La crescita esponenziale di veicoli a propulsione elettrica e ibrida è fortemente legata ai progressi tecnologici nel power management e all’implementazione di materiali innovativi adattabili a una vasta gamma di applicazioni di potenza. I dispositivi Wide Band Gap Semiconductors garantiscono maggiore efficienza energetica e dimensioni più piccole dei componenti elettronici. La ricerca nel settore automotive per la trazione elettrica è orientata anche all’ottimizzazione della batteria e dei sistemi di ricarica.
INTRODUZIONE
I sistemi di mobilità a trazione elettrica e ibrida trovano largo spazio all’interno del settore automotive. In media un Electrical Vehicle (EV) ha un'efficienza in un range compreso tra il 59% e il 62% relativamente alla trasformazione dell'energia immagazzinata in una batteria, per convertirla in potenza meccanica da fornire alle ruote. Le sofisticate tecnologie emergenti che si stanno affermando nell’elettronica di potenza, oltre a quelle delle batterie e del controllo motore, permettono di accelerare l'uso diffuso di veicoli elettrici e ibridi e di aumentarne l’efficienza, le prestazioni e il campo di funzionamento. In particolare stiamo parlando dei semiconduttori WBG (Wide Band Gap) che offrono prestazioni di gran lunga superiori rispetto alla tecnologia convenzionale basata sul silicio. I dispositivi che sfruttano efficacemente le proprietà di questi materiali innovativi per raggiungere valori di tensione e corrente richiesti nelle applicazioni, sono caratterizzati da maggiore efficienza energetica e design molto compatto. Carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) sono due semiconduttori della famiglia WBG impiegati nelle applicazioni di potenza. Gli interruttori a semiconduttore e i componenti per la conversione di potenza migliorano l'efficienza dei veicoli elettrici, ma anche l’elettrificazione del condizionamento dell'aria e dell'illuminazione ha un ruolo determinante. Inoltre l'elettronica di controllo del motore nella trasmissione rappresenta una criticità relativamente alla sicurezza, per cui è necessario implementare tecnologie collaudate per i controller dei motori di trazione.
UNO SGUARDO ALLE TECNOLOGIE EMERGENTI
Esaminiamo quali sono le tecnologie emergenti allo stato attuale, in grado di accelerare l’adozione dei sistemi a propulsione elettrica e ibrida su larga scala.
L’elettronica di potenza
I mosfet di potenza al silicio non hanno raggiunto i livelli prestazionali richiesti nei sistemi elettronici di potenza. I progettisti, infatti, stanno mettendo a punto nuove tecnologie in grado di offrire una maggiore efficienza energetica durante la conversione nonchè riduzione delle perdite. Una tecnologia emergente è sicuramente quella dei dispositivi e moduli a semiconduttore di potenza in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). Il nitruro di gallio è un semiconduttore ad alta mobilità elettronica, con notevoli vantaggi nella commutazione di potenza e che offre prestazioni superiori sia rispetto al silicio che al carburo di silicio. SiC, d'altra parte, riduce notevolmente le perdita di potenza nei sistemi di conversione. Inoltre i dispositivi SiC sono diventati molto affidabili e più convenienti e ciò sta contribuendo all’aumento della quantità di veicoli elettrici in circolazione. I SiC mosfet e i diodi Schottky sono progettati per applicazioni di ricarica per EV e offrono una bassa perdita di commutazione di potenza. I dispositivi Wide Band Gap Semiconductors (WBG) trovano applicazione nell’ambito della gestione dell'alimentazione o power management; si tratta di materiali semiconduttori a banda larga che rendono i componenti elettronici di potenza molto più piccoli, più veloci e più affidabili, garantendo al contempo anche una maggiore efficienza rispetto ai dispositivi a base di silicio. Queste caratteristiche funzionali permettono di ridurre il peso e il volume in un ampio range di applicazioni di potenza. I semiconduttori WBG consentono inoltre ai dispositivi di funzionare in un campo di temperature, tensioni e frequenze molto più elevato. I moduli elettronici di potenza che impiegano questi materiali sono quindi più potenti ed efficienti rispetto a quelli realizzati con materiali semiconduttori convenzionali. I dispositivi WBG garantiscono l’eliminazione fino al 90% delle perdite che si verificano durante la conversione di potenza AC-DC e DC-AC, funzionamento a frequenze più elevate e fino a Tmax maggiori rispetto ai dispositivi basati sul silicio, miglioramento delle prestazioni ad alta potenza e conseguentemente migliore affidabilità del sistema complessivo, sistemi più piccoli e leggeri, con inevitabili vantaggi sulla riduzione dei costi.
Figura 1. Tensioni di rottura di silicio e di semiconduttori Wide Band Gap - SiC (carburo di silicio) e GaN (nitruro di gallio)
Le batterie
Le batterie devono soddisfare precisi requisiti: alti livelli di capacità di carica, densità di potenza e leggerezza, garantendo al contempo riduzione dei costi. Allo stato attuale nei veicoli a trazione elettrica vengono implementate batterie a ioni di litio (Li-Ion) che fungono da portatori di carica, caratterizzate da alta densità di energia, leggerezza e possibilità di essere sottoposte a più cicli di ricarica. I parametri progettuali che determinano l’efficienza di un sistema di accumulo sono la velocità di ricarica e la durata della stessa, in termini di Km percorribili e quindi autonomia di percorrenza del veicolo. Una batteria è considerata tanto più efficiente quanto maggiore è l’autonomia di percorrenza che garantisce con una sola ricarica, minore il decadimento delle prestazioni con i cicli di ricarica, maggiore la sua densità di energia e ampio l’intervallo di temperatura tollerato, mantenendo bassi livelli di costi. Le batterie con elettrolita solido, pur garantendo elevata densità di energia e ottimi livelli di sicurezza, risultano tuttavia ancora molto costose.
Figura 2. Batteria agli ioni di litio per veicolo a trazione elettrica
La ricarica per i veicoli elettrici
Anche se [...]
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In questo articolo vengono spiegate in modo semplice ma esaustivo le varie tipologie di auto Ibride ed elettriche. In articoli futuri mi piacerebbe approfondire il calcolo completo dei veri costi di esercizio di un’auto elettrica :dall’acquisto, al costo chilometrico, manutenzione e i costi di smaltimento delle batterie; sono riciclabili? in che percentuale?
Poi sarebbe interessante intraprendere uno studio delle possibili energie alternative: sole, maree, venti, geotermia, ecc e capire quali sono i costi e i benefici di ogni fonte rinnovabile e a zero impatto
per l’uomo. Grazie!
anch’io, come Zopdar, sono molto curioso sull’argomento batterie…..
-quanto durano le batterie (mesi,anni ?) mantenendo inalterate le loro caratteristiche di ricarica/durata di percorrenza, prima di dover essere sostituite? (molto dipenderà anche dai cicli di carica, se lenta, veloce, parziale, totale)
-è possibile “rigenerarle” e quindi mantenere le originali della vettura, o è necessario farle sostituire con delle nuove?
-quando si “rigenerano” (se possibile) o si sostituiscono le batterie, quanto si spenderà?
-lo smaltimento delle batterie a “fine vita”, che impatto ambientale avrà?
agli albori delle e-cars ricordo di aver letto in qualche rivista del settore che per le batterie si poteva pensare ad un sistema di noleggio: quando sto per terminare la carica mi fermo alla stazione di servizio, dove sostituiscono la mia batteria con una carica al 100% e posso ripartire quasi subito, quasi al pari di fermarsi a fare un pieno di caburante fossile. ma penso che un sistema del genere costringerebbe le stazioni di servizio a dotarsi di grandi capannoni per immagazzinare i pacchi batteria da noleggiare, recuperare e ricaricare…
Articolo molto ben fatto ed esaustivo.
So che esiste anche uno studio inglese di Cap HPI riguardo al confronto elettrico-termico su un arco di 3 anni, ma credo che confronti del genere diventeranno sempre più frequenti tra le riviste specializzate in automobilismo e non dovremo attendere molto.
Relativamente al full hybrid credo sia interessante il sistema Hybrid Dynamic Force di Toyota che garantisce (a detta del costruttore) un rendimento termico uguale o perfino di poco superiore al 40% vale a dire vicino a quel 50% garantito dal motore mercedes di F1 che però rappresenta un concept e quindi ha costi piuttosto esorbitanti e non sostenibili per un motore tradizionale.
Vi è un forte interesse verso il settore della e-mobility, anche per le importanti caratteristiche di eco-sostenibilità; esempi emergenti sono la Tesla Model 3 e la Nissal Leaf che hanno velocemente conquistato il mercato a livello globale.