La visione di Toyota per una futura società sostenibile basata sull’idrogeno riconosce il valore di questo elemento come una risorsa vitale e abbondante per trasportare e immagazzinare energia. Ha il potenziale per fornire mobilità a zero emissioni di carbonio, non solo nei veicoli stradali ma anche nei treni, nelle navi e negli aerei, e per generare energia per l’industria, le imprese e le case. È anche un mezzo efficiente per immagazzinare energia rinnovabile e può essere trasportata dove serve.
Toyota ha iniziato lo sviluppo di un veicolo elettrico a celle a combustibile di idrogeno nel 1992, introducendo con successo la berlina Mirai sul mercato a livello mondiale nel 2014. Questo risultato rivoluzionario è stato fondato sull’esperienza di caratura mondiale dell’azienda nella tecnologia ibrida, la tecnologia di base per una vasta gamma di diversi propulsori per veicoli elettrificati.
Il concetto alla base della tecnologia ibrida è stato adattato con successo per produrre veicoli Hybrid Electric (HEV), Plug-in Hybrid Electric (PHEV), Battery Electric (BEV) e – a partire dalla Mirai – Fuel Cell Electric (FCEV). Ognuno di essi ha qualità adatte alle diverse esigenze di mobilità: ad esempio, BEV per i brevi spostamenti e la guida urbana; HEV e PHEV per viaggi personali generici e su lunghe distanze; e FCEV per autovetture più grandi e ingombranti, mezzi pesanti e trasporti pubblici.
Ora è arrivata la nuova generazione di Mirai, un’auto che porta la tecnologia FCEV a un livello superiore e offre un appeal più emozionale al cliente in termini di look dinamico e contemporaneo e prestazioni di guida più gratificanti. Un sistema di celle a combustibile completamente riprogettato, un packaging intelligente e l’efficienza aerodinamica contribuiscono ad estendere l’autonomia di guida a circa 650 km, senza altre emissioni se non acqua pura.
Miglioramenti nelle prestazioni e nella progettazione
Nello sviluppo della nuova Mirai, Toyota si è impegnata a fornire miglioramenti a tutto tondo per aumentare l’attrattiva dei clienti, dalle sue performance al suo aspetto e al modo di guidare.
Una priorità è stata quella di migliorare la sua autonomia rispetto al modello di prima generazione e di andare oltre le distanze tipicamente raggiunte dai veicoli elettrici a batteria. L’aumento della potenza e della capacità dei serbatoi di idrogeno, il miglioramento dell’efficienza e la nuova aerodinamica contribuiscono ad estendere l’autonomia di guida a circa 650 km (+30%). Questo conferisce alla nuova Mirai una vera autonomia per le lunghe distanze.
Anche il packaging è stato notevolmente migliorato, con la nuova Mirai costruita sulla piattaforma modulare GA-L di Toyota. Una disposizione più efficiente ed equilibrata del nuovo propulsore FCEV – in particolare con la pila di celle a combustibile spostata da sotto l’abitacolo al vano anteriore – ha permesso di ottenere un interno più spazioso, a cinque posti, con uno spazio per le gambe migliorato per i passeggeri dei sedili posteriori.
La nuova Mirai vanta anche proporzioni più attraenti: l’altezza complessiva è stata ridotta di 65 mm a 1.470 mm, e il passo è aumentato di 140 mm (2.920 mm). Con lo sbalzo posteriore esteso di 85 mm, la lunghezza complessiva del veicolo è ora di 4.975 mm. Un aumento di 75 mm della larghezza della carreggiata e l’uso di ruote più grandi, da 19 e 20 pollici, aumentano la posizione più bassa e più dinamica e il senso visivo del baricentro riposizionato della nuova Mirai.
Maggiore feeling emotivo con i clienti
Uno degli obiettivi principali della nuova Mirai è stato quello di dare all’auto un maggiore appeal emozionale, rendendola un’auto da cui la gente sarà attratta, per il suo aspetto e per il modo in cui si guida, oltre che per le sue prestazioni ecologiche. La nuova piattaforma GA-L e i progressi della Toyota nelle tecnologie FCEV hanno reso possibile tutto questo.
Piattaforma GA-L
L’adozione della piattaforma GA-L ha permesso di riprogettare il posizionamento delle celle a combustibile e i componenti della trasmissione in modo da utilizzare lo spazio in modo più efficiente. Il risultato è un abitacolo più ampio, con cinque posti a sedere e un migliore bilanciamento dei pesi. Forse la novità più significativa è che permette di montare tre serbatoi di idrogeno ad alta pressione, aumentando la capacità totale dei serbatoi stessi e l’autonomia di guida dell’auto del 30%.
I serbatoi sono disposti a “T”, il più lungo in senso longitudinale e centrale sotto il pianale del veicolo, con due serbatoi più piccoli posizionati lateralmente sotto i sedili posteriori e il bagagliaio. Insieme possono contenere 5,6 kg di idrogeno, contro i 4,6 kg degli attuali due serbatoi della Mirai. La loro posizione contribuisce al baricentro inferiore dell’auto ed evita di compromettere il vano di carico.
La nuova architettura permette anche di spostare la nuovissima cella a combustibile a idrogeno dalla sua attuale posizione sotto il pianale al vano anteriore (equivalente al vano motore), mentre la (più compatta) batteria ad alta tensione e il motore elettrico sono posizionati sopra l’asse posteriore. Come spiegato di seguito, il layout del gruppo propulsore è stato ottimizzato per dare alla nuova Mirai una distribuzione del peso 50:50 tra anteriore e posteriore.
I serbatoi hanno una struttura più robusta e multistrato e sono altamente efficienti dal punto di vista del peso – l’idrogeno rappresenta il 6% del peso combinato del carburante e dei serbatoi.
Nuovo stack di celle a combustibile
Il nuovo stack di celle a combustibile Toyota e il convertitore di potenza a celle a combustibile (FCPC) sono stati sviluppati appositamente per l’uso con la piattaforma GA-L. I progettisti sono stati in grado di riunire tutti gli elementi del telaio dello stack (comprese le pompe dell’acqua, l’intercooler, l’aria condizionata e i compressori d’aria e la pompa di ricircolo dell’idrogeno) con ogni parte resa più piccola e leggera, migliorando allo stesso tempo le prestazioni. L’involucro dello stack stesso è stato reso più piccolo utilizzando la saldatura per attrito allo stato solido, riducendo la distanza tra la cella a combustibile e l’involucro.
Il gruppo di celle a combustibile utilizza un polimero solido, come nell’attuale Mirai, ma è stato reso più piccolo e ha meno celle (330 invece di 370). Tuttavia, stabilisce un nuovo record per la densità di potenza specifica a 5,4 kW/l (escluse le piastre terminali). La potenza massima è così passata da 114 kW a 128 kW. Le prestazioni in condizioni di basse temperature sono state migliorate con l’avvio ora possibile a partire da -30˚C.
Concentrando le connessioni del sistema all’interno della struttura, sono necessari meno componenti, risparmiando di nuovo spazio e peso.
L’attenzione all’innovazione e al miglioramento di ogni componente ha consentito di ridurre il peso del 50% ma di aumentare la potenza del 12%. Le nuove misure includono il riposizionamento del collettore, la riduzione delle dimensioni e del peso della cella, l’ottimizzazione della forma del separatore di canale del gas e l’utilizzo di materiali innovativi negli elettrodi.
L’unità incorpora anche il convertitore DC-DC a celle a combustibile (FDC) e parti modulari ad alta tensione, ottenendo una riduzione del 21% delle dimensioni rispetto al sistema attuale. Il peso è stato ridotto a 25,5 kg (-2,9 kg). La tecnologia avanzata ha contribuito al risparmio di spazio, con il primo utilizzo da parte della Toyota di un materiale semiconduttore al carburo di silicio di nuova generazione nel transistor del modulo di potenza intelligente (IPM). Ciò consente di aumentare la potenza e di ridurre il consumo di energia utilizzando un minor numero di transistor, il che a sua volta permette di ridurre l’FCPC.
La stessa dimensione e lo stesso approccio di risparmio di peso è stato applicato ad altre parti della pila FC. La presa d’aria è progettata per una bassa perdita di pressione e contiene materiale fonoassorbente in modo che il rumore proveniente dalle prese d’aria sia impercettibile in abitacolo. Lo scarico utilizza un tubo di resina ed è progettato per consentire lo scarico di una grande quantità di aria e acqua; un silenziatore di maggiore capacità contribuisce a rendere gli interni più confortevoli. Il sistema completo dell’aria è quasi il 30% più piccolo rispetto all’attuale Mirai e pesa più di un terzo in meno (-34,4%).
Batteria agli ioni di litio
La nuova Mirai è dotata di batteria agli ioni di litio ad alta tensione al posto dell’unità di nichel-metallo idruro del modello attuale. Anche se di dimensioni più piccole, è più densa di energia, offrendo una maggiore resa e prestazioni ambientali superiori. Con 84 celle, ha una tensione nominale di 310,8 Ah rispetto ai 244,8 di prima, e una capacità di 4,0 Ah, contro i 6,5 Ah. Il peso complessivo è stato ridotto da 46,9 a 44,6 kg. La potenza in uscita è migliorata da 25,5 kW x 10 secondi a 31,5 kW x 10 secondi.
Le dimensioni ridotte della batteria hanno permesso di posizionarla dietro i sedili posteriori, evitando il coinvolgimento del vano di carico. È stato riprogettato un percorso di raffreddamento ad aria, con ingressi discreti su entrambi i lati dei sedili posteriori.
Prestazioni dinamiche
L’adozione della piattaforma GA-L per la nuova Mirai offre alla vettura i fondamentali vantaggi di un baricentro più basso, migliori caratteristiche di inerzia e una maggiore rigidità della carrozzeria, tutti elementi che contribuiscono a fornire prestazioni dinamiche superiori.
Con la pila di celle a combustibile spostata da sotto il pianale del veicolo verso il vano anteriore e la batteria e il motore elettrico posizionati nella parte posteriore, è stato raggiunto un bilanciamento del peso di 50:50 tra anteriore e posteriore, assicurando le caratteristiche di stabilità fondamentali di un’auto a motore anteriore.
La rigidità del corpo è stata aumentata con traverse e rinforzi strategici, la più ampia applicazione di adesivi per il telaio e l’uso della saldatura laser per le viti.
La nuova piattaforma ospita anche nuove sospensioni multilink anteriori e posteriori, al posto del precedente sistema con schema MacPherson all’anteriore e barra di torsione posteriore. Questa configurazione offre un migliore livello di stabilità, controllabilità e comfort di guida. I dettagli includono l’uso di barre antirollio più spesse, la posizione ottimale del giunto sferico superiore e inferiore e l’elevata rigidità complessiva delle sospensioni, con conseguente beneficio in termini di reattività e stabilità.
Ulteriori vantaggi derivano dall’uso di ruote e pneumatici più grandi da parte della nuova Mirai. Le ruote da 19 e 20 pollici sono dotate rispettivamente di pneumatici 235/55 R19 e 245/45 R20, con bassa resistenza al rotolamento e grande silenziosità di marcia, che contribuiscono all’efficienza del carburante, ad un handling migliore, alla stabilità e alla silenziosità in abitacolo. L’utilizzo di ruote e pneumatici di diametro maggiore contribuisce a garantire lo spazio necessario per i tre nuovi serbatoi di idrogeno.
La migliore aerodinamica della vettura, con una linea del tetto più bassa, la pannellatura completa del fondoscocca e il coefficiente di resistenza aerodinamica più basso, contribuisce anche ad aumentare la qualità della maneggevolezza e della stabilità, e a raggiungere un’autonomia di guida maggiore.
La nuova Mirai offre anche dei benefici tangibili per il guidatore grazie al suo carattere di guida migliorato. La potenza extra prodotta dal nuovo gruppo di celle a combustibile e dalla batteria sono sfruttate per un’accelerazione lineare e fluida, con una progressione armonizzata che segue meglio gli input dell’acceleratore. La guida in autostrada è rilassata e senza stress, con un’eccellente risposta disponibile a tutte le velocità. Quando si guida su strade tortuose e non, l’equilibrio della nuova Mirai si combina con un’ottima percorrenza e uscita dalle curve.
Pulizia dell’aria mentre si guida
Il vantaggio ambientale della guida della Toyota Mirai va oltre le emissioni zero fino alle “emissioni negative” – l’auto pulisce efficacemente l’aria mentre si muove.
Innovazione Toyota, un filtro catalizzatore è incorporato nella presa d’aria. Mentre l’aria viene aspirata nel veicolo per alimentare la cella a combustibile, una carica elettrica sull’elemento filtrante in tessuto-non tessuto cattura particelle microscopiche di inquinanti, tra cui biossido di zolfo (SO2), ossidi di azoto (NOx) e particolato PM 2,5. Il sistema è efficace nel rimuovere dal 90 al 100% delle particelle tra 0 e 2,5 micron di diametro dall’aria mentre passa nel sistema di celle a combustibile.
Obiettivo: aumentare di 10 volte le vendite
L’introduzione della nuova Mirai vedrà Toyota puntare ad una maggiore penetrazione del mercato con un’espansione di 10 volte del volume delle vendite. Questa crescita sarà supportata dalle maggiori prestazioni del nuovo modello e dal maggiore interesse dei clienti, in particolare come veicolo più accessibile.
Anche la praticità nel rifornire una vettura ad idrogeno aumenterà man mano che i mercati miglioreranno le loro infrastrutture, aumenterà il numero di stazioni di servizio e i governi e le autorità locali introdurranno nuovi incentivi e normative per una mobilità più sostenibile.