La Tesla Model S è la vettura grazie alla quale la casa automobilistica americana si è fatta notare nel 2012 al grande pubblico del mondo delle automobili, dopo le esperienze sperimentali vissute con la Roadster.
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In quegli anni, già altre case più conosciute, come la Toyota, l’Honda, la Renault e la General Motors, con i suoi marchi Chevrolet e Opel, avevano già intrapreso sviluppi di autovetture aventi la trazione elettrica, sia parziale, congiuntamente al motore a combustione interna, sia integrale. Ma la Tesla si è presentata agli occhi del pubblico come la casa automobilistica impegnata unicamente nello sviluppo di veicoli a trazione puramente elettrica, sia grazie ai risultati prestazionali conseguiti con la Roadster, sia grazie al parco macchine interamente elettrico fin dalla sua fondazione, sia grazie alle caratteristiche ed alle soluzioni tecniche applicate nella Model S.
Vediamo nel dettaglio. (In figura: Il motore ad induzione: il cuore della Tesla Model S)
Se la Tesla Model S è riuscita a raggiungere prestazioni paragonabili alle vetture sportive funzionanti con motori a combustione interna, si deve al motore ad induzione, guarda caso una delle soluzioni perfezionate e brevettate da Nikola Tesla. Il principio di funzionamento si basa sull’impiego di un rotore fatto girare all’interno di uno statore grazie alle bobine installate sullo statore stesso, alimentate da una corrente alternata trifase. Tale corrente nelle bobine genera un campo magnetico rotante che induce la corrente alternata nelle barre del rotore. Ciò fa sì che si generi una coppia motrice che consente la rotazione del rotore. (In figura: Il principio di funzionamento del motore ad induzione)
La velocità di rotazione del rotore viene regolata intervenendo sulla frequenza della corrente alternata: riducendo la frequenza, si riduce l’intensità del campo magnetico e, di conseguenza, la velocità di rotazione del rotore. La frequenza e l’ampiezza della corrente viene regolata tramite l’inverter, un dispositivo elettronico a comando del conducente che svolge inoltre la funzione di convertire la corrente continua pescata dal pacco batterie in corrente alternata per il motore e viceversa. (Nell’animazione Regolazione della velocità di rotazione del rotore in funzione della frequenza della corrente)
(In figura: Disposizione dei componenti base dell’apparato elettrico della Tesla Model S)
Il pacco batterie è costituito da gruppi di celle a litio molto piccole, aggregate come riportate nell’immagine, avvolte da tubi metallici disposti fra gruppi di celle ed altri. Questa disposizione delle celle consente un loro miglior raffreddamento in quanto la temperatura delle celle si distribuisce uniformemente, garantendo una maggiore durata della batteria. E consideriamo che nella Model S sono impiegate 7000 celle, distribuite in 16 batterie… (In figura: Disposizione delle celle di una batteria e del sistema di raffreddamento)
Un vantaggio importante dovuto all’adozione del motore ad induzione è la possibilità di avere un’unità motrice che garantisca un’efficienza elevata per l’intero intervallo di velocità di rotazione del motore stesso. Nei motori a combustione interna, la coppia e la potenza sono efficienti per ristretti intervalli di giri motore, da cui la necessità di adottare cambi che permettano il funzionamento del motore in intervalli più ampi, modulando la coppia e la velocità fornite dal motore in base alle condizioni stradali o alle esigenze del conducente. Nella Model S, il cambio non serve e il moto viene trasmesso direttamente alle ruote tramite una semplice catena di ingranaggi. (In figura: Il sistema di trasmissione a velocità continua)
Il motore ad induzione può invertire la sua funzione, e da motore può diventare un generatore di corrente in grado di ricaricare le batterie a litio. Questo avviene durante la fase della frenata rigenerativa, che viene attivata appena si rilascia il pedale dell’acceleratore. Mentre le ruote della vettura trasmettono il moto al motore, l’inverter interviene sulla frequenza della corrente alternata, facendo in modo che la velocità di rotazione del campo magnetico sia minore della velocità di rotazione del rotore. Con questa importante condizione, viene generata una quantità di corrente molto maggiore di quella usata per la trazione, consentendo la ricarica del pacco batterie. Nel frattempo, viene applicata una coppia elettromotrice di frenata sul rotore che consente l’arresto del veicolo. Grazie alla trazione elettrica, la Model S presenta degli importanti vantaggi rispetto ai veicoli a combustione interna. Oltre all’efficienza che si mantiene alta e costante per un ampio intervallo di giri motore, il motore elettrico ha dimensioni e peso contenuti e permette l’adozione di sistemi di trasmissione semplici ed anch’esse leggeri e di dimensioni contenute, dato che non è richiesto alcuna conversione del moto come nei motori a combustione interna, in cui il moto alternato dei pistoni deve tramutarsi nel moto rotatorio dell’albero motore. La disposizione delle batterie sul pianale consente un’importante abbassamento del baricentro del veicolo, il che si traduce in una vettura più stabile in curva. L’adozione dell’inverter consente l’impiego di semplici differenziali aperti in quanto, in caso di slittamento di una delle ruote motrici per carenza di aderenza, è possibile limitare la velocità della ruota in slittamento tramite il taglio di alimentazione da parte dell’inverter, reattivo ed immediato rispetto ai motori a combustione interna. Tale reattività rende superfluo l’impiego di differenziali autobloccanti, mentre l’impiego dei differenziali aperti consente una trasmissione di una coppia motrice alle ruote caratterizzata da perdite molto contenute. (In figura: Motore a combustione interna e motore ad induzione a confronto)
Testo: Riccardo Casini
Foto: © Car-Shooters, altre foto tratte dal video YouTube di Learn Engineering (www.youtube.com/watch?v=3SAxXUIre28)
