverse tecnologie: i rotori a magneti o quelli avvolti.

La prima categoria integra, a livello del rotore, i cosiddetti «magneti permanenti». Le bobine presenti nello statore ne attivano la sensibilità alla forza magnetica, generandone la rotazione e quindi la trazione del veicolo. Questa tecnica presenta in particolare il vantaggio di una certa densità di potenza e di un eccellente rendimento a bassa velocità. Da qui la sua presenza su veicoli leggeri da città come la Dacia Spring o come motore elettrico nelle motorizzazioni ibride E-Tech ed E-Tech Plug-in di Renault.

In un veicolo con rotori avvolti, una bobina di rame sostituisce il magnete permanente. Anche questa tecnica garantisce un ottimo rendimento, anche a velocità elevate, superiori ai 100 chilometri all'ora, assicurando un aumento dell'autonomia di alcune decine di chilometri. Questo sistema è presente nel motore della Renault ZOE e della Twingo Electric.

Il rendimento di un motore elettrico asincrono

Le proprietà fisiche del motore elettrico asincrono spiegano perché il suo rendimento sia leggermente inferiore a quello del suo omologo sincrono: lo «slittamento», ovvero il fenomeno di sfasamento tra rotore e statore, è responsabile della differenza tra le due tecnologie. I motori «asincroni» presentano quindi un rendimento compreso tra il 75 e l'80%, contro il 90% dei motori «sincroni».

Il miglioramento delle prestazioni dei motori

I costruttori e le aziende del settore stanno esplorando diverse soluzioni per migliorare l'efficienza dei motori delle auto elettriche. Il dimensionamento dei componenti, l'utilizzo di materiali di eccellente qualità e l'aumento del flusso d'aria consentono di ridurre le perdite. Queste ultime sono dovute all'attrito tra i componenti e alla trasformazione di una parte dell'energia in calore.

Al volante,la guida ecologica, sfruttando il recupero di energia, riduce i kilowatt consumati ma non utilizzati e avvicina il motore al suo rendimento massimo.

Il rendimento massimo

Il rendimento massimo indicato per un motore elettrico o ibrido corrisponde alla situazione ideale di utilizzo dell'energia delle batterie per ottenere il regime ottimale del motore. Il rendimento effettivo di un motore è sempre inferiore a tale valore e dipende dalle condizioni (meteorologiche, di traffico e di guida) in cui si trova il veicolo.

Il rendimento di un motore ibrido

In un motore ibrido, la presenza di una componente elettrica tende ad aumentare il rendimento massimo dell'auto, sia che si tratti di un ibrido ricaricabile o meno. Ciò è in parte dovuto alla possibilità di ricaricare le batterie durante le decelerazioni, recuperando così energia immediatamente «utilizzabile».

Il rendimento di un motore a idrogeno

In un'auto a idrogeno, la propulsione è assicurata da un motore elettrico sincrono, con un rendimento paragonabile a quello di un veicolo elettrico a batteria tradizionale. La produzione di idrogeno da parte della pila a combustibile riduce in genere leggermente il rendimento del veicolo, poiché una parte dell'energia viene trasformata in vapore acqueo.

Conoscere il rendimento di un motore elettrico permette di comprendere il consumo energetico e i dati relativi all'autonomia del veicolo.

Diritti d'autore: MARTIN-GAMBIER Olivier, Pagecran