Nissan Leaf rappresenta al momento una delle auto elettriche più evolute nel panorama mondiale ed è la più venduta in Europa. Quali sono le chiavi del suo successo?
LA NASCITA DEL PROGETTO
L’auto elettrica ha una lunga storia ed è sorprendente sapere come è nata qualche decennio in anticipo rispetto ai veicoli con motore endotermico.
Il primo veicolo elettrico infatti fu ideato dall’inglese Robert Davidson nel 1842 (la Davidson’s Galvani), mentre il primo veicolo a benzina quattro tempi fu depositato come brevetto solo nel 1886 da Carl Benz.
Le ragioni del perchè non riuscì a superare il successo delle auto con motore a combustione interna sono da ricercarsi nella tecnologia delle batterie, ancora troppo indietro nello sviluppo e quindi non in grado di garantire l’autonomia necessaria, nonchè a causa delle problematiche nel loro trasporto, nel decadimento delle prestazioni nel tempo e nello smaltimento.
Dopo qualche anno di sostanziale parità nelle vendite tra elettrico e motore a combustione, con l’arrivo della Ford Model T nel 1908, auto di successo mondiale e per la prima volta costruita in catena di montaggio, iniziò il declino dell’interesse nei confronti dell’auto elettrica.
Ci furono in seguito solo alcuni esperimenti, come la Nissan Tama, prodotta nel 1947 per far fronte alla scarsità di risorse di idrocarburi nel dopoguerra e utilizzata come taxi in Giappone fino al 1951. Utilizzava una costosa batteria al piombo da 40V, ma garantiva ben 65 km di autonomia, non male per quei tempi.
Per arrivare ad un altro significativo prototipo da parte di Nissan, bisogna attendere il 1999, con la Hypermini, una due posti lunga meno di 2,7 metri, che utilizzava batterie cilindriche al litio .
Grazie al telaio in alluminio, pesava solo 840 kg e poteva percorrere 115 km in autonomia: ne furono prodotte 300 esemplari.
LA SCOMMESSA DI NISSAN
L’esperimento positivo fatto con la Hypermini fu sicuramente un motivo per incoraggiare la scelta di Nissan di perseguire la strada dell’elettrico, con investimenti monetari sempre maggiori (circa 4 i miliardi di euro investiti in ricerca e sviluppo dalla nascita del progetto Leaf fino ad oggi) volti soprattutto al miglioramento delle performance delle batterie.
La Leaf (che significa ‘foglia’ ed è l’acronimo di leading environmentally-friendly affordable family car) è stata immessa sul mercato nel 2010 ed è oggi il frutto di tutti gli sforzi ingegneristici della casa giapponese verso l’elettrico.
Il progetto Leaf è un progetto in continuo sviluppo e dal 2010 ha avuto ben tre aggiornamenti, che hanno riguardato soprattutto l’estensione dell’autonomia, da 170 km, a 199 km, fino a 250 km per l’attuale modello presentato.
“Leaf è venduta in perdita” afferma Bruno Mattucci, A.D. di Nissan Italia “ma noi crediamo nella strada che abbiamo intrapreso qualche anno fa, cioè quella di puntare sull’elettrico puro”
La scelta di Nissan è confortata dai numeri impressionanti sull’efficienza: infatti il veicolo elettrico è l’unico a garantire un’efficienza di conversione dell’energia dal “serbatoio” alla ruota del 90%.
A pari potenza, i veicoli diesel o benzina possiedono mediamente il 20% di efficienza di conversione, a causa della combustione interna che dissipa quasi l’80% dell’energia in calore, gli ibridi arrivano fino a un massimo del 30%, mentre le auto a idrogeno con celle a combustibile si fermano al 45%.
Il discorso è diverso invece quando si parla di efficienza di conversione di energia “wells to wheels” (“dal pozzo alla ruota”), ovvero il rapporto tra l’energia erogata alla ruota del veicolo e l’energia teoricamente disponibile dalla materia prima (a cui occorre sottrarre le risorse per poterla estrarre, trasportare, immagazzinare e infine per generare il moto alle ruote).
Per il veicolo elettrico, tale efficienza è molto variabile e dipende da come si è ricavata l’energia elettrica, cioè se con riserve naturali (e quindi con centrali elettriche, che hanno ottimisticamente un’efficienza del 50%) oppure tramite energie rinnovabili. E’ più comodo quindi parlare di emissioni CO2 in g/km dal pozzo alla ruota, ed anche in questo caso il confronto è disarmante, con circa 55 g/km per l’auto elettrica e quasi 190 g/km per un veicolo a combustione interna di pari potenza. Questo accade perché, nel caso dell’auto elettrica, da un certo punto in avanti della catena di produzione, il trasporto di energia non comporta più alcuna emissione di gas inquinanti.
IL VANTAGGIO DEL LITIO
L’utilizzo della tecnologia agli ioni di litio, la stessa dei telefoni cellulari e dei computer portatili, ha permesso di fare passi da gigante nelle performance delle batterie, raggiungendo traguardi di autonomia, che fino a qualche anno fa erano impensabili.
Grazie ad una densità di energia nettamente superiore rispetto alle batterie al piombo, a quelle nichel-cadmio o nichel-metallo idruro, possono avere delle riserve di carica notevoli e allo stesso tempo dimensioni e pesi contenuti.
Le batterie al litio non soffrono inoltre dell’effetto “memoria”, tipico delle batterie al nichel: è quell’effetto che fa si che ad esempio se una batteria completamente carica si utilizza al 60% e successivamente si sottopone a ricarica, il 40% dell’energia somministrata non viene riconosciuta e risulta quindi inutilizzabile.
L’effetto memoria è dovuto ad una modificazione delle strutture cristalline dei materiali elettrodici, a causa di cicli di carico – scarico incompleti; nelle batterie al litio tale effetto non si verifica in quanto non si ha alcuna modificazione delle dimensioni dei grani o della struttura cristallina.
Un altro vantaggio è che non si scaricano in maniera significativa quando vengono lasciate a riposo. L’unica sorgente che fa scaricare la batteria è il consumo del circuito di monitoraggio della tensione, presente sulle batterie più evolute. Si stima che la perdita di carica della batteria in un anno di inutilizzo, a temperatura ambiente (25°), non superi il 20%. Quindi è facilmente recuperabile in poche ore, tramite la presa di corrente di casa.
LE NUOVE BATTERIE DI LEAF E LA RICARICA
La nuova batteria agli ioni di Litio di Nissan Leaf da 360V ha una capacità di 30 kWh, maggiorata del 26% rispetto al precedente modello, di cui ne conserva la dimensione esterna e ne aumenta di peso di soli 21 kg.
L’incremento di capacità è dovuto all’utilizzo di un nuovo catodo (cioè l’elettrodo positivo) realizzato in Nichel-Manganese-Cobalto (NMC) e alla nuova configurazione interna caratterizzata da 24 moduli e 192 celle.
Prodotta negli Stati Uniti, la batteria viene installata sulla vettura a Sunderland (UK), stabilimento fiore all’occhiello per Nissan, dove oltre a Leaf vengono prodotte anche Qashqai, Note e Juke.
Il cavo di ricarica in dotazione su Leaf è lungo 6 metri e consente di caricare l’auto in casa propria, tramite una comune presa Schuko, a 3,6 kW. Il tempo necessario teorico per ricaricare è quindi 30 kWh / 3,6 kW, ovvero poco più di 8 ore.
E’ possibile poi avere un caricabatteria opzionale da 6,6 kW, con cavo da 32A invece che 16A, per una ricarica casalinga più veloce, anche se in questo caso occorre un contratto sicuramente più costoso con la compagnia che fornisce l’elettricità, per far fronte al maggiore assorbimento.
In alternativa, si può caricare in corrente continua (DC) in una delle colonnine dedicate, con una potenza di ricarica di 50 kW, quindi in circa 40 minuti.
Oltre alla batteria principale la Nissan Leaf è equipaggiata con una batteria ausiliaria da 12 volt al Piombo-Acido, che alimenta computer di bordo, il sistema audio, i tergicristalli, i fari e altre utenze secondarie.
Tra gli optional è presente uno spoiler con un pannello solare integrato che fornisce una funzione di supporto per la ricarica della batteria ausiliaria e riduce quindi il consumo della batteria principale.
RICICLO DELLA BATTERIA USATA
Tutte le case auto, in primis Nissan, si stanno impegnando nel riciclo dei materiali presenti nelle batterie usate, cercando di arrivare ad una soluzione definitiva, prima che il numero delle auto circolanti diventi ingestibile. Già ora, circa il 60% dei materiali viene recuperato e riciclato durante la fase di demolizione della batteria, effettuata dalla stessa casa auto.
Si stima che con l’aumento dei volumi di produzione, il processo di riciclo diventerà sempre più profittevole per la casa, portando la percentuale di recupero fino al 90%.
Un altro progetto interessante per il riciclo, proposto da Nissan ma anche dalla concorrenza, è quello di utilizzare le batterie usate come gruppi di continuità elettrica per gli edifici commerciali, con l’obiettivo di risparmiare il consumo elettrico durante i picchi di consumo, immagazzinando energia durante le ore in cui costa meno e stabilizzare al tempo stesso la rete.
POWER TRAIN
Oltre alla batteria, anche l’unità propulsiva di Leaf ha subito in questi anni diversi aggiornamenti da parte di Nissan, per migliorare le performance e l’affidabilità.
La novità più importante riguarda l’introduzione di un modulo detto PDM (power delivery module), che è posto nella parte alta dell’unità ed è visibile dal vano motore. Il PDM integra al suo interno il caricatore, il trasformatore e la scatola di distribuzione delle linee elettriche ai vari componenti, rendendo più compatto e più leggero l’intero powertrain.
Al di sotto di esso si trova l’inverter, che trasforma la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC) durante l’erogazione della potenza e recupera energia trasformando la corrente alternata in corrente continua, durante le fasi di decelerazione (rigenerazione).
Installato sotto all’inverter, in modo da abbassare il baricentro, si trova il motore sincrono a magneti permanenti in AC, composto da un rotore magnetico e di uno statore su cui sono presenti gli avvolgimenti elettrici.
Il motore è in grado di erogare una potenza costante di 80 kW (109 cavalli) da 3.008 giri/min fino a 10.000 giri/min.
La fase da 0 a 3008 è limitata invece dalla coppia massima, che si attesta a 255 Nm, quasi come quella di un 3 litri aspirato a benzina.
Il motore è accoppiato ai semiassi tramite un rapporto fisso (non vi è un cambio di velocità né un convertitore di coppia), con una riduzione di 8,1938.
Facendo un rapido conto, fino a 367 giri/min alla ruota, l’auto esprime una coppia costante e massima. Trasformando la velocità in radianti si ottiene 38,43 rad / s, che moltiplicati per il raggio di rotolamento effettivo della ruota di circa 0,31 m fanno 11,91 m / s, cioè 42,88 km/h, che è la velocità fino alla quale la coppia del motore rimane massima e costante, dopodiché inizia a calare, in maniera lineare e quasi impercettibile.
E’ quindi nello spunto, nella partenza da fermo fino a 40 / 45 km/h, dove l’auto impressiona maggiormente.
In termini di efficienza energetica del motore, Nissan ha recentemente ottimizzato le caratteristiche meccaniche ed elettriche del motore in modo che nell’utilizzo cittadino, cioè con regimi di rotazione medio/bassi e bassa coppia, possa garantire minori dispersioni e quindi bassi consumi.
FRENATA RIGENERATIVA
Se ipoteticamente provassimo a ruotare manualmente un motore elettrico otterremmo due effetti: il primo è la generazione di una corrente elettrica all’interno del motore, il secondo è la generazione di una coppia contraria alla nostra da parte del motore che si opporrebbe alla rotazione.
La frenata rigenerativa di Nissan Leaf sfrutta entrambi gli effetti per massimizzare la rigenerazione e quindi la durata della batteria.
In fase di rilascio dell’acceleratore infatti, non stiamo fornendo corrente al motore, ma sono le ruote che mettono in rotazione in motore, proprio come nell’esempio sopra: la corrente che si genera all’interno del propulsore, non viene sprecata ma viene convogliata verso la batteria, aumentando così la carica residua.
Più è alta la velocità delle ruote in fase di decelerazione e maggiore sarà la corrente recuperata, anche se Nissan afferma che la Leaf è in grado di recuperare energia anche a velocità bassissime, anche se in valore minore, fino a 3 km/h, quindi nell’uso cittadino.
In modalità B-Mode, selezionabile tramite il joystick al centro della consolle, la Nissan Leaf massimizza la rigenerazione e aumenta quindi sensibilmente l’effetto di “freno motore” quando si rilascia l’acceleratore.
Proprio questo effetto di rallentamento, dovuto alla coppia resistente generata dal motore quando sono le ruote a comandare il suo moto, è sfruttato dal veicolo anche quando viene premuto il pedale del freno.
Un particolare dispositivo elettroidraulico chiamato EDIB (Electric Driven Intelligent Brake), sviluppato in collaborazione con Hitachi è posizionato in virtù del convenzionale servofreno a depressione e comunica istante per istante con la centralina del motore.
Quando il guidatore preme il pedale del freno, un sistema a circolazione di sfere comandato elettronicamente, aziona la pompa dei freni con la giusta intensità. Nel frattempo, il motore elettrico, comandato dalla centralina, attiva la frenata rigenerativa convogliando la coppia resistente alle ruote, in combinazione alla normale frizione disco-pastiglia e al tempo stesso restituisce un feedback sul pedale, che ricorda al guidatore una normale frenata con comando idraulico.
MECCANICA ED HANDLING
La Nissan Leaf si presenta con un’architettura simile ad una vettura tradizionale, senza mettere in secondo piano l’handling o l’abitabilità.
La scelta di installare il pacco delle batterie sotto al pianale, quindi sotto ai sedili anteriori e posteriori, permette di abbassare notevolmente il baricentro e di non sacrificare il baule e l’abitacolo.
Le sospensioni sono di tipo Mac Pherson all’anteriore, scelta quasi obbligata per avere più spazio per l’alloggiamento del motore e dei gruppi elettronici, mentre al posteriore vi è un ponte torcente, in linea con le concorrenti dello stesso segmento.
I freni a disco su entrambi gli assi, ma con dischi autoventilati solo all’anteriore, avranno sicuramente una durata notevole, visto che il loro lavoro viene fortemente sgravato dalla presenza della frenata rigenerativa del motore. Se si rimane accorti alla guida, si sfrutta a dovere la modalità B in rilascio e si evitano le frenate brusche è possibile ridurre ai minimi termini l’intervento delle pastiglie e quindi prolungare la durata dei componenti del freno.
Infine la gommatura, 205/55R16 oppure 215/50R17, appare decisamente abbondante per un veicolo elettrico e prende le distanze dalle scelte fatte da altre case di utilizzare un battistrada molto stretto per ridurre i consumi (la BMW i3 ad esempio monta come base la particolare misura 155/70R19), privilegiando invece la sicurezza in frenata, la tenuta di strada nonché il piacere di guida.
CLIMATIZZAZIONE A RISPARMIO ENERGETICO
Per quanto riguarda il riscaldamento dell’abitacolo, Leaf è la prima ad adottare una pompa di calore, che permette un’efficienza energetica nettamente più elevata rispetto al convenzionale riscaldatore elettrico, di solito utilizzato sulle vetture elettriche. Inoltre, tramite lo stesso sistema, è possibile ottenere la climatizzazione nelle stagioni calde, semplicemente invertendo il ciclo termodinamico.
L’efficienza termica è infine garantita dall’isolamento del tetto, ottenuto tramite l’applicazione di una lamiera di alluminio termo-riflettente e da un’intercapedine d’aria interposta tra la lamiera e parte esterna del tetto.
CONNETTIVITA’
L’elevata tecnologia presente all’interno di Leaf non poteva di certo trascurare la connettività e le applicazioni multimediali.
L’applicazione Carwings è stata recentemente sostituita dalla nuova NissanConnect EV: mantiene tutti gli elementi del sistema originale, ma aggiunge nuove funzioni, un processo di attivazione più semplice e un nuovo design.
Una delle funzioni più apprezzate, che è stata richiesta proprio dagli utenti di Leaf, è la capacità di dialogare con la vettura a distanza: ad esempio tramite la possibilità di controllare lo stato di carica del veicolo o la possibilità di attivare il riscaldamento o il raffreddamento dell’abitacolo, prima di salire in auto tramite il proprio smartphone.
Un’altra miglioria del nuovo sistema NissanConnect EV è la nuova mappa di ricarica, capace di mostrare quali colonnine di ricarica sono disponibili e quali sono utilizzate.
Lo schermo touchscreen da 7” installato nella consolle centrale include poi una versione aggiornata del sistema di navigazione ed integra l’interessante sistema di monitoraggio della vettura a 360° (around view monitor), che restituisce una vista di tutto lo spazio che circonda la vettura in fase di manovra, grazie alla integrazione delle immagini catturate dalla telecamera posteriore, di quella del parabrezza e di quelle integrate negli specchietti retrovisori.
CONCLUSIONI
L’auto elettrica non spaventa più, perché la tecnologia delle batterie è finalmente arrivata ad un livello da poter essere immessa sul mercato senza incertezze.
Lo sviluppo delle tecnologie di contorno, come i controlli di gestione del motore elettrico, l’utilizzo di materiali termoisolanti e la connettività con i nuovi smartphone, massimizzano i vantaggi e le potenzialità di una vettura elettrica, che molto probabilmente vedrà nei prossimi anni un incremento esponenziale di vendite nel mondo.
Nel panorama delle auto elettriche, Nissan Leaf è un prodotto di successo, perché con un costo contenuto include al suo interno novità di livello mondiale nell’ambito della ricerca tecnologica del settore e soprattutto perché è un progetto vivo, che evolve per far fronte alle richieste di un pubblico esigente.
