Capire le BEV, attraverso due parole: dinamica e statica

L’elogio della statica, passando per l’evoluzione del calcolo automatico, per capire le auto elettriche

Il sig. Franco Fellicò, esperto informatico ed appassionato di auto (patentato dal 1953!!!), nonché possessore di un’auto elettrica da più di un anno, ormai non può essere definito solo un lettore del blog, ma un collaboratore, visto che invia spesso degli articoli interessanti da sottoporre ai lettori di Tutto Automotive. Vi consiglio vivamente di leggere tutto l’articolo che trovate di seguito, in quanto è davvero interessante. 

Attraverso un viaggio tra l’evoluzione del calcolo automatico, e cenni storici, si comprende come e perché, l’auto elettrica (BEV), sia più efficiente di un auto con motore endotermico (ICE). Dinamica e statica, le parole chiave per comprendere quanto sia utile il passaggio alla mobilità elettrica. Buona lettura e buon viaggio nella storia dell’informatica e della tecnica automobilistica. Colgo l’occasione per ringraziare il sig. Fellicò, per l’enorme lavoro svolto, per scrivere soprattutto quest’articolo.

Dinamica e Statica

Questi due termini dovrebbero essere tenuti ben presente dagli automobilisti. Dinamica implica MOVIMENTO (che significa anche rumorosità, lentezza e molti attriti). Statica implica QUIETE (che significa silenziosità, velocità e nessun attrito).

Mi piace anche aggiungere che gli attriti producono CALORE che in genere deve essere dissipato e come tale rappresenta una dispersione di energia non desiderata.

Molti prodotti ideati dall’uomo, in genere quelli di tipo meccanico, sono pieni di parti in movimento e quindi utilizzano molto la dinamica. Ma ci sono anche molti altri prodotti, per lo più quelli di tipo elettrico o elettronico, che sono statici e quindi sembrano essere sostanzialmente FERMI pur fornendo servizi utili.

In una larga parte dei prodotti sviluppati dall’uomo sono presenti sia parti in movimento che parti statiche, ma la tendenza è sempre quella di ridurre al minimo quelle in movimento e massimizzare invece quelle statiche.

Gli albori dell’informatica

Un esempio sicuramente noto a tutti è quello dei dispositivi per il calcolo matematico. Molti anni fa, quando si sono cominciate a sviluppare delle macchine calcolatrici si è utilizzata la meccanica. Molti dei lettori ricorderanno certamente le macchine calcolatrici degli anni 50 che erano un insieme di “ferraglie” azionate inizialmente da una manovella e poi da un piccolo motore elettrico che dopo aver impostato degli addendi consentivano di fare delle somme che venivano scritte su un rotolo di carta da dei martelletti. Con le macchine più evolute era possibile fare anche delle moltiplicazioni e divisioni, ma poiché esse erano realizzate con un insieme di somme o di sottrazioni il meccanismo si muoveva da solo, azionato dal motorino elettrico per un bel po’ di tempo fino a produrre il risultato.

Quelle macchine, che comunque risolvevano uno dei problemi dell’umanità, erano dunque LENTE e RUMOROSE. E quindi vorrei osservare che tutto ciò che è in movimento è necessariamente più o meno LENTO e più o meno RUMOROSO.

Ma nei decenni successivi si pensò di affidare il calcolo matematico all’elettronica e nacquero le prime calcolatrici elettroniche. In questo caso sono solo degli elettroni che si muovono, in assoluto silenzio, in modo a noi non visibile e alla velocità della LUCE (300.000 km al secondo).

I risultati diventarono così all’improvviso quasi istantanei, senza alcun rumore e solo al termine occorreva attendere che i martelletti scrivessero i risultati sul rotolo di carta. Ma ben presto qualcuno pensò di rendere immediato anche l’esposizione del risultato, furono così eliminati i martelletti meccanici  e sostituiti con dei DISPLAY (i primi erano dei NIXIE a gas e poi quelli a LED a 7 segmenti).

La nascita del computer

Ma intanto stavano nascendo i computer, che potrebbero essere visti come una grossa evoluzione delle calcolatrici visto che sono capaci, oltre che a fare calcoli anche ad usare la logica, ma anche nei primi computer, anche se la maggior parte delle funzioni era affidata all’elettronica (sinonimo di VELOCITA’ e SILENZIOSITA’) essi avevano qualcosa di meccanico, infatti per immettere dati da elaborare si usavano le schede perforate che richiedevano di essere lette da una macchina meccanica. I dati elaborati dovevano pur essere esposti in qualche modo e di solito si usavano le stampatrici, macchine quindi meccaniche che nella migliore delle ipotesi riuscivano a stampare 1.200 righe al minuto. Erano macchine molto veloci, ma al confronto con la parte elettronica che si occupava dell’elaborazione erano LENTISSIME e anche RUMOROSE.

I computer richiedevano degli archivi in cui memorizzare dati e questi archivi erano sempre più imponenti e allora nacquero i nastri magnetici prima e poi i dischi magnetici, anche se la memorizzazione non era di tipo meccanico i supporti dovevano essere mossi o fatti girare da grossi motori elettrici. Le velocità erano notevoli ma non all’altezza di quelle “elettroniche”.

Nella continua ricerca di velocizzare il tutto, i progressi si sono fatti SOLO eliminando le parti meccaniche (quindi in movimento) e sostituendole con parti elettroniche (quindi STATICHE e FERME).

I computer moderni sono l’emblema della staticità

E così per mostrare i risultati si sono usati schermi video e poi display LED, i nastri magnetici sono scomparsi e infine i dischi magnetici (hard disk) anch’essi meccanici sono stati sostituiti da  SSD (Solid State Disk) e cioè da memorie STATICHE che funzionano a velocità elettronica.

In un computer moderno oggi non c’è più nessuna parte in movimento, tutto è elettronico e quindi assolutamente silenzioso e con velocità elettroniche.

Le uniche parti che ancora hanno un po’ di meccanica sono le stampanti dove comunque tutto è elettronico (stampanti LASER) mentre solo l’alimentazione della carta è ancora meccanico.

Ho voluto ripercorrere l’evoluzione del calcolo automatico che è abbastanza noto a tutti per dimostrare come per velocizzare, semplificare e rendere più silenzioso (quindi per migliorare l’efficienza di un dispositivo) l’unico modo è quello di ridurre al minimo le parti in movimento e questo si può ottenere QUASI SEMPRE sostituendo le parti meccaniche con parti elettriche e/o elettroniche.

Per questo motivo sono scomparsi i TIMER meccanici delle prime lavatrici e le macchine fotografiche reflex sono state sostituite dalle MirrorLess dove niente più è in movimento.

Ora che certamente avete già capito il perché tutta questa lunga premessa, vorrei far riflettere i lettori su quello che sta accadendo nel campo automobilistico.

Le auto termiche e gli attriti

Le auto termiche che da oltre 100 anni sono in essere rimangono sostanzialmente completamente meccaniche, anche se negli ultimi anni qualche piccolo intervento atto a sostituire qualcosa con l’elettronica si è fatto. Esaminiamo allora una ICE (auto termica) moderna e proviamo ad elencare tutto ciò che in essa è in continuo movimento:

1. I PISTONI rappresentano i primi dispositivi che si muovono continuamente, essi vanno su e giù da più o meno da 1.000 a 5.000 o 6.000 volte al minuto.
2. L’ALBERO A GOMITI che gira vorticosamente azionato dalle bielle attaccate ai pistoni
3. Le VALVOLE che aprono e chiudono a seconda delle necessità l’accesso alle camere di scoppio dei cilindri
4. L’ALBERO A CAMME (ce ne sono 1 o 2) che fa aprire e chiudere le valvole
5. La CATENA o CINGHIA DI DISTRIBUZIONE che, prelevando il movimento dall’albero a gomiti, fa ruotare l’albero a camme
6. La POMPA DELL’ACQUA che deve far circolare l’acqua nel radiatore
7. La VENTOLA del radiatore che raffredda il radiatore in cui circola l’acqua bollente prodotta dal motore
8. L’ALTERNATORE necessario a ricaricare la batteria
9. La CINGHIA che fa girare l’alternatore prelevando il movimento dall’albero a gomiti
10. La FRIZIONE i cui dischi ruotano e consentono di disaccoppiare quando necessario il motore dal cambio
11. Il CAMBIO che ha un numero notevoli di ingranaggi che girano e si incastrano tra loro in combinazioni diverse per modificare il rapporto tra il numero di giri del motore e quello delle ruote.
12. La POMPA DEL CARBURANTE che invia il carburante al carburatore o agli iniettori
13. La POMPA INIEZIONE che provvede a iniettare ad altissima pressione il carburante nei cilindri, soprattutto dei motori diesel
14. I DISCHI DEI FRENI che girano insieme alle ruote
15. Le PASTICCHE DEI FRENI che si devono avvicinare meccanicamente ai dischi quando occorre rallentare la vettura
16. La POMPA DEI FRENI che serve a far muovere con un sistema idraulico le pasticche dei freni ai dischi
17. Il DIFFERNZIALE (ce ne possono essere anche due) che consistono in un altro insieme di ingranaggi che consento di regolare la diversa velocità delle ruote quando si affronta una curva.
18. Le RUOTE che finalmente rappresentano l’unica cosa veramente necessaria che con il loro roteare consentono alla vettura di muoversi.

Gli attriti provocano rumore e calore

Tutti i componenti che ho elencato, oltre a consentire che la vettura possa muoversi producono RUMORE che è ovviamente diverso per ciascuno di essi e che in certi casi è così forte da richiedere appositi e ingegnosi sistemi atti almeno ad attutirlo (contralberi, volano bimassa…)

Questi dispositivi inoltre producono SEMPRE, anche se in misura diversa, ATTRITI che contrastano il movimento e richiedono potenza aggiuntiva per farli muovere. Gli attriti inoltre producono CALORE che in certi casi è così elevato da mettere in pericolo i componenti stessi che lo generano tanto che qualche volta occorre dissiparli con appositi sistemi che spesso sono anch’essi in movimento.

Ho elencato solo i componenti più importanti e più noti presenti in un’auto termica, ma ce ne sono sicuramente tanti altri. Ma vale la pena di ricordare che quasi tutti i dispositivi elencati richiedono di essere controllati dal guidatore dell’auto o anche da sistemi automatici. Quindi vale la pena di vedere anche i principali controlli necessari e notare che anche la maggior parte di essi sono dei controlli meccanici. Quindi ecco un altro elenco:

• Il PEDALE DELLA FRIZIONE che il guidatore deve usare all’avvio dell’auto e quando deve cambiare marcia
• La LEVA DEL CAMBIO che il guidatore deve usare per cambiare marcia o per innestare la retromarcia
• Il PEDALE DEL FRENO che il guidatore deve usare per far avvicinare le pasticche dei freni ai dischi
• Il PEDALE DELL’ACCELERATORE che consente al guidatore di comandare l’afflusso di carburante ai cilindri
• Il VOLANTE che consente al guidatore di intervenire sulla posizione delle ruote direttrici (in genere le anteriori) allo scopo di regolare la direzione di marcia.

La meccanica coadiuvata dall’elettronica

Questi organi di controllo erano inizialmente tutti MECCANICI, le azioni venivano fatte giungere al relativo dispositivo da controllare a mezzo di leve o tiranti o anche fili di acciaio in guaine flessibili. Presto però alcuni (come controllo freni e anche frizione) sono diventati idraulici e cioè sostituiti da tubicini in cui scorre olio pompato da apposite POMPE la cui pressione è funzione di quella esercitata dal guidatore. Altri sono rimasti meccanici per l’esecuzione del comando anche se aiutati da altri dispositivi (come il servosterzo o il servofreno) che vengono comandati anche elettricamente.

Si può vedere come lentamente la meccanica ha iniziato ad essere quanto meno coadiuvata da dispositivi elettrici. La leva del cambio è diventata spesso una piccola levetta sotto il volante che invia solo un comando elettrico ad un dispositivo anch’esso elettrico che innesta le varie marce.

Poi però per semplificare la guida si è eliminato il pedale della frizione e la leva del cambio e il controllo è stato affidato ad un dispositivo (questa volta elettronico e anche informatico) che basandosi sulla necessità di potenza delle ruote e anche in funzione del numero di giri del motore decide di iniziativa quale marcia inserire, il cambio automatico!

Quest’ultimo ha semplificato la guida complicando però la parte tecnica, dove si sono resi necessari anche dei dispositivi di controllo automatici che sono rimasti meccanici anche se fatti muovere da sistemi elettrici. Come si è visto quindi, sommessamente l’elettricità prima e subito dopo l’elettronica e con essa anche l’informatica sono cominciate ad essere presenti anche nelle auto.

Si è cominciato dai controlli e se ne sono aggiunti anche altri come l’ABS o l’ESP tutti gestiti automaticamente da sistemi elettronici/informatici.

Ma così come era avvenuto nei computer non ci si poteva fermare e FINALMENTE (come ho scritto anche in un mio articolo: leggi qui.) si è affrontata “di petto” tutta la meccanica e si è deciso di cercare di FERMARE la maggior parte dei movimenti che ho elencato sopra sostituendo la maggior parte di quello che era dinamico con dispositivi elettrici per generare il movimento, ed elettronici/informatici per il controllo.

Le BEV sono il risultato di questa rivoluzione

Le BEV sono esattamente il risultato di questa rivoluzione! Nelle BEV è consentito ovviamente che le ruote girino, ma si è tentato in ogni maniera di eliminare quante più parti meccaniche in movimento erano presenti. I motori termici con tutti i suoi ammennicoli sono stati sostituiti da uno o più motori elettrici il cui rotore si muove anch’esso ma quasi senza alcun attrito e quindi senza generare né RUMORE né CALORE. Il cambio e la frizione sono scomparsi perché il motore elettrico è fermo quando non è alimentato e man mano che lo si alimenta gira a velocità sempre più crescenti con una forza (coppia motrice) che è abbastanza costante, per cui non ha alcun bisogno di demoltiplicare o moltiplicare la sua rotazione.

L’energia elettrica è stata, almeno per ora, resa disponibile dalla presenza di una batteria ad alto voltaggio e grossa capacità che altro non è che un dispositivo elettrico assolutamente STATICO e che quindi non genera né RUMORE né ATTRITI.

La corrente elettrica di una batteria è in CORRENTE CONTINUA mentre i motori sincroni che sono i più efficienti e normalmente sono quelli utilizzati nelle BEV richiedono una corrente alternata. Per questo è stato necessario aggiungere un INVERTER che è un dispositivo elettrico/elettronico, sempre completamente STATICO (quindi silenzioso, veloce e fermo), che alimentato dalla corrente continua la trasforma nella corrente alternata necessaria ai motori. Ma l’inverter può anche “facilissimamente” variare anche la frequenza della corrente alternata prodotta, cosa che consente di regolare senza alcun dispositivo aggiuntivo la velocità dei motori.

Tre componenti fondamentali + il recupero dell’energia in frenata

Questi TRE componenti fondamentali (batteria, inverter e motore elettrico) sono in grado di sostituire quasi TUTTE le parti in movimento elencate sopra e precisamente sostituiscono completamente quelle dall’1 al 13 del precedente elenco. Rimangono in essere e quindi in movimento tutte le altre (dal 14 al 18) ma occorre osservare che quelle relative ai FRENI (dal 14 al 16) pur rimanendo presenti anche nelle BEV non sono quasi più necessarie perché utili solo in rari casi. Infatti con la guida ONE-PEDAL i rallentamenti si effettuano semplicemente riducendo la pressione sull’acceleratore o rilasciandolo completamente e solo raramente è necessario usare i freni.

Questo sistema consente inoltre di ricaricare un pò la batteria utilizzando l’energia cinetica (frenata rigenerativa) che nelle ICE invece viene dispersa. Il lavoro lo fanno il motore elettrico e l’inverter, quest’ultimo con un comando trasforma il motore in un generatore di energia elettrica (come fosse un alternatore). Quando il motorie è in quello stato, frena la vettura generando elettricità, l’inverter la riceve e si incarica di raddrizzarla per renderla continua e la immette nella batteria.

Ovviamente non sono solo tre i componenti di una BEV, ma ci sono anche altri dispositivi necessari, ma null’altro di meccanico occorre, per cui oltre al rotore del motore elettrico, al differenziale e alle ruote, tutto il resto è STATICO e quindi ricordate, che questo significa: silenziosità, velocità e mancanza di attriti.

Nuovi sviluppi

Come ho anche provato ad immaginare in un altro mio articolo precedente è probabile che il prossimo organo meccanico a scomparire possa essere il differenziale, mentre nel futuro lontano finiranno per scomparire anche i motori elettrici e finanche le ruote.

Ma allora ci sarà un nuovo grande cambiamento perché sarà probabilmente la gravitazione che consentirà di far muovere le auto senza nessun attrito, azzerando anche il consumo delle gomme perché le vetture viaggeranno probabilmente sospese a pochi centimetri dal suolo mosse da un qualcosa di completamente nuovo, capace di contrastare la gravità. Ma quel nuovo sistema sarà anch’esso certamente alimentato da energia elettrica, e sarà sicuramente controllato dall’elettronica/informatica. E allora tutto sarà completamente STATICO!

Franco Fellicò