Alternatore: come funziona e come è fatto

La funzione principale dell’alternatore è produrre la corrente necessaria per gli utilizzatori elettrici e per ricaricare la batteria o le batterie nelle varianti mild-hibrid: in questo caso infatti abbiamo la classica batteria per l’alimentazione della vettura e una seconda batteria che serve al moto-generatore per riavviare il motore dopo lo start e stop o per far veleggiare la vettura a velocità costante disabilitando il motore termico. Ma andiamo per gradi e vediamo come è fatto e come funziona l’alternatore.

Alternatore classico

Gli autoveicoli moderni usano un alternatore trifase compatto con rotore a poli artigliati. L’alternatore trifase si compone di una carcassa (statore) con tre avvolgimenti (tre fasi) come bobine per l’induzione. Poi c’è la piastra a diodi, 6 di potenza e 3 di eccitazione per il raddrizzamento della tensione. Quindi un rotore a 12 poli artigliati con avvolgimento di eccitazione per generare il campo magnetico e spazzole in carbone per l’alimentazione della corrente. Ci sono anche una ventola per il raffreddamento, un regolatore di tensione, i morsetti B+ e B- per la rete di bordo. Ovviamente l’alternatore per generare corrente deve essere collegato al motore con una cinghia e una puleggia che lo fa girare almeno al doppio del regime del motore.

Funzionamento dell’alternatore e produzione corrente

La tensione prodotta dall’alternatore deriva dal principio dell’induzione: quando in un conduttore elettrico (avvolgimento) si modifica il campo magnetico il conduttore stesso produce una tensione elettrica. Nell’alternatore si generano tre tensioni sfasate di 120°. La tensione alternata non può caricare la batteria e alimentare la rete di bordo, per questo occorre un “raddrizzamento” della tensione mediante diodi. La piastra con i diodi ha anche la funzione di far passare la corrente in una sola direzione (verso la batteria). I diodi positivi impediscono infatti che la corrente passi dalla batteria all’alternatore per impedire che questa si scarichi quando la tensione dell’alternatore fosse inferiore a quella della batteria. Nelle auto moderne si usano diodi a Z che hanno anche il compito di evitare pericolosi picchi di tensione. Il regolatore di tensione infine provvede a impedire oscillazioni nella tensione per evitare danni: la tensione viene regolata appena sotto la soglia di gassificazione della batteria presente sulla vettura, per caricarla al massimo senza danneggiarla. Di recente sono stati anche realizzati alternatori con avvolgimenti a pacco piatto: sono alternatori che possono avere una tensione nominale di 24, 48 e 42 Volt con una potenza massima erogata di 4 kW.

Alternatori e vetture mild-hybrid

Nelle vetture con alimentazione mild-hybrid l’alternatore viene sostituito da un generatore che produce corrente ma che è anche in grado di svolgere funzione di motore elettrico per riavviare quello termico nelle fasi di start e stop, sostenerlo in fase di partenza con un incremento di coppia o addirittura mantenere la velocità di crociera spegnendo il motore termico (funzione di veleggio). In fase di generazione della corrente questo sistema ha una funzione in più rispetto all’alternatore classico perché riesce a recuperare gran parte dell’energia in fase di rilascio, quando il guidatore toglie il piede dall’acceleratore per rallentare o sta frenando. I sistemi più efficienti di moto-generatori hanno una unità di controllo IGR che impediscono la funzione di ricarica durante la trazione e l’attivano solo in fase di rilascio dell’acceleratore per evitare che la produzione di energia elettrica incida sui consumi e sulle emissioni. Il sistema IGR prevede per la batteria specifica di alimentazione (ausiliaria rispetto a quella di bordo) due stati di carica denominate SOC1 e SOC2. A seconda dello stato di carica cambia la gestione della generazione di carica. Lo stato SOC1 viene considerata la situazione minima, limite di carica per cui è necessario produrre molta corrente per ricaricare l’accumulatore. In questo caso la generazione di corrente avviene in rilascio, frenata ma anche in trazione. Tra lo stato di carica SOC1 e SOC2 la ricarica avviene solo in rilascio e frenata mentre in trazione la ricarica avviene per alimentare la rete di bordo e la batteria di avviamento convenzionale. Sopra SOC2 la ricarica avviene solo in rilascio, mai in trazione e la rete di bordo è alimentata dalla batteria principale della vettura. Quando entrambe le batterie sono cariche non avviene alcuna ricarica. Come abbiamo detto il moto-generatore è collegato all’albero motore con una cinghia di servizio. Attraverso questo collegamento il motogeneratore sostituisce il motorino di avviamento per la riaccensione del motore dopo lo spegnimento in seguito a start e stop. Usa l’energia accumulata nella lla batteria ausiliaria. A secondo della sofisticazione del moto-generatore sono possibili due ulteriori funzioni. L’assistenza alla coppia in partenza. Quando si parte da fermo o si riprende velocità il moto-generatore aiuta il motore termico usando l’energia della batteria ausiliaria. Più diffusa è la funzione di veleggio dove a determinate velocità e condizioni di marcia (velocità stabile su percorso pianeggiante) la centralina del motore spegne il motore termico e attiva il moto-generatore per mantenere la velocità usando l’energia della batteria ausiliaria che sulle vetture più recenti è con tecnologia a Ioni di Litio. I sistemi mild-Hybrid sono molto diffusi oggi e trasversali: li troviamo ad esempio su utilitarie di massa come la Fiat Panda Hybrid ma anche sulle versioni più potenti e sportive (costose) di BMW, Audi e Mercedes. Ecco che questa tecnologia avrà nei prossimi anni un forte impatto sul mercato della riparazione e del ricambio.

Identificare l’alternatore corretto per la propria auto

Sugli alternatori viene applicata una etichetta che riassume i dati tecnici: modello,; senso di rotazione; tensione erogata; corrente al regime di minimo e corrente nominale al regime nominale dell’alternatore. Anche in presenza del moto-generatore sono previste etichette che riassumono le caratteristiche per la rapida identificazione del componente e la sua sostituzione in caso di guasto.

Il motore della Fiat Panda Mild Hybrid

Il motore usato da FCA per Panda e 500 con l’alternatore (Sistema BSG) che funge da assistente al motore temico. Il sistema BSG è montato direttamente su motore ed agisce mediante la cinghia degli ausiliari. Il sistema permette di recuperare energia in fase di frenata e decelerazione, immagazzinarla in una batteria al litio da 11 Ah di capacità, e sfruttarla, con una potenza di picco di 3,6 kW, per riavviare il motore termico dopo uno stop in marcia e per assisterlo in fase di accelerazione. Grazie a questa tecnologia, il motore termico si spegne anche in marcia al di sotto dei 30 km/h, semplicemente selezionando la posizione di folle del cambio (il quadro strumenti della vettura, che visualizza le informazioni del sistema ibrido, suggerisce quando farlo). Nella modalità “veleggiamento” (“coasting”) la batteria al litio alimenta tutti i servizi assicurando al guidatore il totale controllo della vettura.