Gran parte dell’odierna innovazione nel settore automobilistico è dominata dalla necessità di sottostare a limiti di emissioni sempre più severi, dalla inevitabile trasformazione della mobilità urbana e in generale dalla necessità di massima sostenibilità del prodotto, in tutto l’arco della sua fine operativa. Di conseguenza, almeno in questa prima fase, le più diffuse architetture dei powertrain saranno quelli denominati P1 e P2 (Fig. 1). A differenza della soluzione P1, la P2 consente la trazione completamente elettrica grazie all’utilizzo di una frizione che disconnette il motore a combustione interna (ICE). Oltre a questo il modulo P2 offre un’ampia gamma di funzionalità e può essere facilmente integrato nella trasmissione rendendolo estremamente versatile e adatto per motorizzare i veicoli definiti full hybrid. BorgWarner ha sviluppato diverse varianti di questo sistema, offrendosi come partner tecnico a quei costruttori che vogliano ibridizzare le loro vetture per ridurne l’impatto ambientale oppure vogliano affrontare un nuovo progetto a bassa emissione.
BorgWarner P2: on-axis oppure off-axis
Nella configurazione P2 il motore elettrico può essere posizionato in due diversi modi. Il cosiddetto on-axis, in cui il motore è integrato direttamente nella trasmissione, oppure off-axis, in cui è separato e fornisce il suo contributo di coppia attraverso una trasmissione separata, ad esempio tramite cinghia. La scelta dell’una o dell’altra soluzione dipende da una serie di criteri tra cui quello dominante è l’ingombro. Layout che prevedono il motore posizionato longitudinalmente in genere offrono un maggiore spazio e dunque consentono senza grossi problemi l’impiego di una soluzione on-axis. In questo caso il motore elettrico può essere di maggiori dimensioni e trovando spazio direttamente nella scatola della trasmissione, che deve ovviamente essere opportunamente modificata allo scopo, non richiede l’utilizzo di spazio esterno. Al contrario, la soluzione off-axis è la preferita quando il motore è montato trasversalmente, poiché in questo caso lo spazio disponibile secondo l’asse del motore è molto limitato e ogni modifica per crearlo impatterebbe in modo inaccettabile sulle dimensioni della vettura.
Il sistema di accoppiamento
I moduli BorgWarner P2 usualmente sono accoppiati al resto del powertrain per mezzo di una semplice frizione tradizionale, adatta a ogni tipologia di trasmissione. In particolare una frizione in bagno d’olio assicura la massima funzionalità e durata entro dimensioni piuttosto compatte. Nella configurazione on-axis il rotore del motore elettrico e il contenitore della frizione sono inglobati in una sola unità in modo da integrare col motore la frizione stessa. Questa soluzione consente anche di unificare il sistema di raffreddamento di motore e frizione. Per applicazioni più sofisticate rispetto a quella base, esiste la soluzione a tripla frizione (Fig.2) che in uno spazio assiale ridotto consente di unire le funzionalità della frizione tradizionale di disaccoppiamento alla doppia frizione applicata a monte del cambio meccanico. Una soluzione che evidentemente rende il tutto estremamente compatto ed efficiente.
Utilizzando un meccanismo di disaccoppiamento meccanico (assimilabile a una ruota libera, sistema che gli inglesi chiamano OWC – One Way Clutch) tra motore elettrico e trasmissione, si riduce ulteriormente lo spazio occupato, così come la complessità e il costo, perdendo però la possibilità, nel caso di accoppiamento con trasmissioni automatiche o CVT, di sfruttare il freno motore. Questo inconveniente si può ovviare utilizzando un cambio a doppia frizione DCT, una OWC e il motore elettrico posizionato su una sola delle due parti in cui è suddivisa la trasmissione (Fig.3). Per aumentare ulteriormente l’efficienza delle frizioni in bagno d’olio, è possibile integrare un sistema di blocco che consente la massima trasmissione della coppia pur mantenendo al minimo la pressione applicata ai dischi della frizione.
La scelta del motore elettrico
Per effettuare la migliore scelta di questo componente, occorre considerare l’efficienza desiderata, le esigenze di NVH (Noise, Vibration, Harshness), lo spazio disponibile e il disegno del rotore e dello statore. Un beneficio della configurazione off-axis è che, con un rapporto tipico di riduzione di 1:3, il motore elettrico può girare a un più alto numero di giri e fornire così una coppia sufficiente a ridurre il carico sul motore termico, specie allo spunto e in accelerazione, seppur con limitati vantaggi in termini di consumo ed emissioni. D’altro canto un motore elettrico di diametro maggiore che ruota a un minor numero di giri genererà più coppia e sarà quindi ideale per un’installazione on-axis. Efficienza energetica, riduzione delle emissioni e costi saranno invece i criteri trainanti per scegliere la tensione di alimentazione più vantaggiosa. In Fig.5 sono indicati i principali pro e contro delle tensioni più utilizzate. I sistemi a bassa tensione, che operano sotto i 60V in corrente continua, sono tipicamente utilizzati su applicazioni economiche e di potenza non superiore ai 25 kW.
La potenza disponibile utilizzando sistemi ad alta tensione, oltre i 100 kW, consentono l’impiego, per autonomie dipendenti dalla taglia delle batterie, del solo motore elettrico, con l’azzeramento delle emissioni nell’uso locale e un forte abbattimento della CO2 nell’uso combinato col motore endotermico.
Il motore elettrico è comunque un generatore di calore, dovuto al passaggio di corrente nei conduttori e agli attriti delle parti rotanti. Le temperature di esercizio e le condizioni di funzionamento sono ulteriori fattori da considerare per il corretto dimensionamento del sistema di raffreddamento del motore elettrico, che per operare ad alta efficienza deve mantenere controllata la temperatura di esercizio. La massima efficienza nell’abbassamento della temperatura si ottiene utilizzando il raffreddamento a olio, che essendo dielettrico consente di lambire direttamente le superfici calde. L’altra soluzione è l’utilizzo di una miscela di acqua e glicole etilenico. In questo caso occorre ricavare una intercapedine nello statore per consentire al liquido di circolare nelle zone più calde. In questo caso la separazione fisica tra la fonte di calore e il liquido vettore limita lo scambio termico, ma è possibile aumentare in modo considerevole il delta di temperatura tra ingresso e uscita. Ovviamente la soluzione più avanzata è un mix delle due soluzioni, con la miscela acqua e glicole che circola nello statore con una temperatura di ingresso sui 65° (anziché i tipici 90° dell’impianto generale) e l’olio che è invece iniettato direttamente nei punti più caldi del rotore. Poiché questa soluzione è anche la più costosa, occorre verificare a priori la potenza termica da dissipare e valutare attentamente tutti i parametri in gioco. Un’analisi di questo tipo porta spesso a scoprire che un impianto sofisticato sia ridondante e che il solo raffreddamento interno a olio sia la soluzione vincente.
Il tipo di avvolgimento e i suoi effetti sull’NVH sono altri fattori che possono influenzare la scelta del motore. BorgWarner può offrire un paio di opzioni per l’avvolgimento (concentrato o distribuito) e conduttori a sezione tonda o rettangolare. Lo statore con avvolgimento distribuito tende a migliorare l’NVH del sistema per via delle minori pulsazioni rispetto a quello con avvolgimento concentrato. Quest’ultimo, però, consente di ottenere valori di coppa motrice maggiori.
Per massimizzare la densità di corrente, l’avvolgimento distribuito è realizzato con un conduttore a sezione quadra. La maggior superficie di contatto ottimizza il trasferimento di calore tra le lamine dello statore e il conduttore e in più aumenta la quantità di metallo conduttore a parità di volume occupato rispetto a conduttori sezione tonda. Analisi effettuate da BorgWarner su entrambi i tipi di motore hanno portato alla conclusione che su motore con le stesse caratteristiche dimensionali l’utilizzo di conduttori quadri (o a sezione rettangolare) consente valori più alti di potenza continua erogata.
Riguardo il design del rotore, BorgWarner distingue tra motori asincroni trifase e a magneti permanenti. Questi ultimi si suddividono a loro volta in motori a magneti interni IPM (meccanicamente più robusti e adatti ad applicazioni ad alta velocità poiché i magneti sono protetti all’interno del rotore) oppure a magneti superficiali SPM (ovvero montati sulla superficie del rotore).
In conclusione i sistemi di ibridizzazione P2 di BorgWarner si propongono per una relativamente semplice ibridizzazione su layout tradizionali potendo contare su un’ampia scelta di opzioni costruttive in grado di soddisfare una estesa gamma di richieste da parte dei Costruttori. Sono una soluzione razionale per implementare funzioni oggi indispensabili per ridurre le emissioni, come lo Stop&Start, la frenata rigenerativa e la propulsione totalmente elettrica per brevi tratti tipica dei veicolo full-hybrid oggi sempre più diffusi.
