Perché nelle auto elettriche il cambio sta scomparendo

La ragione della scomparsa del cambio nelle auto elettriche risiede nella curva caratteristica del motore elettrico, che funziona in modo completamente opposto a quella del motore a combustione interna: il motore produce la coppia massima fin da fermo, cioè da 0 giri, e ruota in un intervallo di giri molto ampio senza perdere efficienza. Queste due caratteristiche rendono superfluo un cambio multirapporto progettato per scaglionare la coppia; per questo la maggior parte dei veicoli elettrici è collegata alle ruote tramite un riduttore a rapporto unico.

Qual è la vera funzione del cambio e perché diventa superfluo con le auto elettriche?

Per comprendere il cambio bisogna prima guardare cosa fa. Un motore a combustione interna non ha la forza necessaria per far girare direttamente le ruote; eroga la coppia che produce in una determinata fascia di giri e con una potenza limitata. Il cambio trasmette questa forza alle ruote attraverso rapporti diversi, mantenendo il motore nel suo intervallo di funzionamento utile a ogni velocità. In un classico cambio a 5 marce i rapporti seguono grosso modo questo andamento: 1a marcia 3.35:1, 2a marcia 1.93:1, 3a marcia 1.29:1, 4a marcia diretta 1.00:1 e 5a marcia come overdrive 0.68:1. Ogni scaglione è uno strumento progettato per moltiplicare la coppia alla partenza e allungarla ad alta velocità.

Il motore elettrico non ha bisogno di nessuno di questi strumenti. Perché produce la forza di rotazione, cioè la coppia, al suo valore pieno fin dal primo istante di rotazione. In un veicolo elettrico il motore non è al minimo; quando il veicolo è fermo il motore non gira, e nel momento in cui tocchi l'acceleratore la stessa coppia arriva alle ruote sia a 1 giro sia a 1.000 giri. Non esiste una macchina che abbia bisogno di un breve moltiplicatore di coppia alla partenza e di un rapporto lungo in autostrada; il motore fa il suo lavoro a entrambe le estremità.

La curva caratteristica del motore: la ragione ingegneristica della marcia unica

Dietro questo comportamento c'è la stessa curva presente in ogni motore elettrico. A regimi bassi e medi il motore lavora nella zona di coppia costante: anche se i giri aumentano, la forza di rotazione prodotta non cambia. Superata una soglia chiamata velocità di base, la coppia inizia a diminuire, ma il motore passa quindi nella zona di potenza costante; nell'industria questo intervallo è chiamato anche zona di indebolimento di campo (field weakening). Insomma, la curva ha un profilo in cui le prestazioni si distribuiscono su un ampio intervallo senza quasi fare gradini.

Confrontatela con la curva del motore a combustione interna: nel normale utilizzo sale grosso modo da 1.200 giri/min a 4.000-4.500 giri/min, la zona rossa è intorno a 5.000-6.000 giri/min e non può mantenere a lungo questo regime. La fascia in cui la coppia è utilizzabile è stretta; per questo ogni velocità di guida richiede una marcia adeguata. Il motore elettrico invece raggiunge 10.000 giri/min in pochi secondi e 20.000 giri/min fino ai loro livelli massimi. Inoltre, in questo ampio intervallo l'efficienza non cambia in modo significativo: nella maggior parte dei motori la fascia di efficienza dell'85-95% si estende su un ampio intervallo di giri con una differenza di soli pochi punti percentuali.

L'adeguatezza di un unico rapporto in numeri

Un solo calcolo visualizza l'adeguatezza di un riduttore a rapporto unico. Il regime del motore è collegato al rapporto del cambio, alla velocità e al diametro degli pneumatici; applicando questa formula a un veicolo come la Hyundai Ioniq 5 con un rapporto finale di 4.706, pneumatici di circa 20 pollici e una velocità massima teorica di 186 mph, si ottiene che il motore gira a oltre 14.000 RPM. Con lo stesso rapporto unico, un motore a combustione interna con zona rossa a 6.000 giri raggiungerebbe solo 76 mph (circa 122 km/h), vale a dire ben al di sotto della velocità autostradale. La capacità di regime del motore elettrico elimina la necessità di un intervallo di velocità che un unico rapporto non potrebbe coprire.

Un punto da chiarire: i veicoli elettrici non sono completamente privi di ingranaggi. Tra i regimi del motore e delle ruote esiste una differenza naturale e in ogni EV è presente un riduttore a rapporto unico che colma questa differenza. Ciò che scompare è il cambio multivela e, con esso, l'atto del cambio di marcia.

Semplicità, manutenzione ed efficienza: il prezzo dei componenti eliminati

Eliminare un cambio multivela dal progetto non è solo una semplicità estetica, ma un guadagno ingegneristico misurabile. Un cambio automatico tradizionale contiene 7 componenti principali e circa 800 pezzi; in caso di guasto, la sostituzione può costare 1.800-3.400 $ manodopera inclusa. Al contrario, l'intera trasmissione della Tesla Model S ha in totale 20 pezzi mobili, e Chevrolet Bolt sottolinea di trasportare l'80% in meno di pezzi mobili rispetto al suo equivalente a combustione interna simile.

Menos pezzi mobili significano tre cose: una riduzione delle perdite di energia dovute all'attrito, l'eliminazione di voci di manutenzione come il cambio dell'olio del cambio e una diminuzione del rischio di guasti meccanici. Poiché il motore stesso già funziona in modo efficiente su un ampio intervallo, un'ulteriore marcia interposta generalmente produce perdite anziché guadagni: ogni coppia di ingranaggi aggiunta incorpora la propria efficienza di attrito nella catena. Per il conducente il risultato è molto chiaro: un'accelerazione continua e fluida senza cambi di marcia. Nel momento in cui si tocca il pedale dell'acceleratore il motore gira e man mano che la velocità aumenta le ruote accelerano direttamente senza alcun passaggio di marcia.

Eccezioni: perché esistono veicoli elettrici multivela?

L'adeguatezza della marcia unica non è una necessità fisica, ma una scelta ottimale nei veicoli di produzione con motori di grandi dimensioni. L'eccezione più nota è la Porsche Taycan: sull'assale posteriore utilizza un cambio a 2 marce. Secondo le spiegazioni del produttore, la prima marcia corta fornisce maggiore accelerazione in partenza dalla fermata, mentre la seconda marcia lunga garantisce elevata efficienza e riserva di potenza anche a velocità molto elevate. Il cambio è basato su un pacchetto a frizione bagnata (wet clutch pack) con cambi automatici.

La logica è una versione ristretta della motivazione nel mondo a combustione interna. Nei veicoli ad alte prestazioni come la Taycan, la velocità massima e l'economia in autostrada sottopongono a sforzo il punto di funzionamento dell'unico rapporto; due marze avvicinano il motore al punto ottimale sia alla partenza sia ad alta velocità. Le analisi mostrano che questo cambio può offrire circa %5 di miglioramento dell'efficienza in autostrada e aumentare la velocità massima del veicolo; tra le valutazioni figura anche che il cambio a due marze renda la Taycan più veloce dei rivali a marcia singola. Anche il fatto che l'asse anteriore del veicolo sia completamente separato e possa funzionare in modo indipendente fa parte del design dinamico di questa catena di trasmissione.

Soluzioni Multimarca nei Veicoli Commerciali

Il secondo insieme di eccezioni riguarda non le prestazioni ma il profilo di utilizzo. Alcuni veicoli commerciali devono richiedere contemporaneamente la coppia di partenza sotto carichi pesanti e l'economia su lunga distanza; nei motori piccoli e progettati per l'efficienza, un rapporto aggiuntivo può essere utile. Tuttavia il quadro generale è chiaro: l'esempio della Taycan emerso nel 2019-2020 non si è trasformato, nemmeno al 2024, in una larga replicazione. La maggior parte dei veicoli elettrici è ancora a marcia singola e si capisce che ciò non è una necessità tecnica, ma una scelta razionale.

Vale Davvero la Pena Aggiungere Marce? L'Equilibrio tra Guadagni e Perdite

Dal punto di vista progettuale, i pro e i contro della soluzione multimarcia sono strettamente legati tra loro:

• Lato dei guadagni: Aumento dell'efficienza avvicinando il motore al punto di funzionamento ottimale ad alte velocità; accelerazione migliorata e velocità massima più alta; potenziale scelta di batteria e motore più piccoli; flessibilità negli usi su terreni difficili.
• Lato delle perdite: Peso aggiuntivo e costo di produzione; perdite di efficienza degli ingranaggi interni del cambio stesso; il ritorno che resta limitato rispetto al prezzo pagato.

Per i motori grandi e potenti degli EV di produzione, il lato dei guadagni è generalmente controverso: il cambio multimarcia potrebbe non garantire un grande salto di efficienza rispetto alla marcia singola e potrebbe persino influenzare negativamente l'equilibrio a causa delle perdite interne del cambio. Come affermazione contraria, un fornitore ha proposto un sistema multimarcia che fino al 15% di riduzione del consumo energetico; tuttavia il guadagno realistico di tali affermazioni è strettamente legato alle caratteristiche del motore e al profilo di utilizzo del veicolo. In sintesi, l'equilibrio è questo: un rapporto aggiuntivo che riduce i giri del motore alle velocità autostradali può ridurre il consumo, ma l'opinione comune è che il guadagno sia limitato al punto da non valere la complessità nella maggior parte dei veicoli.

Domande Frequenti

Le auto elettriche hanno un cambio?

Sì, ma non nel senso classico. La maggior parte dei veicoli elettrici utilizza un riduttore a rapporto singolo o una trasmissione diretta; non avviene alcuna azione di cambio marcia. La leva sul volante o sulla consolle è un selettore che sceglie le posizioni P, R, N, D, non il comando di un cambio multimarcia.

I veicoli elettrici sono automatici?

Sì. Non ci sono frizione né cambio multimarcia; si utilizza un motore a marcia singola con coppia immediata. Per il guidatore, questo significa un'esperienza di guida completamente automatica e senza interruzioni.

Aggiungere marce aumenta l'autonomia?

Alle velocità autostradali, riducendo i giri del motore si può diminuire il consumo di energia, ma l'opinione generale è che il guadagno resti limitato. Poiché il motore funziona già con un'efficienza dell'85-95% in un ampio intervallo di giri, le perdite interne e i costi derivanti da un rapporto aggiuntivo non riescono a bilanciare positivamente il calcolo dell'autonomia nella maggior parte dei veicoli.

Conclusione: il riduttore che ha sostituito il cambio scomparso

Il cambio era una soluzione trovata al problema di un motore che non poteva distribuire la coppia su un ampio intervallo di velocità. Poiché il motore elettrico, con le sue zone di coppia costante e di potenza costante, risolve da sé questo problema, la soluzione è stata rimossa dal veicolo e al suo posto è stato installato un unico riduttore a rapporto fisso. Veicoli come la Taycan dimostrano che aggiungere rapporti può ancora essere possibile e significativo quando si cercano le massime prestazioni o profili di utilizzo particolari - ma questa è un'eccezione. In una catena di trasmissione le cui regole vengono riscritte, il miglior cambio spesso non è nessun cambio.

Fonti

• Cosa significa che le auto elettriche hanno un solo rapporto
• Il gruppo motopropulsore: prestazioni pure
• Perché il cambio a due rapporti della Porsche Taycan EV è...
• Porsche Taycan elettrica: il cambio a 2 rapporti potrebbe essere il primo di molti...
• Il cambio a due rapporti della Porsche Taycan Turbo S spiegato
• EV vs. ICE: la tecnologia dei cambi spiegata
• Curve di coppia e potenza dei motori dei veicoli elettrici
• Guida tecnica n. 7: Dimensionamento di un sistema di trasmissione
• Quali sono le caratteristiche prestazionali della Porsche Taycan 2020
• Cambiazioni a rapporto singolo vs. multirapporto nei veicoli elettrici
• Le auto elettriche hanno il cambio?
• Tutte le auto elettriche sono automatiche?