BMW svela nuovi dettagli sul Megacity Vehicle e sulle strategie future per i modelli elettrici. Guidare elettrico, spiegano, non significherà necessariamente mortificare la guida. Sicurezza, materiali, leggerezza e autonomia saranno i nodi principali da affrontare.

Il BMW Group sta ampliando il suo stabilimento di Lipsia per renderlo il primo impianto in Germania attrezzato per gestire la produzione in grande scala di auto elettriche ad emissioni zero. Nel periodo che va fino al 2013, circa 400 milioni di euro saranno investiti in nuovi edifici e macchinari nello stabilimento per la costruzione del “Megacity Vehicle” (MCV), che comporterà la creazione di circa 800 nuovi posti di lavoro. L’ampliamento dello stabilimento è stato lanciato venerdì dal Cancelliere tedesco Dr. Angela Merkel e dal Dr. Norbert Reithofer, Presidente del Consiglio di Amministrazione di BMW AG, insieme al Primo Ministro dello stato tedesco di Sassonia, Stanislaw Tillich, e dal governatore dello stato di Washington negli Stati Uniti, Chris Gregoire.

Al giorno d'oggi la nostra società, e con essa l'ambiente che orbita attorno alla mobilità individuale, si ritrovano insomma a confrontarsi con sfide sempre più impegnative. Un crescente numero di fattori influenza la portata dell'agire non solo individuale, ma anche delle realtà imprenditoriali. Il mondo attraversa una fase di profondi mutamenti ecologici, economici e sociali. Ma quali sono gli sviluppi a cui è necessario rivolgere l'attenzione e come si devono affrontare? Il cambiamento del clima e il surriscaldamento del globo che esso comporta sono una realtà. Il decennio dal 2000 al 2009 è stato senza dubbio il più caldo mai registrato, e pur tuttavia anche gli sforzi mondiali per contrastare questo fenomeno sono stati i più intensi mai compiuti.

L'ulteriore incremento della temperatura media ha accompagnato tutta una serie di conseguenze di ampia portata, tra cui l'intensificazione dello scioglimento dei ghiacci, un aumento del livello del mare, una modificazione delle precipitazioni e un crescente numero di fenomeni meteorologici estremi. Tra le cause dell'incremento costante della temperatura media ricordiamo l'intensificazione indotta dall'uomo del naturale effetto serra. La produzione di CO2 dannosa per il clima ha origine in particolare nell'utilizzo di combustibili fossili, che accelera ulteriormente l'effetto serra e quindi il surriscaldamento del globo. Per poter rallentare, ed eventualmente addirittura arrestare, questa trasformazione climatica occorre quindi soprattutto ridurre drasticamente e tempestivamente le emissioni di CO2. Tra le soluzioni atte al raggiungimento di questo scopo citiamo il passaggio da combustibili fossili a fonti energetiche rigenerative e l'incremento dell'efficienza di tutti gli utilizzatori di energia.

Oltre alle variazioni climatiche, la vera e propria minaccia globale è costituita soprattutto dalla penuria delle risorse. Infatti, sebbene il fabbisogno quotidiano cresca, non esistono disponibilità illimitate di materie prime importanti come il petrolio e i metalli nobili. Da un lato la causa del consumo delle risorse è da ricondurre al crescente livello di industrializzazione dei paesi emergenti. Dall'altro anche l'aumento della popolazione, uno standard di vita crescente e una gestione non oculata delle materie prime contribuiscono a questo genere di evoluzione. La conseguenza è l'aumento dei prezzi di quasi tutte le materie. In un futuro non troppo lontano- il momento esatto è controverso- si raggiungerà il picco petrolifero (Peak Oil). Da quel momento in poi domanda e offerta cominceranno a divergere e non sarà più possibile soddisfare tutte le richieste. Pertanto è già iniziata una ricerca spasmodica di alternative al petrolio.

La forza sempre più dirompente dello sviluppo climatico e della penuria delle risorse ha indotto le persone a prendere maggiore coscienza del proprio ruolo nel sistema ecologico. Molte persone sono già sensibilizzate, si vedono come parte di un sistema collettivo e desiderano comportarsi in modo consapevole e responsabile anche per il bene delle generazioni future, adottando uno stile di vita sostenibile. Sostenibile, tuttavia, significa molto più che semplicemente "ecologico". Nell'accezione generale del termine, "sostenibilità" presenta tre aspetti: uno ecologico, uno economico e uno sociale. La sostenibilità ecologica interpreta l'obiettivo di conservare la natura e l'ambiente per le generazioni future, ossia descrive una gestione responsabile delle risorse. La sostenibilità economica favorisce un'operatività economica in grado di offrire una base di guadagno e di benessere stabile e duratura. La sostenibilità sociale implica lo sviluppo della società come un percorso che consenta la partecipazione a tutti i membri di una comunità. Già da tempo il BMW Group si è votato alla sostenibilità in tutti e tre i suoi aspetti fondamentali al fine di creare un valore aggiunto per l'azienda, l'ambiente e la società.

Il fatto che l'importanza della sostenibilità venga sempre più percepita anche nell'economia viene documentato da strumenti come il Dow Jones Sustainability Index. Questi indici azionari valutano le aziende non solo sulla base degli aspetti economici, ma tengono conto anche di aspetti ecologici e sociali. Sotto questo profilo il BMW Group è leader di settore da cinque anni.

Crescente urbanizzazione – la città chiede nuove soluzioni per la mobilità

Un altro trend che è possibile osservare riguarda il crescente livello di urbanizzazione. Sempre più persone si trasferiscono dalla campagna in città, i paesi si trasformano in centri urbani, i confini tra campagna e città si fondono e nascono grandi agglomerati. Dal 2007 ormai già più della metà della popolazione mondiale abita in città. In base a pronostici dell'ONU, entro il 2030 la percentuale mondiale della popolazione urbana passerà a oltre il 60 percento e nel 2050 raggiungerà circa il 70 percento. Già oggi nel mondo ci sono oltre 130 città con più di tre milioni di abitanti.

Un particolare effetto collaterale dell'urbanizzazione è costituito dalle cosiddette "megalopoli". Si parla di megalopoli o di spazio megaurbano, a seconda della definizione, nel caso di città con almeno otto milioni di abitanti. In tutto il mondo sono sorte nel frattempo oltre 30 di queste megalopoli, in cui vivono complessivamente oltre 280 milioni di abitanti. Mentre questi centri urbani crescono a un ritmo sempre più rapido, aumentano anche i problemi, come la carenza di spazio e l'inquinamento ambientale. Si deve ricordare, tuttavia, che ciascuna megalopoli è diversa dall'altra: in base alla definizione, infatti, Shanghai, Londra, Los Angeles o Tokio vengono senza dubbio considerate megalopoli, ma sono molto diverse tra loro sotto il profilo delle infrastrutture per i trasporti e delle esigenze degli abitanti per quanto riguarda la mobilità individuale. L'influsso della crescita sulle infrastrutture urbane si differenzia da città a città.

- Le legislazioni rispecchiano le modificazioni ambientali

Anche i governi di diversi paesi si stanno muovendo in seguito al cambiamento del clima e alla penuria di risorse. Con l'introduzione di certificazioni per veicoli esenti da emissioni, limitazioni di accesso e ambiziose leggi sulle flotte, cercano di contrastare l'incremento delle emissioni di CO2. Entro il 2020 USA, Europa, Cina e Giappone pretendono, ad esempio, una riduzione delle emissioni dei parchi auto pari al 30 percento rispetto all'anno 2008.

La mobilità del futuro esige un nuovo equilibrio tra esigenze globali e bisogni individuali. Si richiedono nuove soluzioni per la mobilità individuale nello spazio urbano. Tali soluzioni devono essere tangibilmente sostenibili e se possibile non essere vincolate a limitazioni, offrendo però la possibilità di una certa differenziazione. In questo contesto la riduzione del consumo di carburante e delle emissioni diventa sempre più importante. Il BMW Group ha riconosciuto queste necessità e si è imposto l'obiettivo di rendere possibile una mobilità senza emissioni, sviluppando una vettura che dischiude nuove possibilità e rispondendo ai desideri in evoluzione della clientela.

Il BMW Group vede nell'elettromobilità una possibilità per soddisfare le esigenze future della mobilità individuale, in quanto comporta soprattutto il grande vantaggio di abbattere le emissioni locali. Infatti nell'elettromobilità è la corrente elettrica, e non il carburante, a venire trasformata in energia cinetica, e in questo modo le vetture non producono gas dannosi per il clima. Se l'energia per muovere i mezzi viene ricavata da fonti rigenerative, come l'energia eolica o idroelettrica, l'elettromobilità non esercita alcun impatto sul clima e salvaguarda le risorse naturali, dal momento che neppure la generazione dell'energia necessaria prevede la dispersione di CO2 nell'ambiente. Da un lato le vetture elettriche contribuiscono alla riduzione di emissioni e incrementano la qualità della vita nelle grandi città, dall'altro l'elettromobilità soddisfa la crescente esigenza della clientela di mantenere una condotta nel complesso ecologica, sostenibile e non inquinante.

Eppure l'elettromobilità non è semplicemente esente da emissioni; oltre a questo offre un'esperienza di guida emozionale. Non è solo per il fatto che le auto elettriche si muovono pressoché in assenza del rumore causato dal motore. Nei motori elettrici l'intera coppia della macchina elettrica è subito disponibile. Questa caratteristica garantisce un alto livello di agilità, spingendo sul fattore del divertimento. Inoltre, un veicolo elettrico accelera senza soluzione di continuità fino alla velocità massima.

- Recupero dell’energia…

La guida di un veicolo con motore elettrico va a braccetto con un'altra peculiarità: se si alza il piede dall'acceleratore, la vettura non si limita a procedere in modo passivo, ma rallenta attivamente. Il pedale dell'acceleratore diventa quindi il pedale di marcia e consente uno stile di guida straordinariamente confortevole, soprattutto se si mantengono velocità medio-basse. Nel traffico urbano questo implica la possibilità di svolgere addirittura circa il 75 percento di tutte le manovre di decelerazione senza toccare il pedale del freno. Il momento di rallentamento viene sfruttato anche per il recupero dell'energia. Non appena il guidatore toglie il piede dall'acceleratore, il motore elettrico diventa un generatore che trasforma in corrente elettrica l'energia cinetica e la lascia confluire nella batteria della vettura. Con questo sistema è possibile recuperare fino al 20 percento dell'energia consumata.

Siamo appena all'inizio dello sviluppo dell'elettromobilità, ne consegue che in alcuni punti c'è ancora tanto da lavorare e da innovare. La sfida più impegnativa è senza dubbio il perfezionamento dell'accumulatore di energia. Attualmente questo elemento è il fattore limitante dell'elettromobilità a causa delle sue caratteristiche specifiche di densità energetica e di peso.

Attualmente in una batteria è possibile accumulare solo una limitata quantità di energia, la densità energetica del pacco batteria è quindi relativamente bassa. Al momento l'accumulatore di energia di una vettura elettrica contiene grosso modo l'equivalente energetico di due-tre litri di carburante.

L'elevato rendimento di un motore elettrico in parte riesce a compensare questo fattore. Infatti, mentre un motore a scoppio è in grado di utilizzare al massimo il 40 percento dell'energia del carburante, il motore elettrico sfrutta fino al 96 percento dell'energia messa a disposizione. Un motore elettrico funziona quindi con un quantitativo di energia notevolmente inferiore. Senza dubbio, oggi l'autonomia di un veicolo elettrico non è ancora paragonabile a quella di un motore a scoppio; lo sviluppo dell'accumulatore di energia automotive è comunque solo all'inizio. Si deve quindi partire dal presupposto che estendendo ulteriormente le ricerche, nei prossimi anni la tecnologia compirà ulteriori balzi in avanti. In futuro gli accumulatori di energia non solo saranno notevolmente più economici, ma diventeranno anche più leggeri e compatti, pur disponendo allo stesso tempo di una maggiore densità energetica.

Accanto alla densità energetica, è il peso dell'accumulatore il secondo fattore a limitare l'autonomia. Sostanzialmente vale il principio secondo cui a parità di capacità della batteria più leggero è il veicolo più aumenta l'autonomia. Purtroppo, a causa della ridotta densità energetica, una batteria in grado di far funzionare un'automobile ha più o meno le dimensioni di una grande valigia e, per giunta, è molto pesante. Senza dubbio si potrebbe aumentare l'autonomia incrementando la capacità della batteria. Ma in questo modo la batteria diventerebbe ancora più pesante, andando ad annullare di nuovo una parte dell'autonomia guadagnata. È quindi necessario trovare il rapporto ottimale tra il livello di peso e la capacità dell'accumulatore di energia e incrementare ulteriormente l'autonomia per mezzo di misure come una costruzione leggera rigorosa e strategie intelligenti di ricarica e utilizzo. Inoltre, si sta lavorando in modo mirato per accorciare drasticamente i tempi di ricarica mediante il "caricamento rapido". Perché per poter caricare completamente una vettura elettrica servono ancora parecchie ore di carica, e quindi di astensione dall'uso del mezzo.

Il Megacity Vehicle (MCV) rappresenta una possibilità di come il BMW Group immagina la mobilità futura in ambiente urbano. Come vettura in "Purpose Design", sotto il profilo strutturale l'MCV si orienta rigorosamente alle esigenze e ai requisiti dell'elettromobilità. Perché, come dimostra il lavoro di sviluppo svolto fino ad ora su MINI E e BMW Concept ActiveE, la riconversione di una vettura che in origine era allestita per funzionare con un motore a scoppio (Conversion Vehicle) non è ancora in grado di sfruttare a pieno il potenziale dell'elettromobilità. Pertanto l'MCV integra i componenti della propulsione elettrica di nuova concezione in un'architettura automobilistica completamente rinnovata. Una costruzione leggera rigorosa e l'uso innovativo del CFRP perfezionano fin nei minimi dettagli il concetto ben studiato della vettura.

BMW ha intrapreso i primi passi in direzione della propulsione elettrica già nel 1969, con la BMW 1602 elettrificata. Negli ultimi quarant'anni con svariati prototipi e strutture di prova il BMW Group ha accumulato un prezioso know-how in materia di tecnologie di propulsione alternative, dando abbondante prova delle potenziali opportunità di implementazione, tra l'altro con la BMW E1, un modello sperimentale, che già nel 1991 presentava numerose caratteristiche delle vetture elettriche moderne e con la quale si mirava a esplorare nell'uso pratico vantaggi e svantaggi di questo tipo di propulsione.

Tuttavia, fu solo con la tecnologia agli ioni di litio che si aprirono prospettive concrete per lo sviluppo di serie, dal momento che erano in grado di soddisfare i necessari requisiti di resistenza ai cicli di carica/scarica e di capacità e avevano già evidenziato più volte queste doti in svariate applicazioni. Il BMW Group agì rapidamente e ben presto ebbe modo di tradurre le proprie conoscenze in un risultato utile per la clientela: la MINI E. Questa importante pietra miliare nello sviluppo dell'elettromobilità del BMW Group circola per le strade già dalla metà del 2009. E con oltre 600 vetture MINI E, il BMW Group gestisce già oggi una delle più grandi flotte di automobili elettriche nelle mani della clientela. I primi risultati dei test mostrano che l'elettromobilità è senza dubbio già adatta all'uso nella vita quotidiana.

Gli sviluppatori del BMW Group hanno cominciato il proprio lavoro per il Project i due anni e mezzo fa, ma senza dover partire da una pagina bianca. Il lavoro di sviluppo è stato preceduto da un'intensa attività di ricerca tesa a sondare le questioni della mobilità e delle future esigenze della clientela al fine di identificare possibili potenziali di sviluppo per il BMW Group. Nell'ambito del Project i non si riflette più solo sulle vetture, ma la ricerca viene sempre svolta anche nel contesto di soluzioni di mobilità complessive. Si arrivò presto a riconoscere che il primo livello di sviluppo doveva essere un'auto il più ecologica possibile, ossia esente da emissioni, e allo stesso tempo capace di soddisfare le esigenze della moderna mobilità urbana: il Megacity Vehicle (MCV).

L'obiettivo definito internamente all'insegna del quale si svolge tutto il progetto è il livello massimo possibile di sostenibilità. Dal primo fornitore alla produzione e poi al riciclaggio dei componenti una volta esaurita la vita utile della vettura, la sostenibilità deve rispecchiarsi nei processi in tutti e tre i suoi aspetti: basso impatto ambientale (ecologia), redditività (economicità) e compatibilità sociale. Pertanto, gli sviluppatori hanno verificato innanzitutto tutti i processi e gli elementi della catena del valore. Hanno controllato se l'attuale procedura soddisfaceva gli elevati requisiti di sostenibilità autoimposti oppure se poteva essere perfezionata o addirittura ridefinita in determinati punti. I risultati hanno costituito allo stesso tempo le premesse per la nascita del Megacity Vehicle.

Il progetto ha sfruttato in modo intensivo tutte le libertà e le possibilità disponibili. Il risultato è un concetto di mobilità globale sostenibile – il Mega City Vehicle (MCV). L'MCV rappresenta una possibilità di come il BMW Group immagina una city car sostenibile. Concepita essenzialmente per l'uso in città, assomma in sé dinamismo, comfort e sostenibilità. Con la catena cinematica elettrica di nuova concezione , il rivoluzionario concetto di carrozzeria "LifeDrive" e l'innovativo utilizzo del CFRP per la cella di sopravvivenza consente una guida eccellente, sicura e confortevole in città – completamente senza emissioni.

Dal momento che lo sviluppo del prodotto è stato trattato nella sua totalità, l'introduzione dell'MCV introduce anche drastiche variazioni dei processi. Grazie alle nuove caratteristiche della propulsione e dell'architettura dell'automobile, oltre che all'uso di nuovi materiali, parte della produzione viene assoggettata a processi completamente diversi. Insieme a partner molto validi come SB LiMotive (sviluppo delle celle batteria) e SGL Automotive Carbon Fibers (produzione di fibra di carbonio e tessili in fibra di carbonio) il BMW Group conquista nuovi prestigiosi spazi di competenza.

Un moderno propulsore elettrico del BMW Group, come ad esempio quello per il Megacity Vehicle, offre una potenza molto superiore a 100 kW. La sua particolarità, tuttavia, è che in questo caso tutta la potenza del motore è a disposizione fin dal momento dell'accensione e non deve essere sviluppata dalla coppia del motore, come invece accade per i propulsori a combustione. Differenziali, dispositivi antipattinamento e un rapporto di trasmissione assicurano che tutta la coppia venga trasferita sulla strada. La coppia massima disponibile già a vettura ferma assicura alle automobili elettriche un'agilità particolarmente elevata, garantendo valori di accelerazione davvero impressionanti. La trazione posteriore del Megacity Vehicle integra perfettamente il comportamento prestazionale dei motori elettrici: grazie al trasferimento dinamico del carico sulle ruote, all'avviamento la gran parte del peso va a gravare sulle ruote motrici, migliorando la trazione e il trasferimento della forza. In questo modo la coppia elevata dei motori elettrici in combinazione con la trazione posteriore assicura il tipico dinamismo di guida del BMW Group.

I motori elettrici sfruttano una gamma del numero di giri notevolmente più ampia rispetto ai motori a scoppio. Sono senz'altro possibili numeri di giri superiori a 12.000 giri/min. Di conseguenza, il raggiungimento della velocità massima si configura in modo diverso. Grazie alla coppia elevata, una vettura elettrica accelera più rapidamente di una vettura dotata di motore a scoppio di potenza analoga,  in più l'alto numero di giri utile consente un'erogazione della coppia senza interruzione a tutti i regimi. La potenza del motore attraversa un solo stadio di moltiplicazione per poi passa direttamente alle ruote; viene quindi a mancare un cambio a più rapporti. Questo significa che con un solo rapporto una vettura elettrica può accelerare da ferma direttamente fino alla velocità massima. La spinta senza interruzione della trazione con un numero di giri a incremento costante è un'esperienza del tutto particolare, che finora era possibile "provare" nei motori a scoppio solo con strutture costruttive complesse, come ad esempio i cambi a doppia frizione.

Solo la velocità massima teorica non viene portata al limite estremo per quanto riguarda il Megacity Vehicle (MCV). Dal momento che l'MCV verrà utilizzato essenzialmente in area urbana o periurbana, una velocità di punta di 150 km/h circa per ora è più che sufficiente. Velocità superiori sarebbero senza dubbio possibili, ma non sono necessariamente sensate, anche a causa del fabbisogno estremamente elevato di energia per la marcia ad alta velocità. Al crescere della velocità, infatti, aumenta, in modo esponenziale, anche la resistenza dell'aria. In proporzione aumenta in questo modo anche il consumo energetico.

Dal momento però che, a causa della capacità di accumulo della batteria, viene messa a disposizione solo una quantità limitata di energia, velocità troppo elevate finirebbero per ridurre fortemente l'autonomia. Dall'altro lato per il raggiungimento di una velocità finale superiore servirebbe un rapporto di moltiplicazione diverso, che tuttavia penalizzerebbe notevolmente l'agilità della vettura nel traffico urbano. Un'ulteriore possibilità di aumentare la velocità massima può essere costituita da un cambio ha più rapporti, che tuttavia comporterebbe una complessità strutturale, un ingombro e un peso molto superiori.

Frenare con il pedale dell'acceleratore

Tra le altre differenze che contribuiscono a rendere unica l'esperienza di guida di un'auto elettrica c'è la possibilità di frenare per mezzo del pedale dell'acceleratore, il che trasforma il pedale dell'acceleratore in un "pedale di marcia". Se si toglie il piede dal pedale la vettura non prosegue in folle, ma rallenta attivamente. Questo momento di rallentamento viene sfruttato anche per il recupero dell'energia. Durante le frenate il motore elettrico si trasforma in un generatore che produce energia, caricando la batteria. In linea di massima analogamente al recupero dell'energia di frenata dal pacchetto provvedimenti di EfficientDynamics, l'energia recuperata in questo caso può tuttavia essere riconvertita direttamente in spinta. Uno sfruttamento intensivo del recupero di energia da parte del motore porta ad un aumento dell'autonomia fino al 20%. La guida per mezzo del pedale di marcia consente, inoltre, una guida più rilassata con meno manovre con i pedali, permette una reazione rapida ed è pertanto particolarmente indicata per "seguire il corso" del traffico cittadino. È possibile effettuare fino al 75% delle operazioni di frenata senza l'ulteriore azionamento del pedale del freno.

Una vettura con propulsore elettrico non offre semplicemente un comportamento su strada piacevole. La macchina elettrica dispone di una densità di potenza superiore rispetto a un motore a scoppio. Questo significa che in un motore elettrico è possibile tradurre e implementare la stessa potenza in uno spazio inferiore. Ad esempio, l'intero propulsore della BMW Concept ActiveE ( e successivamente del MCV) senza accumulatore di energia è grande addirittura come due casse per bottiglie. Pertanto il gruppo propulsore compatto può essere perfettamente inserito nell'architettura del veicolo, inoltre non è più necessario integrare una catena cinematica e il complesso sistema dell'aria di ricircolo. Il ridotto ingombro e le dimensioni notevolmente inferiori del propulsore elettrico consentono un risparmio di spazio fino al 50% rispetto a un motore a scoppio con cambio, che nella concezione delle auto del futuro andrà a vantaggio soprattutto dei passeggeri nell'abitacolo.

Nel complesso, un propulsore elettrico si compone di più componenti che muovono il veicolo sfruttando l'interazione reciproca: il motore elettrico, l'elettronica di potenza, un rapporto di trasmissione e l'accumulatore di energia elettrica.

Il cuore della propulsione elettrica è costituito dal motore elettrico. Detto in parole povere, l'ultima generazione del motore elettrico del BMW Group consiste in uno statore tubolare fissato rigidamente all'alloggiamento e in un cilindro girevole all'interno dello statore, ossia il rotore. Il rotore è collegato al rapporto di trasmissione e in questo modo alle ruote motrici. Nello statore vengono alloggiate le bobine in cui è possibile generare un campo magnetico grazie al flusso di corrente. Sul rotore, viceversa, si trovano uno o più magneti con polarità fissa. Il motore elettrico viene messo in movimento mediante l'attrazione e la repulsione mirate generate tra rotore e statore da un campo magnetico migrante (campo rotante). Il principio in questo caso sfrutta il fenomeno di attrazione tra poli opposti di un magnete e repulsione dei poli uguali – polo nord e polo sud si attraggono, mentre due poli sud o due poli nord si respingono.

Inserendo la corrente elettrica, il polo sud del campo magnetico generato nello statore attrae il polo nord del magnete del rotore. Tuttavia, il polo sud passa alla fase successiva prima che il polo nord del rotore raggiunga il polo sud dello statore. Ne consegue che anche il rotore ruota ulteriormente "rincorrendo" il cambiamento dei campi magnetici sullo statore. Con il proprio moto rotatorio, il rotore trasmette l'energia meccanica necessaria per la propulsione. La velocità di marcia si modifica anche in base alla velocità alla quale il campo rotante fa girare lo statore. La coppia, viceversa, viene influenzata dal numero dei magneti e dall'intensità della corrente elettrica: maggiore è il numero dei magneti sul rotore e più alta è la corrente elettrica che fluisce, maggiore è la coppia che il propulsore elettrico è in grado di produrre.

Il principio di funzionamento qui descritto illustra una macchina sincrona trifase ad eccitazione permanente come quella in dotazione alla Concept ActiveE e anche all'MCV. "Macchina sincrona" significa che il rotore segue in modo sincrono il campo di eccitazione che circola sullo statore. Inoltre, il campo magnetico del rotore viene eccitato in modo permanente per mezzo di magneti e non deve essere generato per induzione (eccitazione separata). L'eccitazione separata sarebbe notevolmente più complessa, dal momento che per generare il campo magnetico nel rotore ci vorrebbe anche una seconda istanza di regolazione. Le macchine a eccitazione permanente al momento rappresentano l'optimum per quanto riguarda requisiti, complessità e funzionalità.

Numero di giri impegnativo: 12.000

Il presupposto base per un motore elettrico funzionante e per una capacità prestazionale ottimale è la corretta rotazione del campo magnetico sullo statore. Per poter raggiungere numeri di giri impegnativi, superiori a 12.000 giri/min., i campi magnetici delle fasi devono essere attivati con estrema rapidità e precisione. Questo importante compito viene svolto da una speciale unità di comando: l'elettronica di potenza, che garantisce l'ulteriore inserzione del campo rotante alla velocità desiderata e con l'intensità di campo specificamente necessaria. In questo modo assicura che il rotore ruoti al numero di giri necessario, erogando la coppia desiderata.

Per poter muovere il motore di una vettura elettrica occorrono correnti molto alte. Per ogni fase si inseriscono correnti di intensità fino a 400 Ampere, il che equivale grosso modo a 25 volte quella di una presa domestica. Anche le tensioni si raddoppiano quasi rispetto all'alimentazione elettrica tradizionale dei normali utilizzatori, arrivando anche a 400 Volt. Per accumulare quest'energia e metterla a disposizione in caso di necessità, viene utilizzato un pacco batteria di celle di accumulo agli ioni di litio di nuova concezione. La tecnologia agli ioni di litio ha già dato buona prova di una capacità di accumulo e di una resistenza ai cicli di carica/scarica particolarmente elevate in molti campi applicativi, tra cui ad esempio i telefoni cellulari e i notebook. Una singola cella agli ioni di litio per il settore automotive è grande all'incirca come un libro tascabile e possiede una tensione nominale di circa 3,7 Volt. Il range di tensione utilizzabile di una cella oscilla, tuttavia, tra 2,7 e 4,1 Volt. Per ottenere un accumulatore ad alta tensione con la tensione sufficiente di 400 Volt occorre collegare in serie circa 100 di queste celle.

L'uso di celle per batterie è correlato ad alcune particolarità. Le celle agli ioni di litio non lavorano in modo omogeneo lungo l'intera curva della temperatura; solo la temperatura di esercizio ottimale di circa 20 °C assicura la massima autonomia. Di conseguenza, la temperatura dell'accumulatore di energia viene regolata secondo necessità per mezzo di elementi riscaldanti supplementari o una refrigerazione attiva. L'intervallo della temperatura utile delle celle utilizzate nel settore automobilistico è comunque notevolmente più "tollerante" rispetto a quello di altre celle batteria. Alcune batterie per laptop, ad esempio, non si caricano più a temperature inferiori agli zero gradi, e anche le prestazioni vengono fortemente limitate. Per quanto riguarda le celle del BMW Group, viceversa, senza dubbio alle basse temperature si verifica un crollo delle prestazioni, sebbene sia decisamente meno rilevante grazie alla composizione differente degli agenti chimici all'interno della batteria. Grazie al precondizionamento della batteria già durante la procedura di carica e una regolazione della temperatura ottimizzata in base alle esigenze durante la marcia, questo potenziale difetto viene eliminato.

Nell'ambito dello sviluppo e della progettazione dell'accumulatore di energia, era importante soprattutto garantire anche la sicurezza dei passeggeri. In generale l'accumulatore di energia racchiude in sé un certo potenziale di rischio a causa delle elevate correnti e degli agenti chimici utilizzati che, reagendo a contatto l'uno con l'altro, potrebbero incendiarsi. La probabilità di un colpo elettrico o di un incendio viene eliminata per mezzo di numerosi provvedimenti. Da un lato nelle celle per batterie automotive vengono utilizzati composti di agenti chimici notevolmente più "bonari" rispetto, ad esempio, alle batterie per i computer portatili. Inoltre, i moduli batteria vengono protetti in modo affidabile dalla carrozzeria, per impedirne il danneggiamento anche in caso di collisione. A ciò si aggiunge che refrigerante, complessi algoritmi e sensori di monitoraggio a bordo assicurano che la batteria non si surriscaldi né durante il funzionamento, né durante la carica. Meccanismi di disattivazione proteggono l'accumulatore di energia da uno scaricamento o un caricamento eccessivi ed addirittura anche la penetrazione dell'accumulatore di energia con oggetti metallici ha potuto essere prevista e controllata in modo da eliminarne la criticità.

Per tutta la vita dell'auto

Al momento gli sviluppatori del BMW Group si occupano di assicurare la capacità maggiore possibile dell'accumulatore di energia. In questo ambito occorre tener conto di alcuni fattori che ne influenzano la vita utile. Una batteria invecchia da due punti di vista: prima di tutto dal punto di vista temporale, il che significa che, all'aumentare dell'età, anche la sua capacità e il massimo contenuto energetico utile si riducono. Ma ci sono anche altri fattori che influenzano la durata utile di una cella. Il livello di scarica (depth of discharge) oppure la temperatura a cui viene utilizzata la batteria rappresentano criteri rilevanti per l'invecchiamento. I test di sicurezza del BMW Group assicurano che le celle soddisfino le esigenze del cliente per l'intera vita utile dell'autovettura, sia per quanto riguarda la durata, che anche per quanto riguarda la cosiddetta ciclabilità. Inoltre, per quanto riguarda la sostenibilità, le batterie non riutilizzabili per un veicolo possono essere riciclate: persino se a un certo punto la capacità della batteria non dovesse più essere sufficiente per il funzionamento di un'autovettura rimane ancora potenza sufficiente per poterla utilizzare come accumulatore d'energia fisso per numerose applicazioni.

Provvedimenti per aumentare l'autonomia

Tuttavia, la domanda centrale rimane: come riuscire a incrementare ulteriormente l'autonomia? Una delle possibilità è aumentare la capacità della batteria. Una batteria più grande, tuttavia, renderebbe anche la vettura più pesante, il che tornerebbe a limitare l'autonomia. Analogamente, non è possibile aumentare la dimensione della batteria a piacere, dato che da un certo punto in poi il peso aggiuntivo della batteria annullerebbe l'autonomia supplementare ottenuta. Di conseguenza gli ingegneri del BMW Group cercano di sfruttare il più possibile la capacità della batteria a disposizione. Il più importante provvedimento in questo senso è la riduzione del peso della vettura per quanto possibile con il rigoroso ricorso alla costruzione leggera e un utilizzo intelligente dei materiali. Inoltre, le batterie vengono scaricate il più possibile. L'intervallo utile delle celle batteria del BMW Group oscilla tra 400 e 250 Volt, il che corrisponde grosso modo all'85% dell'energia disponibile della batteria. Uno scaricamento ancora maggiore non è possibile, perché altrimenti a causa del cosiddetto scaricamento profondo si inserirebbero processi chimico-fisici che danneggerebbero irreparabilmente le celle della batteria.

Accanto alla propulsione però richiedono energia anche funzioni come illuminazione, climatizzazione e Infotainment. Mentre nel caso di una vettura con motore a scoppio questi utilizzatori secondari vengono a malapena presi in considerazione, per quanto riguarda una vettura elettrica vanno senz'altro ad incidere sul piano dell'autonomia. Una vettura in modalità urbana ha bisogno in media di circa soli 2,5 kW per muoversi, viceversa l'impianto di climatizzazione a pieno regime può richiedere fino a 5 kW. Si cerca quindi di ridurre il più possibile il consumo energetico mediante regolatori di carica intelligenti e strategie di utilizzo efficienti. Ad esempio, la vettura può venire climatizzata già durante la carica, così che in marcia la capacità della batteria rimanga a disposizione quasi esclusivamente per la locomozione. Un comodo effetto collaterale della strategia di carica intelligente è inoltre il comfort di poter salire su una vettura già piacevolmente climatizzata sia in estate che in inverno. Tra i metodi per l'aumento dell'autonomia in marcia figurano la disattivazione degli utilizzatori non necessari oppure la possibilità di lasciar "veleggiare" la vettura in modo mirato, sfruttando il dinamismo intrinseco della vettura e lasciando andare l'auto senza utilizzare il motore. A lungo termine gli sviluppatori vedono il futuro nell'evoluzione dell'accumulatore di energia fino al raggiungimento di una densità energetica superiore.

Un provvedimento speciale per l'incremento dell'autonomia è rappresentato dal cosiddetto "Range Extender": un motore a scoppio produce corrente mediante un generatore al fine di ricaricare la batteria in marcia oppure di mantenerla ad un livello di carica costante. In questo modo è possibile configurare una portata supplementare considerevole. Dal momento che a bordo è già presente una vera e propria macchina elettrica, questo motore a scoppio può essere relativamente piccolo. Studi mostrano che per il normale funzionamento in marcia in media è assolutamente sufficiente una potenza tra 20 e 30 kW. In quest'ordine di grandezza il Range Extender mette a disposizione energia sufficiente per poter mantenere il profilo di guida desiderato senza dover consumare inutilmente troppo carburante. Grazie a componenti elettrici del propulsore costruiti con struttura compatta e nuove architetture automotive è stato facile integrare il Range Extender.

Tra le soluzioni a breve termine assolutamente plausibili per incrementare l'autonomia per il BMW Group il Range Extender rappresenta comunque ancora solo un compromesso. A lungo termine gli sviluppatori del BMW Group puntano chiaramente sull'evoluzione della tecnologia della batteria. È indubbio che a causa di caratteristiche come la ridotta densità energetica e la portata limitata che ne risulta, pur con un peso relativamente elevato, al momento l'accumulatore d'energia risulta ancora il fattore limitante dell' elettromobilità. La forte accelerazione cui si assiste nel campo della tecnologia dell'accumulatore di energia automotive, ci induce a prevedere ulteriori balzi in avanti in questo settore.

Una carrozzeria oggi non deve più essere solo stabile, deve essere soprattutto anche leggera. La costruzione leggera è di grande importanza soprattutto per le vetture con propulsore elettrico perché, accanto alla capacità della batteria, il fattore limitante dell'autonomia è il peso della vettura. Più leggera è una vettura, più grande è l'autonomia – solo perché il mondo del motore elettrico deve mettere e mantenere in movimento una massa inferiore. Con l'accelerazione ogni singolo chilogrammo si traduce in modo fin troppo evidente in un'autonomia inferiore, ed è proprio in città, l'ambiente di utilizzo principale di una vettura elettrica, che a causa dell'elevata incidenza del traffico occorre accelerare più spesso.

Accanto a una portata superiore, un peso della vettura inferiore comporta inoltre prestazioni di guida sensibilmente migliori. Infatti, una vettura leggera accelera più rapidamente, percorre le curve con maggiore agilità e arriva prima all'arresto in frenata. La costruzione leggera consente quindi livelli superiori di piacere di guida, agilità e sicurezza. Inoltre, grazie alla massa accelerata inferiore, le strutture per l'assorbimento dell'energia in caso di impatto possono essere ridotte, il che ancora una volta incide sulla riduzione del peso.

Pertanto, occorre da subito contenere al massimo il peso complessivo di una vettura elettrica. Ciononostante, come si può immaginare, i presupposti correlati alla tipologia costruttiva sono sfavorevoli: in una vettura elettrica la catena cinematica pesa notevolmente di più rispetto a quella di un'automobile con motore a scoppio, incluso serbatoio pieno. Quindi il propulsore elettrico, batteria inclusa, pesa circa 100 kg in più. Questo è dovuto soprattutto al peso della batteria. Per compensare questo svantaggio, il BMW Group punta su una costruzione leggera rigorosa e su un uso innovativo dei materiali. A seconda delle esigenze e dell'area di impiego, per ciascun componente gli ingegneri del BMW Group sfruttano il materiale in modo ottimale. Ed effettivamente gli sviluppatori sono riusciti a fare in modo che l'ingombro della batteria nel complesso "pesi relativamente".

Eppure la costruzione leggera è solo una, seppur molto importante, delle sfaccettature del lavoro di sviluppo nella moderna costruzione della carrozzeria. Con l'elettrificazione completa di una vettura gli ingegneri del BMW Group sfruttano ora la possibilità di ripensare completamente l'architettura dell'automobile e di adattarla ai requisiti e alle condizioni della mobilità di domani. Con il concetto LifeDrive hanno creato un'idea rivoluzionaria di carrozzeria nel Purpose Design, che si orienta in modo coerente all'obiettivo e al campo di utilizzo successivi della vettura e che ha in serbo un utilizzo innovativo dei materiali.

Analogamente a quanto accade per le vetture con struttura costruttiva a telaio, il concetto del LifeDrive è composto da due moduli orizzontali indipendenti. Il modulo "Drive", lo chassis, costituisce la base stabile e integra batteria, propulsore e funzioni strutturali e anticollisione di base in un'unica struttura. La controparte, il modulo "Life", consta essenzialmente della cella ad alta resistenza e ultraleggera in materiale plastico rinforzato con fibra di carbonio (CFRP). Con questo concetto innovativo, il BMW Group attribuisce una dimensione completamente nuova a tematiche come la costruzione leggera, l'architettura del veicolo e la sicurezza in caso di collisione.

Il modulo Drive coniuga in sé svariate funzioni sulla base di una struttura portante in alluminio, stabile e leggera: si tratta della carrozzeria di base con scocca, elementi di protezione da collisione, accumulatori di energia e unità di propulsione, tutto in uno. Con circa 250 kg e dimensioni analoghe a quelle di un materasso per bambini, l'accumulatore di energia è l'elemento trainante del design integrativo e funzionale del modulo Drive. Nella concezione in un primo momento si è mirato a integrare la batteria, in quanto fattore costruttivo ingombrante e importante della vettura elettrica, in modo da risultare sicura sia per il funzionamento che anche in caso di collisione all'interno della struttura del veicolo.

Il modulo Drive si suddivide quindi in tre parti. La parte centrale alloggia la batteria, circondandola in sicurezza con resistenti profili in alluminio. Le due strutture anticollisione attive dell'avantreno e del retrotreno assicurano la necessaria zona deformabile in caso di impatto frontale o posteriore. Sul modulo Drive si trovano anche componenti dell'unità elettrica di propulsione e numerosi componenti del telaio. Dal momento che complessivamente il propulsore elettrico presenta una struttura molto più compatta rispetto a un motore a scoppio analogo, motore elettrico, cambio, elettronica di potenza e assali possono venire alloggiati mediante soluzioni raffinate e in uno spazio molto contenuto.

Il modulo Life – la nuova dimensione del CFRP

Il concept del LifeDrive viene completato dal modulo Life, la cellula dell'abitacolo che si appoggia alla struttura portante del modulo. La grande particolarità consiste nel fatto che il modulo Life è realizzato essenzialmente in plastica rinforzata in fibra di carbonio – in breve CFRP. L'uso di materiale hightech in quest'ordine di grandezza per la produzione in grande serie di un'automobile non ha precedenti, l'uso estensivo del CFRP fino ad ora è apparso ancora troppo caro, la lavorazione e la produzione non sufficientemente flessibili. Ma dopo oltre 10 anni di intenso lavoro di ricerca e ottimizzazione dei processi, ora il BMW Group è l'unica casa automobilistica a disporre dell'esperienza di produzione necessaria per utilizzare il CFRP nella produzione di grandi serie. Rispetto all'acciaio il CFRP presenta numerosi vantaggi, è molto stabile ma allo stesso tempo estremamente leggero. A parità di resistenza, risulta quindi circa del 50% più leggera dell'acciaio. Viceversa l'alluminio rispetto all'acciaio consentirebbe di risparmiare "solo" un 30% del peso. Il CFRP è quindi il materiale più leggero utilizzabile nella costruzione della carrozzeria senza penalizzare la sicurezza.

Mediante l'uso estensivo del materiale hightech, il modulo Life diventa molto leggero, consentendo un'autonomia superiore e al contempo prestazioni di guida migliori. A ciò si aggiunge che il comportamento in strada ne trae evidenti vantaggi: l'elevata rigidità del materiale rende l'esperienza di guida più diretta, anche le manovre rapide possono essere realizzate senza problemi. Contemporaneamente, il CFRP consente un comfort di guida superiore, in quanto la carrozzeria rigida ammortizza perfettamente le sollecitazioni. Quindi in marcia non si verificano vibrazioni di disturbo, nulla si scuote od oscilla.

Eppure il modulo Life non si limita ad essere molto leggero, ma consente di percepire e strutturare l'abitacolo di un'autovettura in modo del tutto nuovo. Grazie all'integrazione di tutti i componenti del propulsore nel modulo Drive viene a mancare l'ingombrante tunnel cardanico finora necessario nell'abitacolo attraverso il quale la forza motrice veniva trasferita alle ruote posteriori. In questo modo a parità di passo il Megacity Vehicle (MCV) offre uno spazio notevolmente superiore per i passeggeri. Questa nuova struttura consente anche l'integrazione di nuove funzionalità, permette nuovi livelli di libertà nell'architettura e quindi l'opportunità di adattare l'abitacolo in modo ottimale alle esigenze della mobilità urbana.

Come materiale per la costruzione della scocca di un'autovettura, il CFRP presenta numerosi vantaggi: il materiale è straordinariamente resistente alla corrosione. Non arrugginisce ed è pertanto notevolmente più longevo del metallo. Possono essere eliminati costosi provvedimenti di protezione dalla corrosione. Inoltre, il CFRP rimane stabile in presenza di qualsiasi condizione climatica.

Il segreto di questo materiale ad alta resistenza sono le fibre di carbonio, per la loro caratteristica di altissima resistenza allo strappo nel senso della lunghezza. Trasformandole in roving e immergendole in materiale plastico (matrice plastica), si ottiene un materiale composito fibrorinforzato CFRP. In stato asciutto, esente da resina, è possibile lavorare il CFRP praticamente come fosse un tessile, il che mantiene molto flessibili le possibilità offerte dalla modellazione. Solo mediante l'indurimento della resina iniettata nel tessuto il collegamento riceve la propria forma finale rigida e diventa quindi almeno altrettanto stabile dell'acciaio – e questo pure in presenza di un peso notevolmente inferiore.

L'elevata resistenza allo strappo lungo le fibre consente, inoltre, di ottenere miratamente strutture ad alta resistenza nel loro senso di carico. Per far questo le fibre vengono ordinate all'interno del componente sulla base delle curve dei carichi. Sovrapponendo il senso delle fibre è anche possibile realizzare componenti resistenti ai carichi in più direzioni. Ne consegue che i componenti possono essere progettati in modo molto più efficiente ed efficace che con qualsiasi altro materiale ugualmente sollecitabile in tutte le direzioni, come può essere il metallo. Con questo metodo è possibile ridurre ancora una volta materiale e peso per conseguire nuovi potenziali di risparmio: grazie alla minore massa accelerata in caso di impatto, si possono ridurre le strutture per l'assorbimento dell'energia ancora una volta a favore di un contenimento del peso.

"Il CFRP offre la possibilità di costruire una scocca molto leggera senza dover scendere a compromessi su comfort e sicurezza." (Bernhard Dressler)

Costruzione leggera e sicurezza – con il CFRP "più leggero" diventa sinonimo di "più sicuro"

Accanto alla costruzione leggera, anche la sicurezza dei passeggeri ha giocato un ruolo importante nello sviluppo del concetto LifeDrive. Gli attuali requisiti di una carrozzeria in caso di incidente sono molto elevati, dato che occorre tener conto di numerosi scenari di impatto. Normalmente questo pone lo sviluppatore di fronte a sfide importanti proprio nell'utilizzo di nuovi materiali. La combinazione di materiali del modulo Drive in alluminio con il CFRP della cella di sopravvivenza del modulo Life ha superato tutte le aspettative già nei primi test, dimostrando chiaramente che costruzione leggera e sicurezza non si trovano in contraddizione!

Grazie alla caratteristica di riuscire ad assorbire un'enorme quantità di energia con un'elevata resistenza, il CFRP è molto poco sensibile al danneggiamento. Subisce a malapena deformazioni, persino ad alte velocità d'impatto. In questo modo, in analogia al cockpit di una Formula 1 il materiale estremamente rigido garantisce uno spazio di sopravvivenza ad alta stabilità. Oltre a questo, in caso di impatto frontale o posteriore la scocca rimane intatta e le portiere continuano ad aprirsi senza alcun problema anche dopo l'impatto.

La migliore protezione in caso di impatto laterale.

La capacità di assorbimento di energia del CFRP è straordinaria. L'impressionante comportamento del CFRP rispetto alla sicurezza si evidenzia soprattutto nel caso di impatti con pali e urti laterali. Nonostante le forze elevate, in parte ad azione puntiforme, il materiale si ammacca a mala pena. I passeggeri godono di una protezione eccellente. Ne segue che il CFRP è idealmente destinato all'uso nelle zone laterali della vettura, dove ogni centimetro di abitacolo intonso è prezioso.

Certo, il CFRP non è sollecitabile all'infinito. Se le forze agenti superano i limiti della resistenza del materiale, l'accoppiamento delle fibre si sfalda in modo controllato nei singoli componenti.

Anche il nuovo modulo Drive è stato concepito e strutturato miratamente per requisiti di impatto elevati. Un'ulteriore sicurezza viene garantita in questi casi da strutture attive in alluminio nell'avantreno e nel retrotreno della vettura. In caso di impatto frontale o posteriore assorbono la gran parte dell'energia in gioco. Per offrirle il massimo della protezione, la batteria viene alloggiata nel sottoscocca. Sotto il profilo statistico, in caso di impatto un veicolo in questo punto deve assorbire la quantità in assoluto minore di energia, di conseguenza in questa zona subisce poche deformazioni. Inoltre, posizionando la batteria nel sottoscocca gli sviluppatori del BMW Group ottengono un baricentro basso ottimale, che rende la vettura molto agile e le impedisce di capottarsi.

In caso di impatto laterale la batteria beneficia anche delle caratteristiche antideformazione del modulo Life, dal momento che le forze vengono intercettate già tutte qui e non arrivano all'accumulatore d'energia. Mediante il mix dei materiali utilizzato, ossia alluminio nel modulo Drive e CFRP nel modulo Life, la batteria rimane perfettamente protetta anche nella zona dei battitacchi.

 Nel complesso, la cella di sopravvivenza in CFRP ad alta resistenza in combinazione con la distribuzione intelligente delle forze nel modulo LifeDrive costituisce il presupposto essenziale per una protezione ottimale dei passeggeri. In questo modo il mix di materiali nel modulo LifeDrive è più sicuro di una scocca autoportante in acciaio. Il potenziale che ancora si nasconde nel materiale CFRP e nella combinazione con altri materiali viene illustrato per mezzo del testing. Già in questa fase sicuramente ancora iniziale, il materiale riesce a ottenere risultati migliori di altri materiali che si trovano in uno stadio decisamente più avanzato.

La plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) è un materiale composito costituito da fibra di carbonio annegata in una matrice di plastica (resina). Il CFRP è difficilmente paragonabile ad altri materiali. Coniuga in sé numerose caratteristiche positive uniche in questa combinazione. Il CFRP innanzitutto è estremamente rigido e resistente – e questo pur con un peso straordinariamente ridotto. Quanto meno a parità di funzionalità, il CFRP pesa circa la metà dell'acciaio ed è sempre più leggero dell'alluminio di un 30%. Inoltre, il materiale resiste alla corrosione, agli acidi e ai solventi organici, quindi è notevolmente più longevo del metallo. A ciò si aggiunge che rimane stabile a tutte le condizioni climatiche e si deforma a malapena anche in presenza di elevate oscillazioni termiche.

Il segreto di questo materiale ad alta resistenza sono le fibre di carbonio. Contrariamente al metalli quasi isotropici come l'alluminio o l'acciaio, che sono caricabili allo stesso modo in tutte le direzioni spaziali, le fibre di carbonio sono anisotrope. In analogia ad una barra, sopporta carichi estremi soprattutto in una direzione, ossia quella relativa a trazione e pressione. Il vantaggio decisivo è il seguente: dal momento che in un componente non subentrano mai carichi in tutte le direzioni spaziali in tutti punti contemporaneamente, questa speciale caratteristica consente un taglio su misura dei componenti specificamente adattato alla sollecitazione. Come la natura, che distribuisce il materiale nelle ossa o nelle piante solo laddove è veramente necessario, gli esperti del BMW Group confezionano i componenti in CFRP con l'orientamento e lo spessore strettamente necessari. Per far questo dispongono le fibre nella dovuta quantità nel senso della/e successiva/e direzione/i di carico. Con questo sistema il componente viene strutturato in base a parametri predefiniti e allo stesso tempo resta molto leggero.

L'uso di CFRP è più di una semplice sostituzione di materiale, così come, ad esempio, l'acciaio può essere sostituito dall'alluminio. Grazie alle sue speciali caratteristiche, il materiale high-tech consente modalità di approccio completamente nuove e quindi anche nuovi concetti strutturali. Proprio sotto il profilo dell'elettromobilità, il CFRP offre un grande potenziale come materiale da costruzione per la carrozzeria, dal momento che il suo ridotto peso consente un rapporto peso/potenza superiore e quindi un'autonomia maggiore. Mediante l'uso intelligente di plastica rinforzata con fibra di carbonio, e nella misura in cui si è davvero compreso il materiale, è possibile migliorare enormemente numerosi prodotti realizzati con costruzione leggera.

Il fatto che finora il CFRP sia stato utilizzato solo in piccole serie o prototipi ha più motivazioni. Normalmente i componenti composti da questo materiale piuttosto giovane finora venivano realizzati soprattutto a mano e con un dispendio di tempo molto elevato. I costi a ciò correlati e i lunghi tempi di ciclo nella produzione e nella lavorazione fino ad ora avevano ostacolato la produzione di grandi serie. Dal 2003, tuttavia, il BMW Group produce componenti in CFRP nell'ambito di produzioni industrializzate di serie in quantità sempre maggiori. Frattanto, a Landshut vengono realizzati addirittura i tettucci per i modelli BMW M3 e M6 e il supporto paraurti dell'M6 in produzione industrializzata.

Il punto di partenza della produzione del CFRP è il cosiddetto "precursor". Questa fibra tessile termoplastica in poliacrilonitrile costituisce la base per il processo di produzione. In un complesso processo multifase, a svariate condizioni di temperatura e pressione tutti gli elementi delle fibre vengono separati in forma gassosa fino ad ottenere una fibra con una struttura grafitica costituita praticamente quasi solo da carbonio puro. Le fibre di carbonio generate presentano uno spessore di appena sette micrometri (0,007 millimetri), laddove invece un capello umano misura circa 50 micrometri. Per l'uso nel campo automotive circa 50.000 di questi singoli filamenti vengono poi riuniti in cosiddetti "roving" o "heavy tow" e avvolti per l'ulteriore lavorazione. Accanto alle applicazioni automobilistiche fasci di fibre di questo spessore vengono utilizzati, ad esempio, anche per le grandi pale dei rotori per impianti dell'energia eolica.

Nella fase di processo successiva i fasci di fibre vengono lavorati in roving. Contrariamente a un tessuto, nella produzione del roving le fibre non vengono incrociate e filate tra loro, ma disposte fianco a fianco su un piano. La filatura incurverebbe le fibre e quindi in parte tornerebbe a compromettere le eccellenti caratteristiche del materiale. Solo l'orientamento delle fibre nel roving assicura le caratteristiche ottimali di un componente CFRP.

Il roving tagliato a misura, ma ancora piano, nel cosiddetto processo di preformatura riceve la forma che dovrà avere in seguito. Contestualmente una superficie riscaldante applica al pacchetto di strati un contorno tridimensionale stabile. È già possibile riconoscere in modo chiaro quella che sarà la successiva forma del componente. Un certo numero di questi pacchetti di strati preformati (preforme) può poi essere combinato in un componente più grande. In questo modo con il CFRP, ad esempio, è possibile produrre componenti per carrozzeria altamente integrati e di grande superficie che altrimenti potrebbero essere realizzati solo in alluminio o in lamiera d'acciaio con costi notevoli. Questo presenta rilevanti vantaggi per la costruzione e la produzione della carrozzeria: diverse funzioni, come ad esempio gli elementi di fissaggio, possono essere integrati direttamente nel componente. Perfino elementi strutturali complessi e interi gruppi carrozzeria con pareti di spessore differente possono quindi essere realizzati con un unico stampo.

In entrambe le fasi del processo della preformatura e del confezionamento, la grande sfida consiste nel rendere un tessile flessibile talmente maneggevole, da consentire alla struttura della preforma di rimanere stabile e ai pezzi grezzi di essere congiunti con estrema precisione nell'ambito del confezionamento. Anche in questo caso il BMW Group ha acquisito, nel corso degli anni, una competenza preziosa.

Le preforme confezionate vengono poi addotte alla fase di processo successiva, ossia all'iniezione della resina. Per fare in modo che le strutture stratificate preformate mantengano in modo permanente la propria forma predefinita serve il secondo importante materiale per l'accoppiamento: la resina. Nel Resin Transfer Moulding (RTM) la resina viene iniettata nelle preforme sotto alta pressione. Solo tramite collegamento delle fibre con la resina e il successivo indurimento il materiale riceve la propria rigidità e quindi le proprie eccellenti caratteristiche.

L'impregnatura delle fibre con resina è un processo altamente complesso, carico di requisiti contrastanti. Da un lato, la resina deve penetrare in ogni punto del materiale in tempo molto breve, bagnando ogni fibra fino al livello microscopico. Pertanto, la resina deve presentare la viscosità minore possibile, ossia essere sufficientemente liquida per potersi distribuire con rapidità in tutto il roving. Dall'altro lato la resina deve indurirsi il più rapidamente possibile, ossia non appena tutto il materiale viene impregnato. Inoltre, un distaccante deve assicurare che i componenti resinati possano essere rimossi dagli stampi senza danneggiarli – evitando, tuttavia, di compromettere il legame tra fibra e resina. Risolvere e realizzare contemporaneamente queste situazioni contrastanti è molto complesso. In proposito il BMW Group ha sviluppato concetti di processo, utensili e impianti propri che risolvono questo conflitto di obiettivi e consentono un'elevata produttività mantenendo allo stesso tempo un livello elevato di qualità.

L'impregnatura del roving con resina è un processo nel quale si uniscono circa dieci singole sostanze materiali che però non devono assolutamente reagire fra loro. Inoltre, deve verificarsi l'unione di roving di fibra di carbonio, resina, indurente, legante, filo di sutura, distaccante e altri materiali, sia sulla grande superficie che a livello microscopico. In questo caso la sfida superiore è insita nel lavoro con il materiale composito in fibra, dal momento che la qualità del materiale è buona solo nella misura in cui lo è il collegamento tra resina e fibre.

Lavorazione finale – molatura di precisione con getto d'acqua

Dopo l'iniezione della resina e l'indurimento il componente è quasi pronto. Mancano da svolgere ancora solo i lavori di precisione, come il taglio a misura pulito del contorno del componente e la realizzazione delle aperture ancora mancanti. Questa lavorazione finale presso il BMW Group viene svolta da un impianto di taglio a getto d'acqua. Dal momento che il componente CFRP finito dopo la resinatura già possiede la sua stabilità completa, e quindi la resistenza, le frese tradizionali per la lavorazione finale avrebbero vita breve e dovrebbero venire sostituite spesso per via dell'elevato grado di usura. Il taglio a getto d'acqua, viceversa, consente un taglio e una perforazione in assenza di usura, anche se è necessario modificarlo per consentire la lavorazione del CFRP. Il BMW Group ha quindi ulteriormente ottimizzato questo procedimento.

“Nel produrre il Megacity Vehicle in Germania, il BMW Group dimostra un impegno a favore della Germania come sede hi-tech. Con questo veicolo, stiamo rivoluzionando il design e la produzione automobilistica e offrendo ai nostri clienti il primo veicolo elettrico creato appositamente per le aree urbane. Sarà la prima automobile del mondo prodotta in grande serie con un abitacolo realizzato in fibra di carbonio con tecnologia  CFRP , in quanto un peso minore permette un’autonomia maggiore”, ha spiegato Reithofer. “Abbiamo deciso di costruire la vettura in Germania  nel nostro stabilimento di Lipsia – ha aggiunto Reithofer – il nostro impianto più nuovo e avanzato, nonché dotato delle strutture più flessibili”.

Compresa la realizzazione di componenti, il BMW Group e la joint venture costituita con l’SGL Group per la produzione di fibre di carbonio stanno investendo un totale di 530 milioni di euro nel progetto. I beneficiari di questi investimenti sono gli stabilimenti BMW di Lipsia e Landshut e gli impianti della joint venture a Wackersdorf e a Moses Lake (stato di Washington, USA). Come risultato di questi investimenti, saranno creati più di 1.000 posti di lavoro. Lo stabilimento BMW di Dingolfing realizzerà importanti componenti per il sistema di propulsione e per il telaio dell’MCV.

Una nuova dimensione della sostenibilità

Il BMW Group sta ponendo grande valore sulla sostenibilità lungo tutta la catena di valori per il veicolo Megacity. Questa impostazione va ben oltre il funzionamento privo di emissioni del veicolo stesso. Infatti, per quanto riguarda la produzione, il BMW Group si è posto anche obiettivi ambiziosi in termini di protezione dell’ambiente e di conservazione delle risorse naturali. Per esempio, l’obiettivo dell’Azienda è di ridurre il suo fabbisogno di energia del 50 percento e di ridurre il consumo d’acqua del 70 percento per ogni veicolo. L’azienda punta ad assicurare che il 100 percento dell’energia che essa consuma deriva da fonti rinnovabili. Questi numeri si basano su un confronto con i valori attuali della rete produttiva del BMW Group, che ormai da qualche anno fissa il benchmark della sostenibilità nel settore automobilistico.