Le tecnologie chiave per i veicoli elettrici – Il futuro

Pubblicato il 30 settembre 2020

In questa serie di blog sono stati esaminati alcuni dei più importanti progressi tecnologici che stanno modificando profondamente il settore automotive e sono stimolati dalla necessità, avvertita sia dai vari Governi sia dal mondo industriale, di abbandonare progressivamente i tradizionali veicoli con motore a combustione interna (ICE – Internal Combustion Engine). Nel momento in cui si vanno a esaminare le diverse alternative, i veicoli elettrici a batteria (BEV – Battery Electric Vehicle) oggigiorno hanno il sopravvento, anche se i veicoli elettrici con celle a combustibile a idrogeno (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle) garantiscono modalità di fruizione molto simili a quelle dei tradizionali veicoli con motore a combustione interna. A questo punto è utile domandarsi quale sarà lo scenario più verosimile nel 2030.

Tralasciando fattori quali aerodinamica e peso dei componenti del veicolo non strettamente correlati ai sistemi di trazione elettrica, i miglioramenti in termini di autonomia dei veicoli elettrici di fascia più bassa potranno essere ottenuti solamente attraverso sviluppi tecnologici legati all’accumulo e alla conversione dell’energia.

L’evoluzione delle batterie

I progressi compiuti nei campi delle formulazioni chimiche e dei materiali continueranno a contribuire al miglioramento delle batterie. L’attuale tecnologia a ioni di litio (Li-Ion) evidenzia ancora molti margini di miglioramento in termini di densità di energia. Le batterie della prossima generazione potranno utilizzare il litio-zolfo (Li-S), anche se al momento attuale è necessario risolvere il problema legato al deterioramento degli elettrodi dovuto al passaggio degli elettroni di zolfo durante il funzionamento. L’utilizzo di glutammato per gli elettrodi sembra promettente, ma per decretare il successo di una soluzione è necessario ovviamente procedere alla sua commercializzazione. Complessivamente sono diverse le tecnologie – litio-zolfo, a stato solido con anodo in litio e litio-aria (Li-O2) – che dovrebbero essere in grado di garantire il raddoppio della densità di energia rispetto ai livelli attuali. Ma visto il tempo richiesto per la produzione a fini commerciali delle nuove tecnologie, è alquanto improbabile che l’industria automotive abbandoni le batterie a ioni di litio prima di una decina d’anni.

I progressi della tecnologia SiC

L’affidabilità e le prestazioni dei nuovi materiali ad ampio bandgap come il carburo di silicio (SiC) sono aumentate significativamente nel corso dell’ultimo decennio. L’introduzione di versioni qualificate per l’uso in ambito automotive, abbinata alla continua evoluzione a livello di packaging, porterà alla progressiva sostituzione degli IGBT utilizzati negli inverter con MOSFET SiC. Ciò permetterà ai progettisti di utilizzare frequenze di commutazione più elevate. I minori oneri a livello di dissipazione di calore comporteranno, a loro volta, una riduzione del peso con conseguente lieve aumento dell’autonomia.

Anche se sul mercato sono disponibili modelli di vetture elettriche, ovviamente di fascia alta, in grado di garantire un’autonomia di 600 km, è alquanto improbabile che i miglioramenti nel campo della tecnologia SiC possano da soli consentire la realizzazione di veicoli con un’autonomia confrontabile accessibili alla gran massa degli automobilisti. Una simulazione condotta da ROHM Semiconductor ha evidenziato che, nel caso di un motore da 100 kWh,  il passaggio da un inverter realizzato con IGBT a uno che utilizza MOSFET SiC permette di aumentare l’autonomia da 159 a 177 km. Ciò si tradurrebbe, per i veicoli elettrici più abbordabili dal punto di vista dei prezzi, in un aumento dell’autonomia del 10% rispetto a quella attuale entro il 2030.

Riduzione del peso

La diminuzione del peso dei componenti del sistema di trazione elettrico può anch’esso avere riflessi favorevoli sull’autonomia, ma all’orizzonte non si stanno profilando evoluzioni tali da far prevedere un impatto significativo a questo riguardo. Poichè è alquanto improbabile che si verifichino sostanziali miglioramenti per quanto concerne la densità di energia delle batterie nell’arco del prossimo decennio, la riduzione in termini di peso deve essere ottenuta a spese di altri componenti, come ad esempio il gruppo propulsore. Attualmente parecchi costruttori utilizzano i classici blocchi motore-trasmissione, del peso di circa 90 kg. Per fare un confronto una coppia di motori sul mozzo (wheel-hub-motor) da 80 kW Pd18 di Protean Electric pesa 72 kg. Ciò comporta una riduzione del peso del 20% e, rispetto alla maggior parte degli attuali veicoli elettrici di fascia entry-level, l’erogazione di una maggior potenza in uscita. Nell’arco di un decennio, ulteriori migliorie degli azionamenti elettrici di questi motori sul mozzo potrebbero contribuire a una maggiore diffusione di questa tecnologia.

Alcune considerazioni sull’idrogeno

Nel frattempo, i veicoli FCV alimentati a idrogeno raggiungeranno probabilmente volumi di vendita tali da consentire una riduzione dei prezzi. D’altra parte si tratta di veicoli con molte potenzialità, in considerazione del fatto che in termini di autonomia e di modalità di rifornimento sono molto simili ai tradizionali veicoli alimentati con combustibili fossili. Se verranno fatti gli opportuni investimenti nelle infrastrutture di rifornimento, veicoli di questo tipo si proporranno come un’alternativa sempre più interessante per gli automobilisti.

Veicoli per uso personale: come cambiano le aspettative

Anche la percezione legata al possesso dell’autoveicolo è verosimilmente destinata a mutare. Come è stato osservato in uno dei blog precedenti, la maggior parte degli automobilisti percorre giornalmente distanze che variano da 40 a 80 km. Una volta effettuati i necessari miglioramenti all’infrastruttura di carica, principalmente aumentando i punti di ricarica disponibili, è possibile che gli automobilisti rivedano le loro aspettative per quanto concerne autonomia e modalità di utilizzo.

Modelli di auto elettriche piccoli e compatti saranno particolarmente indicati per i brevi spostamenti di un’automobilista medio nei giorni normali. L’acquisto di questi veicoli può essere abbinato alla fruizione dei modelli esistenti di noleggio e car-sharing, che prevedono la possibilità di utilizzare veicoli FCEV o elettrici-ibridi per occasionali viaggi su distanze maggiori. Questi ultimi modelli di utilizzo potrebbero essere integrati nel pagamento del canone mensile per il noleggio delle batterie, una formula scelta da alcuni possessori di auto elettriche.

Veicoli commerciali

Probabilmente le evoluzioni più significative interesseranno il settore dei veicoli commerciali. Bus, camion e mezzi pesanti mettono a disposizione uno spazio molto maggiore per l’alloggiamento delle batterie rispetto ai veicoli, di dimensioni notevolmente inferiori. In ogni caso, visto il modello di utilizzo operativo di molti veicoli commerciali, la necessità di lunghe soste per la ricarica non risulta particolarmente conveniente per tutti coloro che si occupano della gestione di flotte di questo tipo. In alcuni casi, un’opzione potrebbe essere rappresentata dalla ricarica eseguita durante le ore notturne, a patto che questa operazione venga condotta a una velocità adeguata. Un’altra possibile opzione è la carica basata sulla catenaria, anche se il costo di una soluzione di questo tipo è abbastanza elevato.

Un’ulteriore opzione è rappresentata dalle celle a combustibile a idrogeno, vista la disponibilità dello spazio a bordo per poterle ospitare. I bus a idrogeno, d’altra parte, stanno già per fare la loro comparsa sulle strade: a Londra quest’anno è prevista l’entrata in funzione dei primi autobus a due piani a idrogeno.

Un periodo di progressi costanti

Anche se un decennio sembra un periodo in cui possono accadere molte cose, per quanto riguarda la mobilità i severi requisiti in termini di sicurezza, qualità e affidabilità tipici dell’industria automotive non potranno dare vita a innovazioni decisive, bensì a una serie di progressi su base continuativa. Mentre la tecnologia dei tradizionali motori a combustione è destinata ad assumere un ruolo secondario, saranno i miglioramenti nei settori dell’elettronica, dei sistemi elettrici della chimica a promuovere l’innovazione nell’industria automobilistica

 

 

Mark Patrick, Mouser Electronics



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