Cambio nell’auto elettrica: perché quasi tutte hanno una marcia sola e chi osa metterne due

L’auto elettrica ha ucciso il cambio. E adesso c’è chi paga ingegneri per resuscitarlo sotto forma di software.

Chiedi in qualsiasi concessionaria quante marce ha un’elettrica e la risposta di solito è “nessuna”. Sbagliato. Quasi tutte ne hanno una. Una sola marcia, fissa, che non cambia mai. Poche ne hanno due. Un camion elettrico da 44 tonnellate ne ha quattro. E ci sono sportive elettriche che te ne simulano otto, con strattoni, scoppiettii e limitatore compresi, anche se sotto c’è un solo rapporto e un programma che ti racconta bugie per farti divertire.

La trasmissione è il pezzo più dimenticato dell’auto elettrica. Nessuno la mette nello spot. Eppure spiega perché un’elettrica scatta come scatta, perché Tesla rischiò di non riuscire a produrre la sua prima auto e perché Porsche e Rimac, due marchi che costruiscono lo stesso tipo di macchina per lo stesso cliente, sono arrivati a conclusioni opposte.

Che cosa fa un riduttore

Un motore elettrico gira molto veloce. Le elettriche ad alte prestazioni di oggi si avvicinano ai 20.000 giri al minuto, ben oltre quello che regge qualsiasi motore a benzina stradale. Le ruote invece girano piano. Se collegassi il motore direttamente alla ruota, o l’auto avrebbe una rapportatura assurda, o il motore dovrebbe essere enorme per smuoverla da ferma.

La soluzione è un riduttore: un gruppo di ingranaggi che fa compiere al motore diversi giri per ogni giro di ruota. Con una riduzione di 9:1, per esempio, il motore gira nove volte per ogni giro di ruota, e la coppia che arriva sull’asfalto si moltiplica per poco meno di nove, perché anche gli ingranaggi hanno le loro perdite. Il riduttore non aggiunge potenza. Scambia velocità con forza.

In un’auto a combustione quel lavoro lo fa il cambio, con cinque, sei, otto o dieci marce. Perché così tante? Perché un motore termico rende bene solo in una fascia stretta di giri. Sotto si ingolfa, sopra resta senza fiato o si rompe. Il cambio esiste per tenere il motore nella sua zona utile mentre l’auto passa da zero a 200 all’ora. E da fermo il motore a combustione non può nemmeno partire senza una frizione che slitta.

Perché all’elettrica ne basta una

Il motore elettrico gioca con altre regole. Eroga coppia da zero giri, quindi non ha bisogno di frizione per partire. Gira al contrario semplicemente invertendo la corrente, quindi niente retromarcia meccanica. E mantiene un rendimento altissimo in quasi tutto il suo campo di funzionamento: i motori sincroni a magneti permanenti usati dall’industria superano il 95% di efficienza nel loro punto migliore, come abbiamo raccontato nel nostro articolo sui tipi di motore elettrico.

C’è poi un dettaglio fisico che quasi nessuno spiega. Un motore elettrico ha due zone. Nella prima, ai bassi regimi, dà la sua coppia massima costante. Lì una marcia più corta ti farebbe accelerare più forte. Ma oltre un certo punto, che gli ingegneri chiamano punto d’angolo, il motore passa a potenza costante e la coppia cala man mano che salgono i giri. In quella seconda zona cambiare marcia non ti dà nulla, perché l’accelerazione dipende da potenza, peso e velocità. Nella maggior parte delle elettriche di serie quel punto cade intorno ai 50-65 km/h. Oltre, un cambio aggiungerebbe solo peso, costi e pezzi che possono rompersi.

Ecco perché la grande maggioranza delle elettriche usa un unico rapporto fisso. Niente attuatori per cambiare marcia, niente interruzioni di coppia, niente frizioni da sostituire. Un ingranaggio, un differenziale e via.

Il cambio senza frizione che esce da Siviglia

Tra la benzina e l’elettrica pura c’è l’ibrida, e lì il cambio più strano d’Europa si costruisce in Spagna. Nel 2022 Renault ha assegnato al suo stabilimento di Siviglia il DB35, la trasmissione multimodale delle ibride E-Tech come Clio, Captur, Arkana e Mégane, facendo della fabbrica andalusa il centro mondiale dei cambi ibridi del gruppo, con spedizioni previste verso Valladolid, Palencia, Bursa e Busan.

La cosa curiosa è quello che manca. Niente frizione, niente sincronizzatori. Usa innesti a denti piatti, gli stessi della Formula 1, e lascia che un motore elettrico allinei la velocità degli ingranaggi prima di ogni cambiata. L’auto parte sempre in elettrico, quindi il motore a benzina non deve mai far slittare una frizione per muoversi da fermo. È la logica dell’elettrica innestata su un’auto a combustione: il motore elettrico fa il lavoro sporco che prima facevano frizione e sincronizzatori. Toyota ha risolto lo stesso problema per un’altra strada sulla Prius, con un rotismo epicicloidale che divide la forza tra motore termico ed elettrici senza nessuna marcia fissa.

Il cambio a due marce che per poco non affondò Tesla

Chi pensa che fosse tutto chiaro fin dall’inizio non conosce la storia della prima Tesla Roadster.

Il progetto originale prevedeva una trasmissione a due velocità. Fallì. Nel gennaio del 2008 Tesla ammise di averlo abbandonato per problemi di durata. Le prime Roadster di serie uscirono con una trasmissione provvisoria che limitava lo 0-60 miglia orarie a 5,7 secondi, contro un obiettivo di circa 4. La produzione partì il 17 marzo 2008, a ritmo ridotto, con la promessa di aggiornare gratis i primi clienti quando il sistema definitivo fosse stato pronto.

La lite finì in tribunale. Nell’aprile del 2008 Magna, il colosso canadese della componentistica, fece causa a Tesla in California chiedendo circa 5,6 milioni di dollari per lavori di sviluppo su quella trasmissione che, secondo la causa, non le erano stati pagati. Secondo quanto riportò all’epoca The Truth About Cars, la tesi di Magna era che Tesla avrebbe dovuto puntare fin dall’inizio su una sola velocità.

Ed è esattamente quello che Tesla finì per fare. Nel settembre del 2008 annunciò che BorgWarner avrebbe prodotto un cambio a una sola velocità progettato dai suoi ingegneri. Per farlo funzionare servirono un inverter più potente e un motore migliorato: la coppia massima salì da 286 a 380 Nm e l’autonomia omologata dall’EPA passò da 221 a 244 miglia, circa il 10% in più. JB Straubel, allora direttore tecnico, fu netto: la trasmissione a due velocità del fornitore precedente “si è rivelata non durevole”, e il nuovo sistema era “superiore praticamente sotto ogni aspetto”.

Occhio all’ordine dei fattori. Il cambio a una marcia non è arrivato per magia. È arrivato quando elettronica di potenza e motore sono stati all’altezza. È la stessa lezione del nostro pezzo sull’inverter: in un’elettrica, quello che succede negli ingranaggi dipende da quello che succede nel silicio.

Porsche osa con due

Undici anni dopo Porsche fece quello che Tesla aveva abbandonato. La Taycan, lanciata nel 2019 e la stessa auto che ci è servita per spiegare la frenata rigenerativa, ha sull’asse posteriore un cambio a due velocità. Davanti, un riduttore fisso a rapporto unico, intorno a 8:1.

Il cambio posteriore ha tre alberi: due stadi di ingranaggi a denti dritti danno il rapporto della seconda, anch’esso intorno a 8:1, e un rotismo epicicloidale innestabile aggiunge una riduzione extra per la prima. Secondo Porsche la coppia alla ruota sfiora i 12.000 Nm. Il ragionamento è doppio. La prima, cortissima, dà ancora più spinta da fermo. La seconda, lunga, mantiene alta l’efficienza e lascia potenza di riserva alle velocità da autobahn, su un’auto che arrivava a 260 km/h. Nelle modalità Sport e Sport Plus la Taycan usa soprattutto la prima, e il Launch Control la tiene il più a lungo possibile prima di passare in seconda.

La cugina tecnica, l’Audi e-tron GT, usa la stessa soluzione. E l’aggiornamento della Taycan presentato nel 2024 la conserva: Porsche continua a proporre il cambio a due velocità come un modo per accelerare più forte e, in autostrada, per inserire la marcia lunga e guadagnare autonomia.

Ma ecco il dettaglio che dice tutto. Quando Porsche ha sviluppato la sua elettrica successiva, la Macan, ha lasciato il cambio a due velocità nel cassetto e ha montato una marcia sola. Se fosse stata una soluzione nettamente superiore, l’avrebbe ripetuta.

Rimac l’ha provata e l’ha definita complessa, pesante e inefficiente

Mate Rimac dice da anni il contrario di Porsche, e con cognizione di causa, perché l’ha provata anche lui.

La sua prima supercar, la Concept_One, usava cambi a due velocità a doppia frizione, e a Rimac non sono mai piaciuti. Mentre sviluppavano la C_Two, l’auto che sarebbe diventata la Nevera, Tesla annunciò la nuova Roadster con uno 0-60 miglia orarie dichiarato in 1,9 secondi. La reazione della squadra croata fu rimettere un cambio a due marce. L’anno dopo lo tolsero. “Il cambio era diventato pesantissimo, di nuovo avevamo due velocità, e la cosa non mi piaceva”, ha spiegato lo stesso Rimac in uno dei suoi video.

La soluzione fu riprogettare il motore. Nella versione definitiva della C_Two il regime massimo passò da 12.000 a 17.700 giri e la coppia da 700 a 900 Nm, con una marcia sola. L’asse posteriore dimagrì di 60 chili. Rimac ha liquidato il cambio a due velocità con tre parole: complesso, pesante, inefficiente. In un’auto che si porta già dietro una batteria enorme, ogni chilo di ingranaggi è un chilo da accelerare, frenare e trascinare in giro.

La sorpresa: Mercedes riporta le due marce su un’auto normale

Fino a poco fa il cambio a due velocità era roba da berline da 100.000 euro. Mercedes l’ha portato sulle auto di tutti i giorni.

La nuova CLA elettrica, il primo modello sulla piattaforma MMA della casa, monta sul motore posteriore, l’unità EDU 2.0 da 200 kW, un cambio a due velocità. La prima, con un rapporto di 11:1, serve per partire. La seconda, di 5:1, per le velocità più alte, con una punta di 210 km/h. I punti di cambiata tengono conto della situazione di guida e del programma selezionato. Mercedes non lo giustifica con le prestazioni: lo giustifica con l’efficienza. L’inverter, tra l’altro, è in carburo di silicio.

La CLA ha anche un secondo trucco. Nelle versioni a trazione integrale, il motore anteriore da 80 kW ha un riduttore a marcia singola e un’unità di disaccoppiamento che lo stacca dalle ruote quando non serve. Secondo Mercedes questo riduce le perdite dell’asse anteriore del 90%. È l’altra faccia della trasmissione: a volte la cosa più efficiente non è cambiare marcia, ma sganciare il motore e lasciare girare la ruota libera.

E adesso metti insieme i pezzi. I costruttori non sono d’accordo nemmeno sulle basi. Porsche ha messo due marce per le prestazioni e poi le ha tolte sulla Macan. Rimac le ha tolte per il peso. Mercedes le mette su una compatta per l’efficienza. Quando un’intera industria non si mette d’accordo, la risposta dipende dal veicolo, non dal dogma.

Dove le marce servono davvero: i camion

Per trovare un’elettrica che abbia davvero bisogno di più marce bisogna salire su un camion.

Il Mercedes-Benz eActros 600, il trattore stradale elettrico a lungo raggio di Daimler Truck, ha un assale elettrico sviluppato in casa con due motori, 400 kW di potenza continua e 600 kW di picco, su un sistema a 800 volt. E ha un cambio a quattro velocità. Ha senso: muove fino a 44 tonnellate di massa complessiva, con tre batterie da 621 kWh lordi totali che da sole pesano 4,5 tonnellate. Partire con 44 tonnellate in salita e poi tenere la velocità di crociera in autostrada per ore è un campo di lavoro che un solo rapporto non copre bene senza un motore sproporzionato.

La regola di fondo è la stessa dell’auto a combustione: più è ampia la forbice tra lo sforzo massimo e la velocità massima, più hanno senso le marce. In un’auto elettrica quella forbice sta dentro un solo rapporto. In un camion da 44 tonnellate no.

E poi ci sono le marce finte

Qui comincia la parte più divertente e più discutibile della storia.

La Hyundai Ioniq 5 N, presentata nel 2023 con oltre 600 cavalli, ha un sistema chiamato N e-Shift. Non c’è un cambio. C’è un solo rapporto, come su qualsiasi Ioniq 5. Ma il software simula un doppia frizione a otto marce, ispirato a quello delle N a benzina del marchio. Con le palette cambi “marcia”, l’auto gioca con l’erogazione per farti sentire il colpo della cambiata, simula il freno motore e, se non sali di marcia in tempo, ti fa sbattere contro un limitatore digitale. Il tutto accompagnato dall’N Active Sound+, che può imitare il suono del 2.0 turbo della casa o, se ti senti creativo, quello di un caccia.

Hyundai non si ferma qui. Il marchio ha fatto sapere che il sistema arriverà sulla Ioniq 6 N, in una versione più morbida sulla Ioniq 9, come optional su altre Ioniq 5 e sui modelli Genesis.

Lexus è andata ancora oltre con un prototipo. A fine 2022 ha spiegato come funzionava una UX 300e modificata con leva del cambio, pedale della frizione e contagiri. Né la leva né il pedale erano collegati meccanicamente a nulla. Erano ingressi digitali: il software decideva quale marcia virtuale avevi inserito e regolava la risposta del motore per imitarla, mezza frizione compresa. Takashi Watanabe di Lexus ha ammesso che l’auto potrebbe perfino simulare lo spegnimento. “Non si spegnerebbe davvero, perché non c’è un motore a combustione.”

E Maranello? Con la Elettrica, Ferrari ha giurato che non avrebbe finto niente. Niente marce: con la paletta destra si sbloccano uno dopo l’altro cinque livelli di coppia e potenza, e con la sinistra si simula il freno motore. La casa lo chiama Torque Shift Engagement. Il suono non è sintetizzato: un accelerometro di alta precisione sull’inverter posteriore raccoglie le vibrazioni vere dei motori e le amplifica in abitacolo, solo quando acceleri o tocchi le palette. Sulla carta è teatro con attori veri. Ma cinque gradini di potenza comandati da una paletta, a chi guida, somigliano parecchio a cinque marce. E la parte che a Maranello non piace sentire: Hyundai ci era arrivata due anni prima, con una Ioniq 5.

Ha senso? Dal punto di vista tecnico, nessuno: è aggiungere il limite di un motore termico a una macchina che non ce l’ha. Dal sedile, un’altra storia: chi la prova in pista di solito scende col sorriso. Eppure comprare un’elettrica perché si comporti come una benzina sia come comprare uno smartphone perché ti simuli il rumore del telefono a disco.

Come la pensiamo a NEB

Il riduttore a marcia singola è uno dei grandi vantaggi dell’auto elettrica, e quasi nessuno lo rivendica. Meno pezzi, meno peso, zero frizioni da cambiare e una risposta che nessun cambio automatico può eguagliare. A Tesla sono serviti un anno e una causa per accettarlo. Rimac l’ha accettato togliendo chili.

Le due marce hanno il loro posto, ma è un posto piccolo: una Porsche che vuole vincere sia in partenza sia in autobahn, una Mercedes che spreme ogni kilowattora, un camion da 44 tonnellate. Per tutti gli altri la seconda marcia è una voce da depliant.

E le marce simulate sono un’altra cosa: puro teatro. Teatro fatto bene, d’accordo. Ma che nessuno ti venda come progresso tecnico un’elettrica che finge di avere la frizione. Il progresso è nel motore. Il cambio, su un’elettrica, è nostalgia programmata.

Pagheresti per un’elettrica che ti simula le cambiate, o è proprio quello che volevi lasciarti alle spalle?

Stacca la spina e goditela.

Immagini: Charles/Flickr (CC BY 2.0, CC0) · Rutger van der Maar (CC BY 2.0) · Miroslav Vajdić (CC BY-SA 4.0) · Celestinesucess (CC BY-SA 4.0) · Calreyn88 (CC BY-SA 4.0), tramite Wikimedia Commons.