Trazione

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Una maggiore protezione dell’ambiente, nuovi mercati, meno dipendenza dalle fonti energetiche fossili: la mobilità, e in particolare la costruzione di automobili, sono in una fase di ripensamento. L’evoluzione della mobilità elettrica è un tema sul quale l’industria si sta interrogando su scala mondiale e che porrà le basi del futuro. Si tratta della chiave della mobilità che tiene conto dei cambiamenti climatici. Un importante volano di questo cambiamento è costituito dalle normative approvate dalla politica. Entro il 2020 i costruttori di auto europei dovranno raggiungere, sulla loro flotta composta dalle auto nuove, una media sulle emissioni di soli 95 grammi di CO₂/km.

Per Porsche il futuro è elettrico. Nel 2025 la metà di tutte le Porsche vendute avrà la trazione elettrica

È un dato di fatto che il numero di auto elettriche su scala mondiale stia salendo vertiginosamente. All’inizio del 2018 il loro numero totale era di circa 3,2 milioni di unità, un tasso di crescita del 55% rispetto all’anno precedente. Il conteggio comprende tutti i veicoli che vengono riforniti di corrente elettrica, anche le auto ibride plug-in. Il mercato è trainato soprattutto dalla Cina, dove le auto elettriche attualmente in circolazione sono già più di 1,2 milioni. Solo nel 2017 si sono aggiunte al parco circolante 579.000 unità. Negli USA il loro numero nel 2017 è cresciuto di 195.000 esemplari, raggiungendo i 750.000. Per fare un confronto, la Germania sta tenendo male il passo. E pur tuttavia vi è stato un aumento di 54.490 unità, per arrivare a un parco circolante di 92.740 auto. La loro percentuale, rispetto a tutte le immatricolazioni di auto nuove, è stata dell’1,6%. Se i tassi di crescita dovessero mantenersi approssimativamente sui livelli del 2017, il numero di nuove immatricolazioni annuali di auto elettriche nel 2025 dovrebbe superare nel mondo i 25 milioni di esemplari.

Per Porsche il futuro è elettrico. L’azienda vuole passare alla mobilità elettrica più rapidamente di tutti gli altri produttori di auto tedeschi. Nel 2025 la metà di tutte le Porsche vendute avrà la trazione elettrica. Come primo modello elettrico, Porsche nel 2019 introdurrà sul mercato la sportiva Taycan. Al momento i calcoli prevedono vendite pari a circa 20.000 unità all’anno, il che corrisponde a circa due terzi dei numeri attuali della 911.

→ LE SFIDE

Le direttive politiche riguardanti i valori di riferimento nel campo delle emissioni di ossido di azoto e di CO₂ danno impulso all’elettrificazione nell’industria automobilistica, tanto quanto il fenomeno dell’urbanizzazione. Il mondo tende a concentrarsi nelle città, è così ovunque. Dal 2007 le persone che vivono nelle città hanno eguagliato quelle che vivono nelle campagne. In alcune parti dell’Asia e dell’Africa l’esodo nelle città raggiunge velocità di picco assolute. Le megalopoli come Tokyo, Mumbai o Shanghai sono segni dell’urbanizzazione che avanza.

Gli effetti per l’industria automobilistica sono immensi. Il compito più importante per Porsche è quello di contribuire alla creazione del cambiamento, con vetture che siano sportive, uniche nel design e adatte all’impiego quotidiano, grazie a un elevato raggio di autonomia. Le sfide: come nasce un’auto elettrica che, per prestazioni ed efficienza, per dinamica di guida e adattabilità all’uso quotidiano, riesca ad essere un riferimento e a dettare lo standard? Come si riesce a compensare il peso delle batterie? Cosa deve avere una vettura elettrica per trasmettere le tipiche sensazioni Porsche?

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Per la prima Porsche totalmente elettrica gli ingegneri di Weissach hanno sviluppato un concetto di trazione che s’ispira al principio dell’«Intelligent Performance», un punto fermo racchiuso in tutte le Porsche. «Per la Taycan abbiamo deciso di adottare motori sincroni a magneti permanenti (PSM)», ci dice il direttore del progetto della trazione, Heiko Mayer. «Questa tipologia di motori coniuga un’elevata densità prestazionale con una potenza durevole e la massima efficienza». Due motori sincroni a magneti permanenti di questo tipo, simili a quelli che sono stati adottati sull’auto vittoriosa a Le Mans, la 919 Hybrid, producono un movimento rotatorio che può intervenire in qualsiasi momento, grazie al fatto che un rotore magnetizzato in forma permanente viene costretto a un movimento rotatorio dal campo magnetico dello statore.

I motori elettrici PSM sono i turbo tra i propulsori elettrici. Convincono per la loro potenza duratura e per l'elevata efficienza. Nella Taycan uno dei motori spinge l’assale posteriore, l’altro le ruote anteriori. Insieme erogano oltre 440 kW (600 CV) e vengono alimentati da accumulatori che devono fornire un raggio di autonomia di 500 km. In meno di 3,5 secondi permettono alla Taycan di raggiungere i 100 km/h, mentre i 200 km/h si toccano sotto i 12 secondi. Anche sotto il profilo della trasformazione dell’energia elettrica, la trazione data dai PSM risulta assai efficiente, omogenea e con prestazioni altamente durevoli, sviluppando nell’uso anche una quantità di calore relativamente bassa. Anche una Porsche dotata di trazione elettrica è naturalmente adatta a essere utilizzata in pista.

Oltre a ciò i motori PSM permettono una forma costruttiva molto compatta. Mayer dichiara: «In questo modo, a parità di prestazioni, possiamo installare motori e batterie più piccoli e più leggeri». Per risparmiare ancora più spazio le bobine magnetiche dei motori elettrici sono costruite con la cosiddetta tecnologia hairpin. «Gli avvolgimenti che compongono le bobine non hanno una sezione rotonda, ma rettangolare», ci spiega Naser Abu Daqqa, il responsabile di tutte le trazioni elettriche presso Porsche. «In questo modo possiamo far sì che gli avvolgimenti siano alloggiati in modo più compatto affinché le bobine contengano più rame. Il tutto allo scopo di aumentare la potenza e la coppia, a parità di volume». Anche l’elettronica prestazionale della Taycan è tarata sull’efficienza. Gli invertitori di corrente, che trasformano la tensione continua della batteria in tensione alternata per il motore elettrico, non lavorano, come avviene normalmente, a una frequenza di ripetizione fissa, ma al contrario variabile e continua. «In questo modo il motore elettrico gira sempre nelle migliori condizioni di esercizio», ci spiega Mayer. Sulla base dell’«Intelligence Performance» è gestito anche l’impianto di raffreddamento. I sensori della temperatura raccolgono in tempo reale i dati del raffreddamento necessario. Un software fa in modo di far arrivare immediatamente il liquido di raffreddamento al posto giusto. Quando il pilota spinge sul pedale del gas, anche il raffreddamento gira al massimo e fa sì che la potenza rimanga costante.

Batteria

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Le batterie sono il cuore pulsante delle vetture elettriche. A confronto con le vetture dotate di motore a combustione, le auto elettriche sono considerate tuttavia più care e, generalmente, vengono accettate come poco plausibili sulla base del loro ridotto raggio di autonomia, delle infrastrutture e delle strutture di erogazione, ancora oggi carenti. Anche la sicurezza delle batterie provoca dei mal di pancia ad alcuni acquirenti. La tecnica delle batterie è complessa e pone i produttori di fronte a nuove sfide. I requisiti delle batterie a uso automobilistico, nei modelli elettrici, sono molto elevati.

 «Il raggio di autonomia è uno dei criteri di acquisto più importanti per la clientela di auto elettriche», dichiara Otmar Bitsche, direttore del Reparto E-Mobility di Porsche. Attualmente lo standard è rappresentato dalle batterie ad alto voltaggio, basate sulla tecnologia di ultima generazione agli ioni di litio. Queste possono attualmente fornire circa 270 Watt ogni ora per kg (Wh/kg). Come sta avvenendo nello sviluppo della telefonia mobile e nelle sue batterie, la tecnologia degli accumulatori sta vivendo uno sviluppo costante con un progresso che arriva fino al 5% all'anno.

La sempre crescente importanza della mobilità elettrica in tutto il mondo, stimola gli sviluppatori a trovare le soluzioni migliori: le ricerche si stanno concentrando non solo sull'ottimizzazione delle già esistenti tecnologie agli ioni di litio con materiali innovativi, ma anche su tecnologie completamente nuove basate su elettroliti solidi.

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Sono tre i fattori essenziali che determinano lo sviluppo. Primo: il peso. Secondo: la temperatura. Terzo: la disponibilità delle materie prime. Teoricamente, già oggi, sono possibili raggi di autonomia di oltre 500 chilometri, ma con un handicap: il peso dei pacchi batteria. È per questo che gli ioni di litio vengono immagazzinati nel minor spazio possibile. Quanti più ce ne stanno in una batteria, tanti più saranno gli elettroni, e quindi la quantità di energia, che potranno essere immagazzinati nello stesso spazio. Per far questo, all’interno della cellula vengono modificati dei processi fisici e chimici a livello atomico e molecolare. Inoltre, una batteria ha un funzionamento ottimale solo in presenza di temperature ideali, per un accumulatore agli ioni di litio stiamo parlando di temperature comprese tra 20 e 40 °C. Ciò vale allo stesso modo sia per la fase di carica sia per il funzionamento in condizioni di marcia. Per concludere, i produttori di automobili devono affrontare altre due sfide fondamentali: la disponibilità delle materie prime nonché un approvvigionamento sostenibile.

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La velocità al posto del peso: è questo il filo conduttore a Weissach. Anziché riuscire a integrare delle batterie pesanti, Porsche punta sulla ricarica rapida. A questo scopo, la corrente scorre attraverso circa 400 celle collegate in parallelo e in serie. Ogni singola cella ha una tensione pari a circa 4 Volt. Grazie alla gestione tramite il management della batteria, si crea così, semplificando, una batteria a 800 Volt. «La grande sfida è stata quella di garantire l'enorme potenza della batteria nell'intero spettro della temperatura, sia durante la ricarica sia durante il consumo», afferma Nora Lobenstein, responsabile di tutti i sistemi di immagazzinamento di energia presso Porsche. Le soluzioni sono un protocollo di ricarica intelligente e un sistema efficiente di scambiatore di calore, in grado di portare rapidamente le batterie alla temperatura di esercizio e di raffreddarle in maniera affidabile in caso di forti sollecitazioni, ad esempio in caso di elevata richiesta di potenza o di ricarica rapida. Lo scopo del sistema di ricarica rapida di Porsche è di effettuare in una quindicina di minuti la ricarica per un'autonomia di 400 chilometri. Oltre alle brevi soste di ricarica, il vantaggio dell’impiego della tecnica a 800 Volt è anche la presenza di cablaggi più sottili all’interno dell’auto, accorgimento che fa risparmiare peso.

Una Porsche ha un ciclo di vita estremamente lungo, più delle auto di altri marchi. E deve essere così anche per le batterie

Ma con questo Lobenstein non liquida l’argomento batteria come risolto. Questo perché la sostenibilità a Weissach è molto più che un semplice concetto di marketing. È per questo che gli sviluppatori Porsche stanno già lavorando intensamente al riutilizzo futuro delle batterie. In linea di principio vale il detto che una Porsche ha un ciclo di vita estremamente lungo, più delle auto di altri marchi. Deve essere così anche per le batterie. Una seconda vita, come minimo. 

Ricarica

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Grandi distanze tra le stazioni di ricarica, modelli di pagamento eterogenei, sistemi di prese elettriche in concorrenza tra loro, reti di corrente troppo deboli e il tentativo di far entrare nuova corrente nelle batterie vuote: tutto questo crea non poche difficoltà. Standard internazionali per una distribuzione capillare sul territorio, con stazioni di ricarica moderne per milioni di auto elettriche? Finora tutto non pervenuto. Fondamentalmente si possono distinguere la ricarica conduttiva e la ricarica induttiva. Nella ricarica conduttiva il trasferimento di energia tra la rete di corrente e il veicolo avviene per mezzo di un cavo di ricarica e un sistema a presa elettrica. Nella ricarica induttiva l’energia tra la rete di corrente e il veicolo viene trasferita attraverso l’induzione elettromagnetica.

Nella ricarica conduttiva, ovvero la ricarica tramite cavo, si distingue tra la ricarica a corrente alternata (AC), la quale avviene collegandosi alle tradizionali prese elettriche da 400 Volt e consente una ricarica fino a 22 kW, e la ricarica a corrente continua (DC) per un massimo di 350 kW. La ricarica AC si impiega principalmente a casa e sul posto di lavoro, quella DC quando si è in giro, per una ricarica rapida. Per la ricarica AC è necessario un wallbox o un cavo apposito per collegare presa elettrica e veicolo. Per utilizzare le colonnine pubbliche di ricarica AC basta un cavo speciale con spina CCS.

Il calcolo del fabbisogno energetico supplementare entro il 2025 sembra rimanere abbastanza prevedibile. In base alle previsioni, la domanda di energia dovuta alla mobilità elettrica aumenterà in maniera contenuta a seconda delle regioni. Solo entro il 2035 il fabbisogno di corrente salirà notevolmente. Responsabile di ciò sarà soprattutto lo sviluppo in Cina.

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Scendi, apri il bocchettone del serbatoio, infili la pistola di rifornimento, paghi e dopo un paio di minuti riparti: è così che è abituato l’automobilista. È pur vero che fondamentalmente la tecnica necessaria alla ricarica dei veicoli elettrici è disponibile, quindi l’allestimento dell’infrastruttura di ricarica è già iniziato su scala europea. Eppure un procedimento di ricarica rapida e semplice per i veicoli elettrici, sia sulle autostrade sia in ambito urbano, richiede accordi e convenzioni internazionali che non sono affatto una cosa ovvia. È richiesto l’intervento della politica, poiché le rare colonnine di ricarica rapida oggi disponibili difficilmente dispensano corrente superiore ai 50 kW. Solo dopo un tempo di ricarica di circa un’ora il numero degli elettroni immagazzinato nella batteria è sufficiente per percorrere la tappa successiva di 250 km. Le domande sono le seguenti: è possibile rifornirsi di corrente in modo più veloce? È possibile creare un numero sufficiente di punti di ricarica standardizzati? E com’è possibile rafforzare le reti elettriche? 

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La costruzione di una rete di ricarica per le auto elettriche diffusa sul territorio durerà anni. Affinché il processo possa velocizzarsi, scende in campo Porsche: «La ricarica rapida funziona solo con una maggiore potenza di ricarica, questo è stato chiaro fin dall’inizio», afferma Fabian Grill che assiste Porsche nella realizzazione dell’infrastruttura di ricarica. I suoi colleghi hanno già creato importanti presupposti per realizzare ciò: la Taycan, la prima sportiva di Porsche a trazione totalmente elettrica, lavora con un accumulatore da 800 Volt. E Porsche sta facendo pressioni per la realizzazione di un’infrastruttura di ricarica rapida.

L'azienda persegue tre opzioni. La prima è la ricarica a casa, possibile tramite colonnina di ricarica o tramite metodo induttivo per mezzo di un sistema a pavimento, la seconda è la ricarica nelle città, pensabile tramite le infrastrutture già esistenti e la terza è la ricarica lungo le principali arterie stradali d'Europa. Di questo si occupa la joint venture Ionity. Insieme al Gruppo BMW, alla Daimler AG, alla Ford Motor Company e al Gruppo Volkswagen Audi, Porsche sta ponendo le basi per la costruzione della più potente rete di ricarica rapida per auto elettriche in Europa. La costruzione e la gestione di un totale di circa 400 parchi di ricarica rapida entro il 2020 costituisce un passo importante per garantire la mobilità elettrica, anche a largo raggio, e per farla affermare sul mercato. Ciascun parco di ricarica rapida Ionity disporrà di numerose colonnine di ricarica, grazie alle quali ogni 100 fino a 150 chilometri le vetture potranno effettuare la ricarica lungo la rete autostradale europea. Se il numero delle vetture elettriche aumenta, cresce anche l'infrastruttura. In tal modo i clienti, indipendentemente dalla marca e dalla potenza del veicolo, potranno accedere entro il 2020 a migliaia di punti di ricarica HPC (HPC High Power Charging, carica ad alta potenza). La potenza di ricarica fino a 350 kW per ogni punto di ricarica consentirà ai veicoli predisposti appositamente di ricaricarsi molto più velocemente, a confronto con i sistemi attualmente disponibili.

Insieme all'affiliata Porsche Engineering, Porsche punta su un proprio concetto modulare di parchi di ricarica ultraveloce

La filosofia è inserire la presa elettrica e attivare la ricarica rapida. Il pagamento avviene in maniera totalmente automatica. Porsche, con l’affiliata Porsche Engineering, punta su un proprio concetto modulare di parchi di ricarica ultraveloce. Sia che si tratti di singole stazioni in campagna o di dozzine di colonnine di ricarica sulle strade a scorrimento veloce e sulle autostrade, si tratta di un sistema intelligente che può essere replicabile su larga scala quasi a piacimento. Questo è importante al fine di riuscire a gestire i parchi di ricarica in maniera efficiente e redditizia. Per i clienti Porsche conta, in primo luogo, che riescano a ricaricare il loro veicolo rapidamente, anche laddove non esistano forti reti di corrente. Ricarica rapida, in concreto, vuol dire avere su ogni punto di ricarica Porsche una durata di una quindicina di minuti per un raggio di autonomia di 400 km. I comandi delle colonnine di ricarica per mezzo di display touch sono simili a quelli di un bancomat, e allo stesso tempo sicuri. Lo sviluppo di una infrastruttura di ricarica che serva tutto il Paese viene portato avanti anche negli USA e in Cina.

La soluzione indicata da Porsche si può adottare per ogni veicolo elettrico perché l’elettronica gestionale riconosce di che tipo di batteria si tratta e va a ridurre la corrente di carica, nel caso il modello non sia predisposto per la carica rapida. Con questa infrastruttura, dallo spirito pionieristico risulterà la naturalezza della quotidianità e la sicurezza di un raggio di autonomia adeguato.