Diario elettrico Renault Captur plugin – Ancora sul motore

Il motore “E-Tech” montato sulla Captur Plugin (nonchè sulla Megan plugin e sulla Clio non-plugin) è frutto di una evoluzione durata 10 anni e iniziata con un modellino fatto col lego mostrato dagli ingegneri Renault ai dirigenti Renault per dimostrare la fattibilità del progetto.

La prima versione dell’E-Tech si chiamava “LocoDiscoBox” (v. brevetto), montato sul prototipo di auto Eolab, e aveva un solo motore elettrico, a differenza dell’E-Tech che ne ha 2: il secondo, più piccolo (25 kW invece che 49) serve a rendere più dolce il cambio marcia alle basse velocità, annullando la decelerazione causata dall’azzeramento momentaneo della coppia del motore principale, necessario per permettere il cambio marcia; in seconda istanza il motore secondario può essere usato anche come motorino di avviamento del termico (=starter) o anche per ricaricare la batteria (generator); è inoltre un motore ad alta tensione come quello principale (400V), da cui il nome di High Voltage Starter-Generator (HSG).

La figura qui sotto, estratta dal brevetto originale e migliorata con testi e colorazione, mostra uno spaccato del motore LocoDiscoBox:

Motore Renault LocoDiscoBox

Già in questo primo modello si può vedere il cuore dell’invenzione: gli alberi-motore concentrici.

L’albero motore termico (giallo) ruota infatti all’interno dell’albero cavo del motore elettrico (blu), rispetto al quale però rimane meccanicamente scollegato e indipendente fino all’inserimento di una marcia:  l’accoppiatore 13 (**), solidale con l’albero secondario (grigio), che, attaccandosi al pignone libero(***) di sinistra (11) o di destra (12) mette in comunicazione l’albero secondario con l’albero elettrico; poichè l’albero secondario è sempre in presa con le ruote (tramite il pignone 16 del differenziale), l’aggancio dell’elettrico al secondario comporta anche l’aggancio dell’elettrico alle ruote. Ma l’albero motore termico non viene coinvolto: l’accoppiatore 13 determina solo il cambio di marcia elettrica da “Elettrica A” (sinistra) a “Elettrica B” (a destra).

Normalmente nelle auto elettriche si tende a non usare il cambio meccanico,  che in genere serve solo nei motori a benzina, che hanno coppia sufficiente a muovere l’auto sono in un intervallo di giri molto ristretto. E’ però anche vero che la coppia costante del motore elettrico non è disponibile “a tutte le velocità”, ma solo fino a una certa velocità, in genere intorno ai 50/60 km/h, dopodichè inizia a calare; introducendo un cambio meccanico, si può anche nel caso dell’elettrico estendere l’intervallo di disponibilità della coppia.

Studiamo la cosa graficamente. Questo grafico mostra orientativamente la curva di coppia della  di un motore a benzina:

Oltre una certa velocità, questo tipo di motore non è più in grado di accelerare un veicolo; quindi sono state inventate le marce, che hanno questo effetto:

L’intervallo di disponibilità di coppia si allarga fino a 180 km/h, anche se al costo di una coppia più bassa (ma meglio bassa che inesistente).

La linea tratteggiata rappresenta la coppia che in linea di massima è disponibile usando motore termico e marce.

Un motore elettrico già  senza marce ha grosso modo un andamento che somiglia a quello della linea tratteggiata:

Aggiungendo una marcia, si estende ulteriormente l’intervallo di disponibilità della coppia costante, normalmente disponibile fino a 50/60 km/h:

Notare che rispetto al termico, l’elettrico ha anche un altro importante vantaggio: la partenza da fermo, per la quale non serve nessuna frizione. Un motore a benzina, infatti, non può fermarsi quando la macchina si ferma temporaneamente, deve continuare a girare, e per farlo serve una frizione che lo stacchi dalle ruote; un motore elettrico, invece, quando la macchina è ferma… è spento. E alla pressione dell’acceleratore si accende istantaneamente, fornendo oltretutto la sua massima coppia, andando così a coprire il “buco di coppia” tipico invece dei motori termici:

Andiamo ora ad analizzare l’evoluzione del LocoDiscoBox,  il motore E-Tech (brevetto US20170129323 del 2017, US10479188B2 del 2019,CN106573529, EP3160786, FR3022495,  JP2017526571,  KR1020170044091,  WO/2015/197927):

Il motore e-tech aggiunge al locodiscobox un secondo motore elettrico ausiliario (29); questo perchè il cambio di marcia non può essere effettuato quando il motore è in coppia, come si dice in gergo, cioè mentre “spinge”, perchè gli ingranaggi sono sotto sforzo; proprio come nel caso del cambio di un’auto termica, infatti, anche per il “cambio elettrico” bisogna “lasciare l’acceleratore” del motore prima di poter cambiare; questo comporta ovviamente una temporanea interruzione dell’accelerazione del veicolo; per ridurla, gli ingegneri Renault hanno aggiunto al LocoDiscoBox un secondo motore elettrico, che prende il sopravvento durante i cambi di marcia elettrica, sostituendosi completamente, per pochi istanti, a quello principale, come illustrato in questa figura:

Nella parte alta della figura sono rappresentati gli andamenti della coppia dei due motori, quello principale (blu) e quello secondario (celeste); durante la fase 2 il motore principale viene gradualmente portato fino a velocità costante (=coppia nulla, linea blu scuro che cala), e contemporaneamente viene accelerato il motore secondario (la linea celeste sale) fino a raggiungere la coppia precedentemente posseduta dal principale. 

Terminata la fase 2, il motore principale non è più in coppia, quindi si può cambiare marcia spostando l’accoppiatore (fase 3).

Una volta spostato l’accoppiatore, si procede all’inverso rispetto a prima, ripristinando la coppia del motore principale (fase 4).

Nella fase 5 il secondario risulta spento e solo il primario è operativo.

Chiaramente, avendo i due motori potenze diverse (49kw e 25 kW nella Renault Captur plugin), la coppia in uscita dal sistema, cioè che  arriva alle ruote, non è costante durante i cambi di marcia, ma comunque il cambio è meno brusco rispetto al caso in cui non c’è affatto un secondo motore elettrico.

Negli schemi stilizzati rappresentati in basso nella figura 9, nella parte alta è rappresentato l’HSG; inizialmente l’HSG è spento (Fig.9/1); quando si deve cambiare marcia elettrica (spostando l’accoppiatore 21  verso destra, passando così da marcia elettrica A a marcia elettrica B), per non dover spegnere il motore elettrico principale si accende il motore secondario (Fig.9/2), e lo si collega all’albero secondario 5 usando l’albero termico solo come “ponte”, senza accendere il motore termico, che gira a vuoto (*), senza ricevere carburante; per farlo, basta spostare a sinistra l’accoppiatore 22, che innesta l’unico ingranaggio libero della catena che va dall’asse 29 all’asse secondario 5.

Quando il il motore secondario raggiunge la velocità dell’albero secondario 5 (sincronizzazione), può iniziare a fornire coppia, mentre il motore primario la perde fino ad azzerarla.

A questo punto si sposta a destra l’accoppiatore 21 (Fig.9/3), innestando la marcia B, ma senza eccessivi sbalzi di accelerazione perchè il motore secondario continua a spingere l’auto.

Una volta innestata la marcia B, il motore secondario non serve più, quindi si riaumenta la coppia del primario e diminuisce quella del secondario (Fig.9/4), che poi viene scollegato meccanicamente riportando al centro l’accoppiatore 22 (Fig.9/5).

Per realizzare questo complesso meccanismo è stato necessario aggiungere al motore un ulteriore albero di trasmissione, l’albero di trasferimento 6, che mette in comunicazione il sistema col motore elettrico secondario tramite l’ulteriore alberino 26, cui può essere associato o meno un accoppiatore/cambio per connettere/sconnettere del tutto l’HSG dal sistema (accoppiatore indicato col n.30 nel brevetto, ma presente solo nelle figure da 10 in poi).

Ciò ha fatto sì che si passasse dai 9 rapporti possibili del LocoDiscoBox, ai 27 dell’E-Tech.

Il diagramma che segue mostra le 9 marce possibili per il LocoDiscoBox; i pallini rossi e blu nello schema a destra indicano le tre posizioni possibili per i due accoppiatori (sinistra, centro (folle), destra); le frecce indicano chi è collegato alle ruote (rosso = termico, blu = elettrico); la “X” indica la posizione di “folle”; EA/EB stanno per Electric A/B (marcia elettrica A o B); T1 e T2 sono le marcie termiche 1 e 2. I numeri a destra dello schema coincidono con i numeri delle marce negli schemi a sinistra.

Marce LocoDiscoBox Renault

Essendo presente nell’E-Tech un ulteriore accoppiatore 23 oltre ai pre-esistenti 21 e 22, i 9 rapporti del LocoDiscoBox si moltiplicano per 3 diventando 27; alcuni di essi, tuttavia, non sono consentiti perchè manderebbero in blocco distruttivo la trasmissione, a causa di un conflitto di innesti tra ingranaggi; le combinazioni utilizzabili risultano quindi solo 15, mentre le restanti 12 devono essere rese impossibili tramite il SW che controlla la commutazione degli accoppiatori.

Dal testo del brevetto:

According to FIGS . 3 and 4 , the function of the transmission may be limited to five of the 3×3 combinations of positions of the coupling devices 22 , 23 of the primary shaft and of the transfer shaft . The combinations selected are used respectively for gears Ice2 and Ice4 and for gear Ice3 and coupling . 

To avoid blocking the transmission due to the unintentional engagement of two combustion engine gears, these two devices may be controlled by a conventional selection / shift system of a manual gearbox , where a shift line is selected before a gear thereon is engaged : to engage all gears illustrated by the 15 – position table in FIG . 3 , and  operate all gear changes necessary for the good function of the transmission , the three coupling devices 22 , 21 , 23 are advantageously controlled by a three – position electric gear shift group and a five – position combustion engine gear shift functional group .

Bisogna cioè rendere inaccessibili 4 delle 9 combinazioni offerte dagli accoppiatori 22 e 23. Per esempio, se sono tutti e due a destra, albero motore e albero 6 risultano connessi sia tramite l’ingranaggio fisso 17 che quello libero 16.

Nel motore E-Tech l’accoppiatore inferiore 21 ha esattamente la stessa funzione dell’accoppiatore inferiore 13 del LocoDiscoBox, cioè gestire le due marce elettriche; cambia invece la funzione dell’accoppiatore superiore (22 nell’E-Tech,5 nel LocoDiscoBox): se prima serviva ad alternare la propulsione tra elettrica pura e termica pura,

 

Personalmente questo meccanismo, geniale e complesso quanto si vuole, mi sembra estremamente inefficiente dal punto di vista energetico, non solo per il fatto di coinvolgere il motore termico anche quando è spento, ma anche per la quantità di ingranaggi e alberi aggiuntivi necessari, tutte cose che rubano/sprecano energia; il tutto per aggiungere una marcia elettrica che probabilmente non serviva, e togliere una frizione che magari serviva.

 

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(*) La cosa mi sembra piuttosto inefficiente in quanto costringe a sprecare energia per muovere l’intero motore termico, mentre forse bastava un altro accoppiatore/sincronizzatore per separarlo temporaneamente dal sistema; oppure… la famosa frizione che questo sistema dice di rendere “non necessaria”;

(**) l’ingranaggio accoppiatore è vincolato a girare alla stessa velocità dell’albero a cui è attaccato, ma può muoversi liberamente lungo l’albero stesso.

(***) i “pignoni liberi” sono ingranaggi che usano l’albero solo come supporto di rotazione, ma non sono vincolati ad essi: l’albero può essere fermo e i pignoni liberi girare, o viceversa.

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Fonti:

• Brevetto US105463777 – motore LocoDiscoBox, di Nicolas Fremau
• Brevetto US10479188B2 – motore E-Tech, di Nicolas Fremau
• ME 59700 – Hybrid and Electric Transportation Lecture Notes, Sohel Anwar, Ph.D., P.E. – Dept. of Mechanical Engineering  – IUPUI
• Animazione funzionamento scatola del cambio (****)

(****) Nota: “Friction”, parola usata nel filmato, non vuol dire “frizione” ma “attrito”; frizione si dice invece “clutch”, mentre “shaft” è l’albero.