KERS – Cos’è e come funziona?

Quando guidiamo un veicolo, la sua velocità non sarà sempre costante, infatti sarà possibile accelerare oppure rallentare, mediante l’utilizzo del sistema frenante installato, come e quando richiesto, a seconda delle necessità.

Come sappiamo dalle nozioni di dinamica, ogni corpo in movimento ha un’ energia e nel corso di una forte decelerazione una parte di essa viene persa attraverso l’uso dei freni sotto forma di calore o suono e così dissipata nell’ambiente circostante.

 Il recupero di quest’ energia, perduta durante la frenata, può incrementare considerevolmente l’efficienza di una qualsiasi macchina motrice, garantendo un minor consumo di carburante e una minor produzione di CO₂; il sistema di recupero dell’energia cinetica (KERS – Kinetic Energy Recovery System) è un metodo efficiente di recupero , immagazzinado questa quantità di energia per poi cederla sotto forma di un surplus di potenza da utilizzare all’ occorrenza.

Le scuole di pensiero per la realizzazione del KERS sono due:

• Meccanico;
• Elettrico.

IL KERS ELETTRICO

Il KERS di tipo elettrico, maggiormente utilizzato in formula 1, converte l’energia cinetica in energia elettrica e la immagazzina in batterie utilizzate al momento del bisogno. È costituito principalmente da 3 componenti:

• MGU (Motor Generator Unit – Unità Moto-Generatrice): consiste in un magnete permanente (rotore), immerso in un campo magnetico (generato da 3 serie di avvolgimenti di bobine – i quali formano lo statore) e messo in rotazione, a seconda del tipo di azione richiesta (motore oppure generatore di corrente).

Figura 1 – Schema del Motogeneratore (MGU)

• Batteria (Accumulatore di Carica Elettrica): generalmente composto da pile al litio, permette l’immagazzinamento dell’energia elettrica ottenuta dalla MGU.
• PCU (Power control Unit – Centralina Elettronica): è un sistema di controllo che gestisce il funzionamento del dispositivo come motore oppure come generatore . Ha due funzioni: inverte e controlla lo scambio tra batteria e MGU e inoltre monitora lo stato delle celle individuali della batteria.

Ha due cicli, legati al recupero e all’utilizzo dell’energia di scarto, dovuta alla frenata del veicolo:

• Ciclo di Ricarica: In fase di frenata il motogeneratore (MGU) funge da alternatore, trasformando l’energia cinetica in energia elettrica; il PCU successivamente trasferisce tale energia nelle batterie al litio immagazzinandola.
• Ciclo di Spinta: Viceversa, al momento dell’accelerazione, il procedimento sarà inverso: le pile, caricate precedentemente, rilasciano l’energia elettrica accumulata alimentando il motogeneratore, che adesso agisce come un motore (convertendo l’energia elettrica in energia rotazionale) ed interviene in aiuto del propulsore termico fornendo così un surplus di potenza.

Figura 2 – Schema del KERS Elettrico

IL KERS MECCANICO

Il KERS di tipo meccanico è essenzialmente costituito da:

• Volano (Flywheel): elemento rotante ad alta velocità, tenuto all’interno di un contenitore sigillato a vuoto, utilizzato come mezzo per immagazzinare l’energia; esso converte l’energia cinetica della frenata in energia rotazionale, che verrà utilizzata successivamente. Il volano nel KERS meccanico è l’equivalente alla somma della MGU e delle batterie per il sistema KERS elettrico.

Figura 3 – Schema del Volano nel KERS Meccanico

• CVT (Continuously Variable Transmission – Trasmissione a Variazione Continua o Cambio Continuo): consiste in una trasmissione in cui non sono presenti livelli di marcia predeterminati in un gamma di rapporti tra minimo e massimo. Grazie a due pulegge a larghezza variabile (motrice e condotta) collegate insieme da una particolare cinghia di trasmissione, il cambio continuo arriva ad offrire valori ottimali di consumo e potenza. Ogni puleggia è costituita da due coni metallici (o semipulegge) scorrevoli sullo stesso asse e solidali nella rotazione. Accostando le semipulegge della puleggia motrice, si aumenta il diametro di rotazione della cinghia che, non potendo variare la sua lunghezza, riduce contemporaneamente il diametro di rotazione della puleggia condotta allungando e accorciando così il rapporto di trasmissione. Se si sposta il rapporto verso valori alti, allora il sistema accumulerà energia; per valori di rapporto di trasmissione bassi invece l’energia accumulata verrà rilasciata. Il CVT è usato per controllare il trasferimento dell’energia tra il volano del KERS e la trasmissione del veicolo; inoltre è affiancato da un sistema di controllo elettro-idraulico, che ha la funzione di monitorare la connessione/disconnessione tra il CVT e la trasmissionee infine  la velocità alla quale il volano ruota. Nel sistema il volano è collegato, tramite la frizione, al CVT.

Figura 4 – Schema KERS Meccanico

Così come il KERS elettrico, anch’esso ha due cicli, uno per il recupero dell’energia di scarto dovuta alla frenata e l’altro per l’utilizzo come surplus di potenza:

• Ciclo di Ricarica: In caso di frenata, il CVT connette il volano con l’albero di trasmissione, per cui il volano comincia a ruotare e assorbe l’energia cinetica dalle ruote, convertendola in energia rotazionale;
• Ciclo di Spinta: Quando c’è una richiesta di un’addizionale accelerazione, l’energia cinetica del volano viene trasferita alle ruote ancora attraverso il CVT (connettendo il volano con l’albero di trasmissione).

CONSIDERAZIONI PRATICHE

La domanda che potrà sorgere è: quale dei due è il migliore? Il KERS elettrico presenta notevoli svantaggi rispetto a quello meccanico, quali un peso maggiore di una decina di chili, un processo di conversione dell’energia molto più complesso (basti pensare al numero di componenti e alle varie trasformazioni che avvengono), una pericolosità per l’incolumità di piloti e meccanici, in quanto accumula elettricità statica nella carrozzeria e in ultimo, ma di maggior rilievo, un recupero di solo il 40% dell’energia.

Per quanto concerne il KERS meccanico, esso ha il vantaggio di non avere un sistema di accumulo chimico (batterie al litio) che, allo stato attuale, ha una durata funzionale di circa 4-5 anni con comunque un decadimento negli anni delle prestazioni ed un costo quindi non indifferente; per cui non pone problemi di costi per sostituzione programmate di sue parti e di prestazioni nel tempo. Ma il vero vantaggio è il rendimento: riesce a recuperare il 70% dell’energia che andrebbe perduta.

Lo svantaggio, tuttavia, è quello di avere il posizionamento del volano vincolato alla struttura meccanica. Il peso del sistema e la sua sicurezza sono altri punti dolenti: quando si considerano i pesi di tale sistema, devono essere valutati anche  i pesi del sistema di contenimento del volano, onde evitare che, in caso di rottura o incidente, il volano possa distruggere tutto ciò che si trova intorno al suo asse di rotazione (un volano in carbonio a 60.000 giri al minuto ha una forza centrifuga devastante).

Insomma a parer mio Il KERS, per quanto concerne i veicoli stradali ha ancora molta strada da fare: anche se sul mercato vi sono poche aziende automobilistiche che hanno sperimentato il sistema sui veicoli stradali (come ad esempio la Volvo S60 T5), il futuro del KERS si prospetta roseo.