Le tecnologie chiave per i veicoli elettrici – La ricarica

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L’utilizzo, per oltre un secolo, dei motori alimentati con combustibili fossili ha certamente prodotto significati sviluppi sia dal punto di vista tecnologico sia da quello delle infrastrutture. Per questo motivo, è certamente esiguo il numero di automobilisti che pianifica i propri spostamenti in funzione delle stazioni di rifornimento che incontrerà lungo il percorso. Gli odierni motori a combustione interna (ICE – Internal Combustion Engine) possono coprire agevolmente distanze di centinaia di chilometri con un solo pieno di carburante, il rifornimento richiede pochi minuti e le aree di servizio si trovano con facilità.

Nel caso dei veicoli elettrici (EV – Electric Vehicle) lo scenario è completamente differente. Le batterie delle auto hanno capacità dell’ordine delle decine di kilowatt/ora – capacità che aumenta a numeri a tre cifre solo per i veicoli della fascia alta di mercato. Per effettuare una ricarica completa di una vettura elettrica seguendo modalità confrontabili con quelle utilizzate per il rifornimento di una vettura tradizionale sono due gli elementi fondamentali: una tecnologia in grado di erogare la quantità di potenza richiesta nel giro di pochi minuti e batterie in grado di supportare questa velocità di ricarica. In realtà, è più ragionevole ricaricare gli odierni veicoli elettrici quando questi non vengono utilizzati per lunghi periodi di tempo piuttosto che eseguire questa operazione durante il viaggio, che è invece la prassi normale nel caso dei veicoli a combustione interna. Da qui la necessità di disporre di punti di ricarica nei luoghi dove i veicoli vengono parcheggiati per lunghi periodi, come ad esempio abitazioni, parcheggi pubblici e aziendali.

La ricarica dei veicoli elettrici

Per ricaricare un veicolo elettrico, indipendentemente dal modello, la corrente alternata (AC) proveniente dalla rete deve essere convertita in corrente continua (DC). L’approccio senza dubbio più semplice è prevedere un convertitore AC/DC a bordo del veicolo, in modo da poter utilizzare un normale punto ricarica monofase domestico per caricare un veicolo fino a 7,4 kW (che rappresenta la potenza massima prelevabile). In ogni caso, per ricaricare completamente una batteria di una macchina elettrica da 52 kWh, come quella della nuova Zoe della Renault, sono necessarie circa otto ore e mezza.

Salendo in potenza, vi sono punti di ricarica in AC in grado di erogare 22 kW, il che si traduce in una significativa riduzione dei tempi di ricarica. Sempre prendendo come esempio il modello Zoe, la Casa costruttrice dichiara che utilizzando un punto di ricarica da 22 kW, in due ore è possibile garantire un’autonomia di circa 275 km. Vi sono anche punti di ricarica in AC da 43 kW ma, in questo caso, è necessario possedere un modello di auto elettrica in grado di supportare una tale velocità di ricarica.

Poichè molti veicoli vengono lasciati in sosta nei parcheggi mentre il/la proprietario/a è al lavoro o a fare compere, la velocità di rifornimento che è possibile conseguire con i caricatori da 22 e 43 kW risulterà accettabile per un gran numero di automobilisti.

Durata del viaggio e ricarica in DC veloce

Di recente è stato presentato uno studio, su base europea, relativo alle modalità di utilizzo dei veicoli condotto in Francia, Germania, Italia, Polonia, Spagna e Gran Bretagna. Lo studio ha rivelato che la distanza media che gli automobilisti coprono ogni giorno in ciascuno dei Paesi interessati varia dai 40 chilometri circa della Gran Bretagna agli 80 chilometri della Polonia, solitamente suddivisa in due o tre viaggi. Con una modalità di guida di questo tipo, un’auto elettrica come il mod. Leaf di Nissan capace di assicurare un’autonomia di circa 270 km con una singola carica, molti automobilisti potrebbero utilizzare la vettura per parecchi giorni senza dover ricaricare. Il problema si presenta nel caso di viaggi più lunghi, come ad esempio quelli che si fanno durante le vacanze. Un paio di ore di ricarica ogni 200 km contribuiscono ad allungare sensibilmente i tempi di viaggio.

La soluzione è rappresentata dai caricatori in DC veloci (Fast charger). Le specifiche attuali definiscono una potenza di picco di 350 W con una tensione massima di 920 V. A seconda del tipo di veicolo elettrico, una soluzione di questo tipo potrebbe aggiungere un’autonomia di parecchie centinaia di km in soli 10 minuti, un tempo assimilabile a quello richiesto per il rifornimento di un’auto con motore a combustione interna. Poichè per un caricatore di questo tipo sono richiesti una tensione di 400 V AC e un’alimentazione tri-fase fornita dalla rete, sono necessari significativi lavori infrastrutturali per l’installazione. Il veicolo elettrico, inoltre, deve essere in grado di supportare velocità di ricarica di questo tipo.

Ricarica in DC: principio di funzionamento

Uno stadio AC/DC, che viene solitamente realizzato usando una topologia Vienna che assicura un’elevata efficienza, converte la tensione AC in ingresso in una tensione DC fissa o variabile. Questa viene trasferita a uno stadio di conversione DC/DC che alimenta la batteria del veicolo elettrico. Un’erogazione di potenza di tale portata viene effettuando sfruttando un progetto di tipo modulare. Infatti è previsto il ricorso a un certo numero di convertitori, ciascuno dei quali in grado di gestire potenze comprese tra 15 e 50 kW, che operano in sinergia per erogare la potenza totale richiesta. Per questo tipo di applicazione vengono utilizzati IGBT, diodi SiC e MOSFET SiC in quanto si tratta dei componenti di potenza che permettono di ottenere livelli di efficienza complessivi, a livello cioè di sistema, pari ad almeno il 95%. A questo proposito è utile sottolineare che una perdita pari solo all’1% in un caricatore da 150 kW comporta una dissipazione di potenza di 1500 W sotto forma di calore.

Le perdite a livello dei connettori e dei cavi di ricarica possono essere dell’ordine delle centinaia di Watt. Per dissipare in modo efficiente tale energia è necessario pompare liquidi refrigeranti basati su una miscela di acqua e glicole attraverso il cavo e il connettore, operazione questa che rientra nel novero delle attività svolte dal sistema per la gestione dello smaltimento del calore del caricatore.

Veicoli elettici: quale futuro?

I miglioramenti registrati a livello della capacità delle batterie dei veicoli elettrici, abbinati alla constatazione che un numero relativamente ridotto di automobilisti effettua su base regolare viaggi superiori all’autonomia massima consentita dagli odierni veicoli elettrici di fascia entry-level, dovrebbero contribuire a eliminare il problema della cosiddetta “range-anxiety” (ansia da autonomia), specialmente se si tiene conto della disponibilità di un numero sempre maggiore di punti di ricarica.

Il problema rimane la velocità di ricarica, sebbene nel corso di questo blog sia stata sottolineato il fatto che esistono soluzioni pratiche e sulla rete stradale i punti di ricarica ad alta velocità sono sempre più numerosi. A questo punto rimane aperto un quesito: le tecnologie come l’idrogeno potrebbero soppiantare i veicoli elettrici prima che questi possano a loro volta sostituire i tradizionali veicoli alimentati a benzina o diesel?

Per rispondere a tale quesito continuate a seguirci nel nostro prossimo blog: celle a combustibile a idrogeno

Mark Patrick, Mouser Electronics

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