Perché un'auto a 48 volt: i motivi principali del passaggio ai veicoli ibridi leggeri MHEV

Secondo i dati degli analisti di JATO Dynamics, la quota di auto dotate di tecnologia Mild Hybrid sul mercato europeo ha rapidamente superato la soglia del 25% e continua a crescere con decisione. Se in passato l'elettrificazione era appannaggio esclusivo dei marchi di lusso, oggi il sistema a 48 volt è diventato lo standard di base per il segmento di massa, dalle city car alle grandi SUV.

Perché i gruppi automobilistici mondiali hanno messo in atto una rivoluzione tecnica così silenziosa ma su larga scala? Per gli ingegneri si è rivelato l’unico modo disponibile per soddisfare contemporaneamente tre rigidi requisiti del mercato: ridurre in modo significativo il consumo di carburante, rispettare i severi limiti ambientali e aggiungere dinamismo alle auto senza aumentare la cilindrata del motore.

Ma molti proprietari di auto e meccanici delle officine hanno ancora dei dubbi sul mild hybrid: di cosa si tratta in realtà, di un ennesimo espediente di marketing o di una reale necessità? Cerchiamo di capire come funziona questa architettura, dove si nascondono i risparmi e perché le officine dovrebbero prepararsi già ora alla sua manutenzione.

Mild hybrid: che cos'è in realtà e in cosa si differenzia da un'auto con motore a combustione interna e da un ibrido completo (HEV)

Nel settore automobilistico esiste ancora un errore diffuso: si dice che un mild hybrid a 48 volt sia un'auto normale, in cui sono stati installati una batteria leggermente più grande e un motorino di avviamento più potente. Questo non è assolutamente vero. L'MHEV rappresenta uno schema di interazione tra le parti elettriche e meccaniche dell'auto fondamentalmente diverso. In precedenza, nel nostro blog, abbiamo già spiegato l'architettura a 48 V e la sua differenza rispetto ad altri tipi di ibridi.

È importante comprendere che un mild hybrid non è un ibrido a tutti gli effetti (HEV - Hybrid Electric Vehicle) nel senso classico del termine, come ad esempio la Toyota Prius. A differenza degli ibridi completi o degli ibridi plug-in (PHEV), un'auto con sistema MHEV non è in grado di muoversi esclusivamente con la trazione elettrica. Qui non c'è un motore elettrico di trazione di una certa potenza, in grado di muovere l'auto quando il motore a combustione interna è spento.

Il cuore del sistema è costituito da un compatto modulo a 48 volt che funge da ausilio al motore principale a benzina o diesel. Esso interviene nelle condizioni operative critiche, in cui l'efficienza del motore a combustione interna è minima, e garantisce i seguenti processi:

• Assistenza in fase di avvio e accelerazione: il motore elettrico aggiunge coppia all'albero motore, compensando la mancanza di coppia ai bassi regimi durante le accelerazioni intense.
• Recupero di energia in frenata: accumulo di energia cinetica che in precedenza veniva irrimediabilmente dissipata nell'aria sotto forma di calore attraverso le pastiglie e i dischi dei freni.

La differenza tecnica fondamentale rispetto al tradizionale schema a 12 volt risiede nella produttività. Un normale generatore di corrente alternata da 12 V per auto è in grado di erogare e recuperare non più di 1-1,5 kW di energia. Il motorino di avviamento-generatore a 48 V recupera fino a 12-15 kW di energia durante la decelerazione. Questa notevole quantità di energia viene accumulata in una batteria separata agli ioni di litio con una capacità di circa 0,5-1 kWh.

A seconda della configurazione, le case automobilistiche utilizzano due tipi principali di componenti a 48 V:

1. BSG (Belt Starter Generator) / RSG: motorino di avviamento-generatore a cinghia. Viene installato al posto del generatore di serie e collegato all'albero motore tramite una cinghia policlinica rinforzata. Si tratta della soluzione più semplice, economica da produrre e diffusa, facilmente integrabile nell'architettura dei motori esistenti senza necessità di modificare il blocco cilindri.
2. ISG (Integrated Starter Generator) / ISG: Avviatore-generatore integrato. Questo motore elettrico viene montato direttamente tra il motore e il cambio (di fatto al posto del volano). Questo schema è notevolmente più costoso, ma molto più efficiente: eroga una coppia maggiore, è privo delle limitazioni della trasmissione a cinghia e garantisce un avvio del motore a combustione interna assolutamente silenzioso e istantaneo.

Allo stesso tempo, la classica batteria al piombo da 12 volt non scompare. Nell'auto funzionano in parallelo due reti: quella a bassa tensione da 12 V (responsabile del sistema multimediale di bordo, delle serrature, degli alzacristalli e dell'illuminazione interna) e la rete di alimentazione da 48 V dell'auto, collegate tra loro tramite uno speciale convertitore bidirezionale di corrente continua (DC/DC converter).

Motivo 1. Risparmio reale di carburante: come funzionano i tre meccanismi ingegneristici

Quando le case automobilistiche parlano di efficienza nei consumi, gli scettici pensano subito ai test di laboratorio WLTP, lontani dalla realtà. Tuttavia, l'introduzione dell'architettura a 48 V garantisce un risparmio di carburante del tutto reale e tangibile per i veicoli ibridi, compreso tra il 10 e il 15% nei cicli di guida misti e urbani. Analizziamo i tre meccanismi chiari grazie ai quali si ottiene questo risultato.

1. Efficace recupero di energia durante la frenata dell'auto

In modalità urbana, il conducente alterna continuamente accelerazioni e frenate davanti a semafori, attraversamenti pedonali e in caso di ingorghi. Ogni volta che si rilascia il pedale dell'acceleratore o si preme il freno, il recupero dell'energia di frenata dell'auto porta lo starter-generatore a 48 volt in modalità di generazione. Invece che tramite la resistenza dei freni, l'auto rallenta grazie al campo magnetico del motore elettrico. L'elettricità gratuita così ottenuta viene immediatamente inviata alla batteria agli ioni di litio per alimentare i sistemi elettrici dell'auto o trasformarsi in trazione aggiuntiva durante l'accelerazione.

2. Start-stop ultraveloce e confortevole di nuova generazione

I normali sistemi "Start-Stop" a 12 volt infastidiscono i conducenti: il motore si spegne al semaforo e il suo successivo avvio è accompagnato da una vibrazione percepibile, dal "ringhio" del motorino di avviamento e da un ritardo di circa 700-900 millisecondi. Spesso i conducenti disattivano semplicemente questa funzione tramite un pulsante sul cruscotto, vanificando così tutta la logica del risparmio.

Il sistema mild hybrid a 48 volt cambia radicalmente questo processo. Un potente motorino di avviamento-generatore (soprattutto di tipo ISG) porta l'albero motore alla velocità operativa in soli 300-400 millisecondi, più velocemente di quanto il conducente riesca a spostare il piede dal pedale del freno a quello dell'acceleratore. L'avvio avviene in modo assolutamente silenzioso, senza alcuna vibrazione della carrozzeria. Inoltre, l'elettronica ha la possibilità di spegnere il motore a combustione interna in anticipo: non quando l'auto si è già fermata, ma mentre sta ancora procedendo a una velocità inferiore a 20-22 km/h o durante la marcia stabile in autostrada "in folle" (modalità Sailing/Coasting). Non appena si tocca l'acceleratore, il motore a combustione interna si avvia istantaneamente e in modo impercettibile.

3. Liberazione del motore dai "parassiti" meccanici

In un'auto classica, il motore è costretto a consumare parte della sua potenza utile per azionare gli accessori tramite trasmissioni a cinghia. Il compressore dell'aria condizionata, la pompa del sistema di raffreddamento, la pompa del servosterzo: tutti questi componenti sottraggono preziosi cavalli di potenza e grammi di carburante anche quando non è richiesta la loro massima produttività.

Il passaggio alla rete a 48 V ha permesso agli ingegneri di rendere autonomi questi dispositivi e di alimentarli elettricamente. Il compressore elettrico a 48 V dell'impianto di climatizzazione o la pompa di raffreddamento consumano esattamente l'energia necessaria in quel momento, indipendentemente dal numero di giri del motore a combustione interna. Questo alleggerisce notevolmente il carico sul motore e fa risparmiare carburante.

Caso reale: test indipendenti sulla popolare Volkswagen Golf 1.5 eTSI (dotata di sistema MHEV a 48 V) rispetto a una Golf 1.5 TSI analoga a benzina hanno mostrato una riduzione costante del consumo di carburante in condizioni urbane di 0,4-0,6 litri ogni 100 km percorsi. Nel contesto dell'utilizzo quotidiano e delle flotte aziendali, si tratta di cifre enormi in termini di risparmio.

Motivo 2. Requisiti ambientali e pressione delle autorità di regolamentazione: perché le case automobilistiche si stanno affrettando

Per comprendere appieno il motivo per cui le auto hanno 48 volt, è necessario guardare alla situazione con gli occhi dei top manager dei marchi automobilistici. L'introduzione di massa delle MHEV non è tanto una preoccupazione altruistica per l'ambiente, quanto una protezione pragmatica e ben calcolata del business da ingenti sanzioni finanziarie da parte delle autorità di regolamentazione internazionali.

I rigidi standard ambientali in vigore in tutto il mondo mettono le case automobilistiche in una situazione senza via d'uscita. Ad esempio, la legislazione dell'Unione Europea ha obbligato i marchi automobilistici a ridurre il livello medio di emissioni di anidride carbonica (CO2) su tutta la loro gamma di modelli entro limiti severi:

• Entro il 2021 questo indicatore doveva essere pari a non più di 95 g di CO2/km.
• Entro il 2025 la soglia è scesa ancora più in basso, a 81 g di CO2/km.
• Sono previste norme Euro 7 sulle emissioni di CO2 ancora più rigorose e complete, che valuteranno la tossicità dei gas di scarico in qualsiasi condizione di funzionamento, anche nelle più estreme, e in caso di avviamento a freddo.

Il prezzo di un errore si misura in miliardi. Già ora, per ogni singolo grammo di superamento del limite di CO2 stabilito su ogni auto venduta, il costruttore automobilistico è tenuto a pagare una multa di 95 euro. Quando un'azienda vende un milione di auto all'anno, un superamento della norma di soli 3-5 grammi comporta automaticamente centinaia di milioni di euro di perdite nette.

Perché allora non convertire completamente e immediatamente l'intera gamma di modelli in veicoli elettrici puri (BEV)? Perché l'industria mondiale e gli acquirenti finali non si sono dimostrati tecnologicamente ed economicamente pronti a questo:

• L'infrastruttura di ricarica di massa in molte regioni è ancora agli albori.
• Il costo delle grandi batterie di trazione rimane elevato, il che rende le auto elettriche inaccessibili alla classe media.
• Gli stabilimenti non possono riorganizzare immediatamente le linee di assemblaggio senza il rischio di un arresto della produzione.

La tecnologia 48V Mild Hybrid è diventata la soluzione commerciale di compromesso ideale. L'integrazione di un sistema ibrido leggero riduce le emissioni di CO2 di 10-20 grammi per chilometro, consentendo di mantenere con sicurezza i motori a combustione interna nei limiti di legge. Allo stesso tempo, il costo di implementazione della sovrastruttura a 48 volt per lo stabilimento è relativamente basso: è di gran lunga più economico rispetto alla progettazione di un ibrido PHEV completo con una batteria enorme e ricarica esterna. Ciò ha permesso di mantenere i classici motori a combustione interna sulla linea di produzione, proteggendo le case automobilistiche dalle sanzioni delle autorità di regolamentazione senza un aumento radicale dei prezzi per il consumatore finale.

Motivo 3. Più potenza da un motore più piccolo

È errato ritenere che l'ecologia e il risparmio abbiano soffocato il carattere dinamico delle auto moderne. Al contrario, il sistema a 48 volt dell'auto ha aperto agli ingegneri nuove opportunità per migliorare le caratteristiche dinamiche e l'elasticità dei motori, appianando i principali problemi costruttivi della moderna ingegneria motoristica.

Un tempo, nel tentativo di ridurre il consumo di carburante, gli ingegneri hanno intrapreso la strada radicale di ridurre la cilindrata dei cilindri, installando contemporaneamente un sistema di sovralimentazione efficiente. Tali motori danno ottimi risultati sulla carta, ma nella realtà presentano un difetto sostanziale: il cosiddetto "turbo lag". A bassi regimi (fino a 1500-1800 giri/min) i gas di scarico non sono sufficienti per far girare la girante della turbina, quindi quando si preme bruscamente l'acceleratore l'auto inizialmente "esita", e solo dopo segue una brusca accelerazione.

L'elettrificazione della rete di bordo risolve questo problema in due modi:

1. Spinta elettrica istantanea in fase di sorpasso

Al momento della partenza da fermo o in caso di forte accelerazione per un sorpasso in autostrada, il motorino di avviamento-generatore a 48 volt (BSG/ISG) passa istantaneamente alla modalità motore elettrico. Aggiunge da 10 a 20 Nm di coppia direttamente all'albero motore proprio in quella fascia di giri (1000-2500 giri/min) in cui la turbina non ha ancora raggiunto la pressione di esercizio. La trazione elettrica colma il vuoto, garantendo una risposta lineare, prevedibile e, soprattutto, immediata dell'auto all'acceleratore.

2. Compressore elettrico ad alta efficienza da 48 V

Nei modelli premium e sportivi (ad esempio, Audi SQ7, Mercedes-Benz C300de) l'energia della rete di alimentazione alimenta un componente unico: il compressore elettrico a 48V. Si tratta di un compressore aggiuntivo, la cui girante viene azionata da un potente motore elettrico compatto in frazioni di secondo (meno di 250 millisecondi), indipendentemente dal flusso attuale dei gas di scarico. L'elettrocompressore crea immediatamente la pressione di sovralimentazione necessaria nei cilindri, eliminando completamente il concetto di "turbo lag" come fenomeno.

Grazie a ciò, le case automobilistiche hanno avuto la possibilità di ottenere elevate prestazioni da motori di cilindrata modesta, garantendo al conducente un'accelerazione fluida, sicura e affidabile in qualsiasi situazione di guida.

Cosa cambia nei sistemi di sterzo

Oltre a tutto quanto sopra menzionato, l'introduzione dell'architettura a 48 volt ha portato cambiamenti fondamentali nella struttura e nei principi di funzionamento dei sistemi di sterzo.

In primo luogo, l'aumento della tensione ha definitivamente segnato la fine dei classici sistemi di servosterzo idraulico (PSA) con trasmissione a cinghia dalla puleggia del motore a combustione interna. Al loro posto sono subentrati inevitabilmente i sistemi di servosterzo elettrico (EPS / EPS) e i gruppi elettroidraulici (EHPS).

In secondo luogo, nel segmento dei crossover pesanti, dei SUV full-size, dei pick-up e delle berline premium, la potenza standard della rete a 12 volt non è più sufficiente per alimentare efficacemente i servocomandi elettrici. Per far girare le ruote di un fuoristrada pesante o di un'auto con telaio di grandi dimensioni sul posto, sono necessarie correnti elevate. In una rete a 12 volt ciò comporta un forte surriscaldamento del cablaggio, la necessità di utilizzare cavi di alimentazione spessi e pesanti e, di conseguenza, perdite di energia.

L'uso di un servosterzo elettrico a 48 V permette di risolvere diversi importanti problemi ingegneristici:

• Riduzione della corrente e del peso: secondo la legge di Ohm, aumentando la tensione di 4 volte (da 12 V a 48 V), per trasmettere la stessa potenza è necessaria una corrente 4 volte inferiore. Ciò ha permesso di ridurre la sezione dei cavi di alimentazione, rendere più compatta la scheda di controllo dell'amplificatore e alleggerire notevolmente il peso complessivo della cremagliera dello sterzo.
• Maggiore potenza e precisione: l'EPK a 48 volt funziona molto più velocemente e sviluppa una forza notevolmente maggiore sull'albero dello sterzo. Ciò è di fondamentale importanza per l'integrazione di sistemi di guida autonoma, funzioni di mantenimento della corsia, parcheggio automatico e manovre attive in situazioni di emergenza.
• Compatibilità con telai complessi: l'alimentazione a 48 volt consente di alimentare contemporaneamente non solo il servosterzo, ma anche gli stabilizzatori attivi di stabilità trasversale e i sistemi di sterzatura dell'asse posteriore, trasformando il telaio in un unico complesso digitale ad alta velocità.

La diagnostica, la manutenzione e la riparazione delle cremagliere dello sterzo con EPK di nuova generazione richiedono una conoscenza approfondita dell'architettura dei bus CAN e FlexRay ad alta velocità per autoveicoli, della disponibilità di scanner e oscilloscopi specializzati e autorizzati, nonché della comprensione degli algoritmi di sincronizzazione del blocco di controllo dello sterzo con il controller generale a 48 volt che gestisce l'impianto ibrido.

Cosa significa questo per le officine: la prospettiva B2B del mercato dell'assistenza

Le officine indipendenti e le officine di assistenza non devono farsi prendere dal panico né percepire l'avvento della tecnologia MHEV come una minaccia per il proprio business. Si tratta di una naturale evoluzione del mercato e chi per primo adotterà i nuovi standard otterrà un serio vantaggio competitivo. Si può ipotizzare che già tra 3-5 anni gran parte delle auto che arriveranno sui ponti sollevatori per la manutenzione post-garanzia saranno proprio ibridi leggeri a 48 volt.

Cosa cambia esattamente nel lavoro del tecnico addetto all'accettazione e del meccanico, e cosa rimane invariato?

Novità:

1. Batterie agli ioni di litio (48 V): richiedono un controllo speciale dei parametri di temperatura, il bilanciamento delle celle e procedure di sicurezza specifiche.
2. Componenti BSG: gli starter-generatori a cinghia creano un carico maggiore sulla cinghia di trasmissione e sui rulli di tensione a causa del continuo cambiamento dei vettori di forza (a volte il motore fa girare il generatore, a volte il generatore fa girare il motore). Le cinghie qui sono rinforzate e il programma di sostituzione deve essere rigorosamente rispettato.
3. Sistemi complessi di raffreddamento a liquido: poiché i blocchi dei convertitori DC/DC e il BMS delle batterie generano un intenso calore, sono spesso collegati al circuito di raffreddamento generale o dedicato dell'auto. Il centro di assistenza deve essere in grado di effettuare la manutenzione di questi sistemi senza sgonfiare i circuiti.

Leggete nel portfolio della nostra azienda come gli specialisti dell'officina STS eseguono con successo la riparazione di veicoli MHEV, nonché di veicoli con altri sistemi ibridi.

Ciò che rimane:

il classico motore a combustione interna, gli elementi delle sospensioni, l'impianto frenante, la maggior parte dei componenti della trasmissione, persino la parte meccanica dello sterzo: tutto questo viene sottoposto a manutenzione e riparato secondo schemi tecnologici standard e consolidati da tempo.

Pertanto, i responsabili delle officine non hanno bisogno di investire urgentemente decine di migliaia di dollari nell'acquisto di attrezzature pesanti completamente nuove. Tuttavia, è di fondamentale importanza investire nella formazione del personale. Gli elettrauti e i diagnostici devono comprendere chiaramente la logica di interazione tra la rete a 12 volt e quella a 48 volt, essere in grado di disinserare in sicurezza il circuito di alimentazione dell'auto per eseguire lavori di riparazione e leggere correttamente i codici di errore specifici dei sistemi di controllo della trazione ibrida.

Confronto tra le tecnologie delle reti di bordo delle auto

Esaminiamo una tabella comparativa che riflette l'attuale struttura del mercato automobilistico e la posizione della tecnologia Mild Hybrid sul mercato.

Come si può vedere, il Mild Hybrid 48V rappresenta un compromesso razionale ed equilibrato tra i costi di implementazione per il costruttore automobilistico e i reali vantaggi in termini di consumo di carburante e tecnologia per il consumatore di massa. Non richiede al proprietario dell'auto un cambiamento radicale nel modo di utilizzarla (come la ricerca di stazioni di ricarica), ma allo stesso tempo offre tutti i vantaggi chiave dell'elettrificazione moderna.

La vostra officina è pronta per la manutenzione delle auto di nuova generazione?

La tendenza tecnologica è evidente: le auto con architettura a 48 V sono già una realtà quotidiana sulle strade della Polonia e dell'UE in generale, e il loro numero crescerà rapidamente di anno in anno. Per i proprietari di MHEV e i gestori di officine indipendenti è importante avere un partner tecnico affidabile, in grado di fornire un supporto professionale nel campo di soluzioni complesse relative ai gruppi motopropulsori.

La società STS segue da vicino l'evoluzione delle tecnologie automobilistiche. I nostri specialisti dispongono delle competenze necessarie, di apparecchiature diagnostiche di alta precisione e di banchi di prova specializzati per il controllo, il ripristino e la manutenzione delle moderne cremagliere dello sterzo con azionamento elettrico a 48V, delle pompe elettroidrauliche e dei componenti correlati dei complessi sistemi di bordo.

Avete bisogno di una consulenza professionale sulla diagnostica dello sterzo su un'auto ibrida leggera, sulla scelta di ricambi originali o sulla riparazione di un complesso gruppo elettronico? Rivolgetevi agli specialisti di STS.Parts: aiuteremo la vostra auto o la vostra attività a rimanere sempre un passo avanti al progresso tecnologico!