Le tecnologie chiave per i veicoli elettrici – Le molteplici sfide dell’elettromobilità

Pubblicato il 22 luglio 2020

Riandando indietro agli anni ’60, la corsa allo spazio era in pieno svolgimento mentre enormi macchine americane alimentate a gas, molto più simili a divani su ruote che ad autoveicoli, erano le regine della strada. Non può dunque sorprendere il fatto che a quei tempi le previsioni relative a questo nostro secolo contemplassero auto volanti e autostrade percorse in lungo e in largo da moltitudini di veicoli autonomi.

Ora abbiamo la certezza che si trattava di previsioni errate. Per gli automobilisti che nel 2020 viaggiano continuamente i limiti di velocità sono più simili a un’aspirazione che a una realtà concreta, i veicoli completamente autonomi sono ancora allo stadio prototipale mentre per la disponibilità su larga scala di macchine volanti bisognerà aspettare perlomeno un decennio.

Nel frattempo, è iniziata a emergere una sempre maggiore consapevolezza circa i danni derivati dal massiccio utilizzo dei combustibili fossili. Il trasporto su ruota rappresenta circa un quarto delle emissioni globali di gas serra in Europa. Si tratta dell’unico settore per il quale è stato registrato un aumento delle emissioni nel periodo compreso tra il 1990 e il 2007 e solo da allora è iniziata una fase di graduale declino. Numerosi studi hanno evidenziato che il particolato emesso dai veicoli a motore ha un impatto diretto sulla salute ed è responsabile di diverse patologie di tipo respiratorio.

Alla fine degli anni ’90 l’introduzione della Toyota Prius ha rappresentato un’alternativa ai veicoli alimentati esclusivamente con un motore a combustione interna (ICE – Internal Combustion Engine). Questo modello è ora considerato una delle macchine più “pulite” ed efficienti in termini di consumi disponibile. Da allora, Tesla ha iniziato ad affacciarsi alla ribalta, promuovendo i veicoli elettrici a batteria (BEV – Battery Electric Vehicle, ovvero completamente elettrici) di tipo plug-in. Prima azienda del settore automotive a tagliare il traguardo del milione di veicoli BEV venduti, Tesla ha messo in atto una strategia finalizzata a migliorare la tecnologia sui costosi veicoli di lusso di fascia alta, in modo da poter penetrare nel mercato delle auto elettriche accessibili a una platea più vasta di consumatori.

Le tecnologie abilitanti

Obiettivo di questa serie di blog è discutere le principali tematiche che sono alla base della rivoluzione introdotta dalle auto completamente elettriche, partendo dalle tecnologia delle batterie che l’hanno resa possibile, quella degli ioni di litio (Li-ion). Individuare una tecnologia di immagazzinamento in grado di competere con la densità di energia di benzina e diesel è stato senz’altro uno dei maggiori ostacoli sulla strada dello sviluppo di auto elettriche. Anche se le batterie a ioni di litio non hanno ancora raggiunto l’apice del loro potenziale teorico, grazie all’abbinamento con sistemi avanzati per la gestione della batteria (BMS – Battery Management System) e a un’elevata efficienza nella conversione della potenza, possono essere utilizzate per realizzare veicoli caratterizzati da un’autonomia di circa 600 km. Veicoli di questo tipo, è comunque bene sottolinearlo, rientrano nella categoria delle auto di lusso. Tutti coloro che avessero un budget di spesa più limitato, dovranno per il momento accontentarsi di veicoli con un’autonomia compresa tra i 100 e i 200 chilometri.

Un altro aspetto da tenere nella massima considerazione è naturalmente il powertrain, ovvero il gruppo propulsore, che è la terza tematica affrontata in questa serie. I motori elettrici senza spazzole sono notevolmente più efficienti rispetto ai motori con spazzole in continua del passato. Tuttavia, il progetto di un’elettronica di pilotaggio caratterizzata da un elevato grado di efficienza è l’elemento chiave per sfruttare al meglio la carica della batteria. Al giorno d’oggi, a causa dei valori di potenze e di tensione coinvolti, la scelta è ricaduta essenzialmente sulla tecnologia IGBT. La tecnologia che prevede l’uso di materiali semiconduttori WBG (Wide Band Gap), come ad esempio il carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide), ha ora raggiunto livelli di maturità tali da soddisfare i rigorosi standard in vigore nell’industria automotive. Sicuramente ciò conferirà una maggiore efficienza alla conversione di potenza, oltre a contribuire alla riduzione di dimensioni e pesi, che si traducono in ulteriori vantaggi per i veicoli elettrici.

Gli ostacoli allo sviluppo e all’adozione

In virtù del fatto che l’autonomia è limitata rispetto ai tradizionali veicoli con motore a combustione interna, è necessario anche rivedere il concetto relativo al rifornimento dei veicoli, aspetto questo che verrà trattato nel quarto blog di questa serie: la ricarica. Il rifornimento dei veicoli elettrici non richiede pochi minuti come accade per i veicoli tradizionali. La ricarica, invece, richiede una certa pianificazione e un processo di integrazione nella modalità di utilizzo del veicolo stesso. Per esempio è necessario tenere in considerazione il luogo dove il veicolo viene parcheggiato per lunghi periodi, come ad esempio il parcheggio dell’ufficio, durante gli acquisti, oppure dove viene lasciato in sosta per prendere i mezzi pubblici. La ricarica veloce in continua è il processo che permette di erogare potenze fino a 350 kW. Anche se questa tecnologia permette effettuare la ricarica in tempi che si avvicinano a quelli richiesti per il rifornimento di un’auto tradizionale, è necessario verificare che la tecnologia della batteria del veicolo elettrico sia in grado di supportarla. Sussistono anche problematiche di non lieve entità relative alla dissipazione del calore, anche in presenza di livelli di efficienza pari o superiori al 97%.

Naturalmente le auto elettriche non rappresentano l’unica alternativa alle vetture tradizionali. I veicoli FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) si stanno lentamente affacciando alla ribalta, anche se  con un numero per il momento limitato di modelli. Utilizzando l’idrogeno come  combustibile, questi veicoli si possono rifornire come una vettura tradizionale e garantiscono un’autonomia del tutto assimilabile. Anche in questo caso l’ostacolo è rappresentato dal prezzo per i modelli entry-level – e sicuramente i bassi volumi di produzione non aiutano – oltre al ridotto numero di stazioni di rifornimento di idrogeno.

Il futuro dei veicoli elettrici

L’ultimo blog della serie fornirà una panoramica del settore automobilistico da qui al 2030, cercando di presentare un quadro realistico su ciò che potrà essere commercializzato in questo lasso di tempo sulla base delle ricerche tecnologiche attualmente in corso. Gli aumenti in termini di autonomia ottenuti solamente attraverso miglioramenti tecnici saranno limitati, così come sembrano improbabili progressi significativi nella tecnologia delle batterie. L’idrogeno sembra offrire notevoli potenzialità, grazie alle sue affinità con i motori a combustione interna. Molto probabilmente anche le prospettive relative alle modalità di possesso delle autovetture e i modelli di business saranno destinati a cambiare, con l’obiettivo di ridurre drasticamente le emissioni di anidride carbonica prodotte dal settore dei trasporti.

 

Continuate a seguirci per scoprire le tecnologie alla base della rivoluzione introdotta dalle auto elettriche nel nostro prossimo blog: i pacchi batteria

Mark Patrick, Mouser Electronics



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