La stragrande maggioranza delle auto elettriche oggigiorno non utilizza il cambio. Ci sono tre ragioni principali per cui ciò accade, ma prima di approfondire i dettagli, dobbiamo spiegare cos'è un cambio e cosa fa in un'auto ICE. In questo modo sarà più semplice capire perché il cambio non è di fondamentale importanza nelle auto elettriche. Cercheremo anche di spiegare i casi in cui può essere un'aggiunta utile e quali benefici apporta.
Cos'è un cambio e cosa fa in un'auto ICE?
I motori ICE, a differenza dei motori elettrici, non producono abbastanza coppia al minimo per poter muovere il veicolo, abbiamo bisogno di regimi più alti per produrre più coppia. Ma il range di giri del motore è limitato e di conseguenza la velocità della vettura sarebbe limitata ed è per questo che usiamo il cambio. In poche parole, un cambio abbinato al rapporto al ponte è un moltiplicatore di coppia. Potresti aver già sentito parlare di rapporti di trasmissione e di trasmissione finale, ma forse non sapevi cosa significano queste cifre.
Cominciamo dal rapporto di trasmissione. Supponiamo che tu abbia selezionato la 1a marcia nella tua auto ICE. Supponiamo inoltre che la 1a marcia abbia un rapporto di 3:1. Ciò significa che la coppia prodotta dal motore viene moltiplicata per 3. Per determinare quante volte viene moltiplicata la coppia nelle ruote dell'auto, dobbiamo considerare anche il rapporto finale. Se, ancora una volta, il rapporto di trasmissione finale è 3:1, la coppia alla ruota dell’auto è nove volte la coppia del motore. Se il motore della tua auto produce 200 Nm di coppia in 1a marcia con i rapporti sopra indicati, la coppia alla ruota è 200 Nm x 9 = 1800 Nm.
Senza il cambio questa moltiplicazione non sarebbe possibile, e l'auto rimarrebbe ferma anche se premessimo a fondo sull'acceleratore. Il cambio di un'auto ICE deve essere progettato in modo tale da combinare perfettamente le caratteristiche di potenza e coppia del motore, la sua efficienza ai diversi carichi e, naturalmente, la velocità massima specificata dagli ingegneri per il veicolo scelto.
Queste soluzioni, nonostante i grandi sviluppi degli ultimi decenni, rappresentano ancora un compromesso. I cambi introducono le proprie inefficienze nell’intera trasmissione, aumentando il consumo di carburante e le perdite di energia.
Che succede con le auto elettriche?
I motori elettrici hanno tre proprietà native che risolvono i problemi tecnici nello sviluppo del cambio e, nella maggior parte dei casi, rendono il cambio superfluo. Queste proprietà sono la coppia elevata a partire da zero giri al minuto, la capacità di giri elevati dei motori elettrici e le velocità massime limitate elettronicamente. Copriamo queste proprietà una per una.
La coppia elevata a partire da zero giri è abbastanza ovvia. Ricordare che i riduttori sono principalmente dispositivi che moltiplicano la coppia. Se si dispone di una coppia elevata a partire da zero giri, non è necessario moltiplicarla ulteriormente utilizzando più rapporti di trasmissione.
La cosa di fondamentale importanza, tuttavia, è la capacità di regimi elevati. Poiché il motore elettrico può ruotare fino a 20.000 giri/min, con un'elevata coppia disponibile su tutta la gamma, la velocità massima è facilmente raggiungibile con un solo rapporto. L’ultima ragione è la velocità massima limitata elettronicamente di un’auto elettrica. Ciò non avviene solo a causa della mancanza di un cambio, ma anche a causa del contenuto energetico relativamente basso delle attuali batterie ad alto voltaggio rispetto ai combustibili liquidi.
Diamo un'occhiata alla BMW i4 eDrive 40 per capirlo meglio: ha una coppia massima del motore di 430 Nm da 0-5000 giri al minuto e un rapporto combinato di trasmissione e trasmissione finale di 11.115:1. Ciò significa che la coppia della ruota è di 4780 Nm! Ora è chiaro perché le auto elettriche, in generale, sono le re dei semafori.
Supponiamo che la velocità massima dell'auto sia di 190 km/h. Alla velocità massima, il motore gira a 16.500 giri al minuto. Ad una velocità autostradale tipica di 130 km/h, il motore gira a circa 11.300 giri/min. Come puoi vedere in questo esempio, il motore elettrico ha un range di giri sufficiente per soddisfare tutti i requisiti senza bisogno di un riduttore.
Il paradigma Porsche e Audi
La Porsche Taycan e l'Audi E-Tron GT utilizzano entrambe un cambio a due velocità nel motore posteriore. Ora, prima di dire “Ehi, ci hai appena detto che il cambio non è necessario nelle auto elettriche”. Idealmente, vorremmo avere un rapporto di trasmissione corto a velocità medio-basse per un’accelerazione più rapida e un rapporto di trasmissione più lungo a velocità più elevate per ridurre il numero di giri del motore elettrico.
Perché è necessario ridurre il numero di giri del motore a velocità più elevate? Ebbene, per due motivi. Innanzitutto, riducendo il numero di giri del motore, ne miglioriamo l'efficienza (attraverso meno controelettromotrici e correnti parassite) e quindi migliora anche l'autonomia dell'auto. E il secondo motivo è la possibilità di raggiungere velocità massime più elevate senza un'eccessiva rotazione del motore.
Il problema con l’adozione di cambi a due velocità è la difficoltà tecnica per questi di gestire l’immensa e istantanea coppia prodotta dai motori elettrici. Tuttavia, alcuni produttori stanno attualmente sviluppando cambi a due velocità per le auto elettriche.
Se riescono a produrli su larga scala con solida affidabilità e prezzi ragionevoli, potremmo vedere più auto tradizionali impiegarli invece che solo supercar come Porsche Taycan e Audi e-Tron GT. Tuttavia, la complessità aggiuntiva e il prezzo elevato superano di gran lunga i potenziali vantaggi.
