L'Alternatore nelle Auto Ibride: Funzionamento, Evoluzione e Impatto

Nel panorama automobilistico contemporaneo, in continua evoluzione verso soluzioni più sostenibili ed efficienti, l'alternatore ha assunto un ruolo di primaria importanza, specialmente nel contesto delle auto ibride. Da semplice generatore di elettricità per la batteria, questo dispositivo si è evoluto in uno dei componenti più sofisticati dei veicoli di nuova generazione. Per comprendere appieno il suo funzionamento e la sua cruciale importanza, è necessario esplorare la sua natura, i suoi principi operativi e le diverse configurazioni che assume nei moderni sistemi di propulsione.

Che cos'è l'alternatore e come funziona in generale

L'alternatore è una macchina elettrica rotante che sfrutta i campi elettromagnetici come mezzo per trasformare l'energia meccanica in elettrica. Questa componente è localizzata nel vano motore ed è essenziale per il funzionamento di un'auto. È composto da due elementi principali: uno fisso, chiamato statore, e uno mobile, denominato rotore. Il primo ha la forma di un cilindro cavo, all'interno del quale ruota il secondo. L'alternatore è collegato al motore tramite due elementi, ovvero la cinghia e la puleggia. La cinghia fa funzionare e alimenta l'alternatore, mentre la puleggia converte l'energia meccanica in energia elettrica.

Per fornire energia elettrica, l'alternatore sfrutta la legge di Faraday relativa all'induzione elettromagnetica. Quando il motore è in funzione, tramite una cinghia mette in movimento il rotore. La rotazione crea un campo elettromagnetico che induce forze elettromotrici negli avvolgimenti dello statore. L'alternatore fornisce così energia elettrica sotto forma di corrente alternata, che viene poi convertita in continua da un raddrizzatore a diodi integrato nell'alternatore stesso per poter essere immagazzinata nella batteria. L'efficienza dell'alternatore è dell'80% circa: ciò significa che all'assorbimento di potenza di un kW del motore corrisponde la generazione di 0,8 kW di elettricità.

In sintesi, l'alternatore dell'auto è una delle parti più importanti del veicolo, poiché la sua funzione è quella di trasformare l'energia meccanica generata dal motore in energia elettrica. È il punto chiave dal quale viene generata tutta l'energia elettrica da cui il veicolo stesso si sostenta.

I componenti chiave dell'alternatore includono:

• La puleggia, che riceve la forza meccanica dal motore a combustione.
• Il rotore, la parte mobile dell'alternatore, composta da un elettromagnete che riceve corrente dal regolatore. L'elettromagnete produce il campo magnetico, con cui reagiscono le bobine dello statore, generando così la corrente elettrica.
• Il regolatore di tensione, che mantiene la massima tensione all'uscita dell'alternatore, regolando gli amplificatori di cui necessita la batteria.
• Lo statore, il luogo in cui avviene la trasformazione da un tipo di energia in un altro, quando è sottoposto al campo di forza. È la parte fissa dell'alternatore e su cui si trova l'avvolgimento trifase.

Conoscere ciascuno dei componenti dell'alternatore auto rende molto più facile comprenderne il funzionamento. Come regola generale, la rotazione della chiave per l'accensione della nostra auto fa sì che avvenga il processo sopra descritto.

Evoluzione dell'alternatore: dalle auto tradizionali agli ibridi

L'alternatore nelle recenti auto con motore endotermico è un generatore elettromeccanico che funziona come una dinamo: sfrutta il principio dell'induzione elettromagnetica. È più affidabile di una dinamo e ha una capacità di adattamento maggiore su mezzi di qualsiasi potenza e allestimento, rappresentando un netto vantaggio rispetto alla dinamo stessa.

Ad esempio, se prendiamo in esame la vettura più venduta in Italia, la Fiat Panda, che ha un alternatore in grado di produrre 55A, questo valore scaturisce da test effettuati dai produttori per determinare la potenza erogabile a un certo numero di giri. In teoria potremmo quindi dire che l'alternatore della Fiat Panda potrebbe caricare in un'ora la sua batteria da 55Ah al massimo numero di giri.

L'evoluzione degli alternatori tradizionali ha portato allo sviluppo dell'alternatore auto Start-Stop, capace di assolvere a diverse funzioni oltre alla semplice ricarica della batteria. Durante la marcia, un sensore della batteria misura costantemente i valori di tensione, temperatura e carica. Nella "fase a freddo", la batteria riesce ad accumulare una carica di tensione maggiore. È possibile regolare l'alternatore in funzione della temperatura, recuperare energia durante la fase di rilascio del motore o innalzare il minimo qualora la corrente di carica prodotta non fosse sufficiente. Ma non solo, con un carico elevato del motore, ad esempio durante un sorpasso o con una guida con elevata coppia e numero di giri, l'alternatore viene "disinserito e reinserito" in funzione dei valori del sensore batteria, pedale acceleratore e altri componenti. Così gli alternatori intelligenti riescono a diminuire i consumi e abbattere la produzione di CO2. Nel caso in cui la vettura fosse dotata della funzione Eco Start-Stop, l'alternatore in determinate condizioni di marcia provvede contemporaneamente alla ricarica della batteria principale e quella supplementare utilizzata per la funzione stessa. È interessante notare che anche le auto elettriche hanno necessità di ricaricare la batteria 12V.

Nel 2007, Daimler ha introdotto sul mercato un nuovo tipo di alternatore, l'alternatore-starter, una nuova concezione dell'avviamento motore, il tutto racchiuso nell'acronimo MHD, ovvero micro-hybrid. Questo sistema è azionato a cinghia come i precedenti ma è capace di spegnere l'auto agli stop e avviarla senza l'ausilio del motorino di avviamento, permettendo così di abbattere i consumi fino al 13%. L'alternatore starter, dunque, prendeva il posto del motorino di avviamento e ricaricava la batteria di bordo, il tutto gestito da una centralina dedicata al sistema.

Una tipologia evoluta di alternatore-starter la ritroviamo nelle vetture con alimentazione 12-48V. Nei veicoli con alternatore-starter un'elettronica di potenza ha il compito di gestire quanta energia viene prodotta dall'alternatore e accumulata nella batteria 48V. Mediante il convertitore CC/CC questa energia elettrica è trasferita all'impianto 12V per il normale funzionamento degli utilizzatori. L'alternatore convenzionale non c'è e il sistema a 48V alimenta la rete a 12V condividendo la corrente necessaria all'avviamento del motore. Non solo, l'alternatore-starter riesce anche a supportare il motore endotermico in accelerazione, generando così una potenza supplementare e riducendo i consumi di carburante.

Il funzionamento dei sistemi ibridi e il ruolo dell'alternatore-starter

Il motore ibrido funziona grazie alla sinergia del tradizionale motore a benzina con quello elettrico a batteria. Sono due motori indipendenti che hanno due diverse sorgenti di energia: l'elettricità contenuta nella batteria e il combustibile tradizionale contenuto nel serbatoio. È importante sottolineare che la presenza del motore elettrico a batteria recupera l'energia cinetica, prodotta nelle fasi di frenata e di decelerazione, che viene riutilizzata per aiutare o per escludere completamente il motore termico.

I veicoli ibridi, apparsi per la prima volta come modelli sperimentali all'inizio del XX secolo, utilizzano un sistema integrato di alternatore e motorino di avviamento (ISA). L'energia cinetica recuperata durante la frenata rigenerativa viene convertita in energia elettrica e immagazzinata nella batteria. L'alternatore è gestito dalla centralina elettronica del motore (ECU), che determina la strategia di regolazione della tensione in base alle diverse condizioni di guida. L'ECU comunica con il sensore intelligente della batteria e il regolatore di tensione per ottimizzare l'efficienza del carburante.

Le auto ibride possono contare su tre diversi tipi di powertrain, in base al livello di tecnologia e di elettrificazione.

Mild Hybrid (Ibrido Leggero)

Il termine Mild Hybrid letteralmente significa Ibrido Leggero e con questa terminologia si definisce il primo livello di elettrificazione delle automobili. È una tecnologia che viene applicata su motori termici, siano essi alimentati a benzina o a gasolio, per aumentarne l'efficienza, diminuirne i consumi e limitarne le emissioni. Il sistema Mild Hybrid è meno impegnativo rispetto a un sistema Full Hybrid e sicuramente più economico e alla portata di tutti.

Le vetture ibride con soluzioni Mild Hybrid sono dotate di uno starter generator che sostituisce il tradizionale motorino di avviamento e l'alternatore. Lo starter generator assolve quindi a molteplici compiti fungendo da starter, alternatore, motogeneratore e supporto al motore termico nelle fasi di accelerazione. Questo sfrutta un motore elettrico di piccole dimensioni, nella maggior parte dei casi azionato a cinghia (BSG - Belt driven Starter Generator) che funge da alternatore/starter, da motogeneratore e da supporto al motore termico nelle fasi di accelerazione. L'unità elettrica entra in funzione nei momenti in cui il powertrain termico è più in affaticamento, ovvero quando consuma di più e le emissioni sono più alte. Infatti, il motore termico lavora in modo ridotto soprattutto in fase di partenza. Permette di ridurre di un 15% i consumi rispetto ad un modello uguale a benzina o a gasolio.

Lo starter generator può essere integrato all'interno del cambio, in questo caso si parla di ISG (Integrated Starter Generator), oppure all'esterno del cambio e collegato al sistema di trazione tramite una cinghia, in questo caso si parla di BSG. Ognuno dei due sistemi ha pro e contro che meritano attenzione:

• ISG (Integrated Starter Generator)
  • PRO: maggiore potenza erogata
  • CONTRO: maggiori costi di produzione
• BSG (Belt driven Starter Generator)
  • PRO: minori costi di produzione
  • CONTRO: minore potenza erogata

La potenza dello starter generator varia in base al tipo di veicolo: 2-3 kW per le auto più compatte e fino a 8-12 kW per quelle più grandi. Un dato importante per capire la capacità di supporto al motore termico in fase di accelerazione.

Durante le fasi di veleggiamento e frenata, il motore ad alimentazione tradizionale fa girare il motogeneratore, ricaricando così il pacco batteria di piccole dimensioni. Quando l'auto rallenta o decelera si crea energia che viene immagazzinata in una piccola batteria agli ioni di litio dedicata e collegata all'alternatore. Questa poi restituisce l'energia al sistema quando l'elettromotore entra in azione parallelamente a quello termico. Attenzione che il sistema elettrico non è in grado di muovere autonomamente la vettura (come avviene nell'ibrido classico o nel plug-in) quindi questa non potrà mai viaggiare in modalità 100% elettrica. Nonostante questo, i modelli che dispongono della tecnologia Mild-hybrid sono omologati come veicoli ibridi e quindi possono accedere a una serie di agevolazioni a loro riservate.

La tecnologia Mild Hybrid può essere sviluppata in diversi modi a seconda della potenza dell'alternatore (motore) che viene montato. Infatti, alcune auto montano un motore da 12 Volt che fornisce uno spunto energetico davvero ridotto. A metà ci sono quelle da 22,5 Volt (utilizzato poco), un intermedio che permette un aiuto minimo nei momenti in cui il sistema tradizionale ne ha bisogno. Infine, i più sviluppati e prestanti sono quelli da 48 Volt. Il supporto elettrico permette di avere un maggiore spunto in fase di partenza, ricordiamo che un powertrain elettrico ha la coppia disponibile già da subito. Inoltre, anche in fase di accelerazione e ripresa, la coppia sarà più pronta che con un motore termico. Infine, non si percepisce quando lavora un propulsore e quando l'altro entra a supporto, ciò significa che la guida è gradevole e la progressione fluida e lineare.

Le case costruttrici dichiarano una riduzione dei consumi pari ad un 15%. Ovviamente molto dipende dal tipo di utilizzo e dallo stile di guida, dalla potenza del motore elettrico e dal fatto che sia ISG o BSG. Possiamo dire che mediamente si risparmiano 0,7 litri ogni 100 Km percorsi. La tecnologia Mild Hybrid incide sul prezzo di vendita per circa un migliaio di euro, ma anche in questo caso dipende dalla potenza del motore elettrico installato e dalla tensione dell'impianto ibrido.

I modelli Fiat Panda Hybrid e Fiat 500 Hybrid sono equipaggiati con motori BSG (Belt driven Starter Generator), che aiutano a ridurre i consumi e migliorano le prestazioni complessive del veicolo. La tecnologia e-Coasting permette inoltre di ricaricare la batteria in fase di decelerazione, un ulteriore passo verso l'efficienza energetica. Il sistema BSG entra in funzione in fase di avviamento della vettura, in fase di accelerazione e durante le ripartenze. Le vetture sono equipaggiate con il dispositivo Dual Battery Switch Module che provvede a distribuire la corrente elettrica nel sistema. La batteria di supporto è di tipo al litio da 12V. Sono dotate di tecnologia e-Coasting, grazie alla quale, in fase di decelerazione, la batteria al litio viene ricaricata. Inoltre, la tecnologia e-Breaking provvede ad aumentare l'energia recuperata entrando in funzione durante le frenate. Ultima, ma non meno importante, la funzione Sailing, in italiano veleggiamento. Tale accorgimento permette di inserire la marcia N (neutral) al di sotto dei 30 Km/h consentendo lo spegnimento del motore termico. Non appena si preme la frizione, il motore termico viene ripristinato e ritorna al normale funzionamento.

Full Hybrid (Ibrido Completo)

La tecnologia Full Hybrid, introdotta da Toyota, sfrutta in maniera combinata il motore termico e l'unità elettrica, aumentando l'efficienza energetica. Nelle auto full hybrid, dette anche “ibride in serie parallela”, la batteria si ricarica automaticamente durante la guida, ottimizzando il consumo di carburante e semplificando la vita quotidiana, senza bisogno di essere collegate alla rete elettrica.

Queste auto offrono la possibilità di funzionare in modalità 100% elettrica, in modalità ibrida (elettrica + termica) o nella sola modalità termica. Le 2 tecnologie combinano due motori elettrici (starter-alternatore e motore di trazione) con un motore termico per ottenere prestazioni ottimali. Le innovative tecnologie integrate nella vettura (cambio intelligente, sistema di gestione dell'energia, frenata rigenerativa) consentono ai diversi motori di alternarsi o, se necessario, di funzionare contemporaneamente a seconda delle esigenze. In questo modo, le prestazioni e il consumo di carburante del veicolo ibrido vengono ottimizzati per ottenere la massima efficienza.

Grazie a questa tecnologia, si può percorrere fino al 50% del tempo in città usando solo il motore elettrico. Molti modelli Lexus montano questo tipo di motore. Tra le macchine più vendute nel 2020 con questa tecnologia troviamo: Toyota Yaris, Toyota Corolla e Toyota C-HR.

Plug-in Hybrid (Ibrido Ricaricabile)

La tecnologia Plug-in Hybrid prevede la presenza di batterie con capacità maggiori rispetto ai modelli Mild e Full Hybrid e la possibilità di ricaricarle da una presa elettrica, da cui il termine "plug-in". Questo consente di viaggiare in modalità 100% elettrica per circa 50/70 km. Sono dotate di due o più motori e funzionano come le Full Hybrid, ma con l'ulteriore vantaggio di un'autonomia elettrica estesa. La tecnologia ibrida ricaricabile prevede un motore elettrico aggiuntivo sull'asse posteriore, che offre un'esperienza di guida ancora più confortevole e dinamica.

Le plug-in sono molto più pesanti rispetto alle varianti endotermiche da cui derivano, a causa delle batterie di maggiore capacità. La motorizzazione ibrida ricaricabile, dotata di un motore posteriore, può funzionare in modalità di trazione anteriore, propulsione posteriore o trazione integrale. A seconda della modalità di guida selezionata (eco, sport, normale) e del tipo di trazione, il veicolo regola automaticamente la combinazione ideale di trazione e propulsione per garantire comfort ed efficienza nei consumi.

Le motorizzazioni E-Tech offrono una notevole capacità di accelerazione, riprese dinamiche e una riduzione delle emissioni di CO2 e dei consumi di carburante. I veicoli ibridi ricaricabili dispongono di una tecnologia analoga a quella presente sui nostri modelli ibridi non ricaricabili. La differenza sta nella maggiore capacità della batteria e nella possibilità di ricaricarla da una presa elettrica.

Un motore ibrido è costituito da 2 motori di trazione principali che si alternano o funzionano in contemporanea, per assicurare la trazione del veicolo, automaticamente tramite un sistema elettronico di gestione integrato o manualmente, soltanto in modalità ibrida ricaricabile per prediligere il 100% elettrico.

Vantaggi delle auto ibride

In questi ultimi anni la ricerca e lo sviluppo ha portato le case automobilistiche a puntare con decisione sulla tecnologia ibrida. Questa infatti permette non solo di ridurre i consumi del carburante, ma anche le emissioni di C02 oltre a diminuire l'inquinamento acustico. I dati sulle immatricolazioni continuano a confermare la crescita esponenziale del segmento delle vetture ibride all'interno del mercato con una quota che ha raggiunto il 15%.

Il maggior vantaggio della tecnologia ibrida è dato dal poter contare su consumi decisamente più contenuti rispetto ad analoghi modelli dotati del solo motore termico. Ovviamente ci sono grandi differenze a seconda del tipo di tecnologia utilizzata, ma in linea generale un modello mild-hybrid garantisce un risparmio di carburante tra l'8 ed il 25%, mentre un full hybrid tra il 20 ed il 45%.

Le auto dotate di tecnologia Mild Hybrid sono immatricolate come vetture ibride, pertanto godono di tutte le agevolazioni previste per questa tipologia di vettura. Ecco qualche esempio:

• Esenzione bollo per tre anni nelle regioni aderenti: è prevista l'esenzione dal pagamento della tassa di circolazione per un periodo di tre anni dalla data di prima immatricolazione.
• ZTL libere e gratuite nei comuni aderenti: in alcuni comuni d'Italia è previsto l'accesso libero e gratuito alle zone a traffico limitato.
• Parcheggi blu gratuiti nei comuni aderenti: in alcuni comuni d'Italia è prevista l'esenzione dal pagamento del parcheggio nella zona blu.

Fino all'anno scorso era possibile ricevere in caso di rottamazione un bonus pari a ben 10.000 euro per l'acquisto di una vettura ad emissioni zero. Gli incentivi statali programmati per il 2022, invece, sono ancora in fase di definizione, mentre quelli regionali variano a seconda delle amministrazioni. In vista della transizione verde del settore automotive, il governo ha istituito un fondo finanziato con un miliardo all'anno per il 2022 e per ciascuno degli anni dal 2023 al 2030. Il sistema di incentivi seguirà una classificazione dei livelli di emissione di CO2, e la parte più consistente degli investimenti sarà dedicata alle auto da 0 a 60 g/km di CO2. In questa prima categoria troviamo alcune ibride plug-in, come ad esempio la Rav4 Plug-in che emette 22 g/km di Co2. L'altra fascia comprende veicoli che emettono da 61 fino a 135 g/Km di Co2. Nel senso più largo del termine, gli incentivi sono anche rappresentati dal permesso accordato da alcune regioni e/o città di non pagare la sosta sulle strisce blu e gli accessi alle ZTL.

Manutenzione e segnali di guasto dell'alternatore

Come abbiamo scritto, gli alternatori di nuova generazione sono privi di manutenzione. Tuttavia, una regolare manutenzione può prevenire guasti costosi legati perlopiù alla puleggia collegata mediante la cinghia all'albero motore.

Ad esempio, se al mattino all'avviamento dell'auto notiamo un fischiettio/cinguettio provenire dalla parte anteriore dell'auto, potrebbero non essere le gomme che fischiano ma la cinghia dei servizi allentata o la puleggia degli organi rotativi trascinati dalla stessa a essere danneggiati. Ugualmente se si accende sul quadro il simbolo in rosso della batteria vuol dire che abbiamo un problema al sistema di ricarica.

Molti automobilisti, nonostante gli anni di esperienza alla guida, si chiedono spesso a cosa serva l'alternatore dell'auto. L'alternatore dell'auto è una delle parti più importanti del veicolo, poiché la sua funzione è quella di trasformare l'energia meccanica generata dal motore in energia elettrica, ed è quindi il punto chiave dal quale viene generata tutta l'energia elettrica da cui il veicolo stesso si sostenta.

Se le luci del pannello rimangono accese e ci fanno notare che qualcosa non va, dobbiamo valutare i segnali che l'auto ci sta mostrando per sapere se è l'alternatore che non funziona correttamente.

• Spia quadro strumenti accesa: Senza dubbio il segnale più semplice da vedere. Se la spia dell'alternatore, che ormai la stragrande maggioranza delle auto attuali possiede, o quella della batteria è accesa, è molto probabile che qualcosa non vada nel nostro alternatore.
• Batteria scarica: Se si trova in uno stato di bassa carica, la spia ci avviserà. Per scoprire se si tratta di un problema di batteria o dell'alternatore dovremo utilizzare un voltmetro e controllare, prima con il motore spento e poi con il motore acceso, dove si trova il guasto.
• Rumori inconsueti: Come abbiamo già spiegato, l'alternatore è agganciato al motore attraverso una cinghia. Se circoliamo con il veicolo e detta cinghia si è rotta a causa dell'usura o di altri difetti, il rumore che percepiamo ci farà avere una rapida valutazione del problema.
• Guasti dei sistemi elettronici: È ovvio che se l'alternatore auto non si trova in condizioni ottimali, la batteria non si caricherà correttamente e col passare del tempo risulterà scarica. Un modo semplice e rapido per verificare che la batteria non si stia caricando è attraverso i diversi sistemi elettrici come per esempio le luci che non raggiungono l'illuminazione corretta.

La nostra raccomandazione è sempre quella di rivolgersi a professionisti ed esperti che valutino lo stato e le condizioni del nostro veicolo, soprattutto quando si tratta di una parte meccanica così importante.

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