Applicazioni dei supercap nell’e-mobility

I supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia molto promettenti con l’obiettivo di colmare il divario tra i condensatori tradizionali e le batterie. Raggiungono una densità di energia molto alta e la possono rilasciare in pochi istanti.

La creazione di potenza, usando differenti metodi di propulsione, è una sfida dedicata al miglioramento dell’efficienza della prossima generazione di automobili e veicoli commerciali, e in tutto questo i supercondensatori saranno utilizzati sempre più massivamente con vantaggi non solo per l’industria ma per i consumatori, anche in termini di costi, performance ed emissioni.

Veicoli sempre più performanti

I dispositivi di accumulo di energia, come supercondensatori, sono ancora in fase di sviluppo e nel prossimo futuro le densità di potenza e di energia verranno sicuramente migliorate. La tecnologia si interessa sempre più ai supercondensatori e alle loro utili applicazioni nei veicoli a trazione elettrica, in sostituzione o in combinazione alle batterie.

Di qualunque tipologia di mezzo di trasporto si tratti, la tecnologia sta facendo ogni giorno passi da gigante. Sono sempre più numerosi i criteri che le aziende e i produttori devono sempre tenere sotto la propria attenzione:

  • i requisiti normativi, specialmente quelle che riguardano le emissioni e la sicurezza;
  • le prestazioni dei veicoli;
  • la gestione dell’alimentazione elettrica ad alta tensione;
  • i sistemi di protezione;
  • le tipologie di alimentazione elettrica;
  • i costi di acquisto e di mantenimento;
  • la soddisfazione del conducente.

Si tratta di sfide che gli ingegneri e gli esperti tentano di risolvere continuamente, con la consapevolezza che i veicoli elettrici saranno la normalità nel prossimo futuro. L’argomento ”e-Mobility” è oggi un punto focale in qualsiasi argomentazione tecnica e scientifica.

Il mercato deve ancora superare alcune barriere e parte dei consumatori non si sente ancora pronta ad affrontare il grande passo verso la mobilità elettrica. La maggior parte di essi, infatti, diffida ancora dalla nuova tecnologia, soprattutto per i problemi legati alla ricarica e alla relativa tempistica. La paura di poter effettuare una ricarica in molte ore oppure di disporre di una limitata autonomia stradale blocca la vera espansione di massa del settore automobilistico elettrico che, in ogni caso, vedrà una grande concretizzazione nei prossimi anni, come evidenziato dal grafico di figura 1.

Più che altro, i motivi che inducono l’utente a soffermarsi ancora sulla tecnologia del motore a scoppio sono i seguenti:

  • tempi di ricarica troppo lunghi;
  • tecnologia ancora troppo costosa;
  • mancanza di piena disponibilità delle stazioni di ricarica;
  • limitata autonomia di viaggio;
  • problemi di prestazioni.

Queste sono problematiche comuni a tutte le nuove tecnologie ma che, sicuramente, scompariranno negli anni a venire.

Figura 1: il grafico della tendenza di mercato mondiale dei veicoli elettrici prevede le più rosee aspettative

Ricariche veloci

Il sogno di tutti è quello di riempire di energia la propria autovettura elettrica in un tempo pari, se non minore, a quello impiegato da un veicolo a benzina. Tale sogno sarà, un giorno, una realtà anche se, per adesso, è una delle sfide che la tecnologia del settore e-mobility attuale non è riuscita ancora a vincere.

Il tempo di ricarica per i veicoli elettrici è un importante parametro da tenere in considerazione durante la progettazione dei veicoli elettrici. Sebbene l’accumulo di energia elettrochimica convenzionale (batterie) preveda una densità di energia molto importante, risulta insufficiente a causa della scarsa densità di potenza. Certamente l’autonomia dei mezzi è aumentata in modo esponenziale e il prossimo futuro appare molto roseo sotto questo punto di vista e si spera che un giorno una completa ricarica possa durare meno di un minuto. Dal momento che i supercondensatori possono essere caricati e scaricati quasi istantaneamente, senza alcun deterioramento nel tempo, il loro utilizzo in queste applicazioni permetterebbe di ottenere tempi di ricarica di questo ordine. Ovviamente i supercondensatori possono immagazzinare molta meno energia, ma proprio per tale motivo il loro costo sul mercato sarà sempre più basso.

Un supercondensatore si comporta più o meno come una batteria, si carica immagazzinando elettricità, e la restituisce per alimentare un carico ad esso collegato. Per l’enorme potenza che può rilasciare in pochi istanti, per quelle applicazioni in cui tutta l’energia deve essere erogata in brevi periodi, il supercondensatore può essere utilizzato come una batteria.

Un esempio di applicazione potrebbe essere un sistema di frenata rigenerativa di un’auto, dove la potenza accumulata in frenata viene quasi immediatamente restituita al motore nella successiva fase di accelerazione.

I supecondensatori si stanno sempre più evolvendo, qualche decina di anni fa si pensava che un condensatore con capacità di 1 Farad non sarebbe potuto esistere le dimensioni che avrebbe dovuto avere. Oggi esistono supercondensatori di 3400 Farad che riescono a immagazzinare anche un terzo dell’energia presente in una batteria alcalina di tipo AA. In figura 2 possiamo apprezzare le curve caratteristiche di carica e di scarica del condensatore XT3585-3R0567-R commercializzato da Omega Fusibili. Le sue caratteristiche sono di tutto rispetto:

  • modello: XT3585-3R0567-R;
  • tensione di lavoro: 3 V;
  • sovratensione: 3.3 V;
  • capacità: 555 Farad;
  • ESR massima: 2.6 mOhm (0.0026 Ohm);
  • corrente massima: 33 A;
  • corrente di picco: 341 A;
  • corrente di perdita nominale: 1.3 mA;
  • potenza di picco: 870 W;
  • energia immagazzinata: 694 mWh;
  • corrente di corto circuito: 1150 A;
  • temperatura di esercizio: da -40° C a +65° C.

Lo schema e il grafico in alto mostra il processo di carica del supercondensatore, che avviene in un tempo di circa 4 minuti, mantenendo le condizioni di lavoro all’interno delle specifiche massime del prodotto. La massima corrente in transito per la carica è di circa 33 A, nei primi 3-4 secondi, poi si abbassa progressivamente fino ad azzerarsi. La resistenza R2 limita la corrente. In questi 4 minuti l’energia in gioco è di circa 2500 Joule.

Ben diversa è la situazione durante la scarica, mostrata dallo schema e dal grafico in basso. Con un carico dall’impedenza ohmica di soli 0.014 Ohm, il supercondensatore viene scaricato in un tempo di circa 40 secondi, per la stessa energia precedente.

Figura 2: i grafici di test di carica e di scarica del supercondensatore XT3585-3R0567-R

Applicazioni dei supercondensatori nell’e-mobility

Le applicazioni dei supercondensatori sui veicoli sono state valutate a partire dalla fine degli anni ’80 ma, per essendo una tecnologia non molto sviluppata per l’epoca, si sono concretizzate piuttosto lentamente. I supercapacitor vengono per lo più impiegati nella realizzazione di autobus elettrici, sistemi di frenata elettrica nelle autovetture e nei veicoli ibridi “stop and go”.

Esaminiamo, a grandi linee, le applicazioni più importanti.

Batterie al litio e supercapacitors come fonte di energia ad alta potenza

Nelle applicazioni per veicoli elettrici, il gruppo propulsore può usufruire delle batterie al litio o dei supercondensatori per l’accumulo di energia ad alta potenza. Agli inizi dell’era delle auto elettriche i progettisti sceglievano le batterie al litio grazie alla loro maggiore densità energetica e ai costi inferiori e, per ottenere la potenza richiesta, il motore doveva essere sovradimensionato. Per esempio i moduli di supercondensatori XLR di Eaton (vedi in figura 3) forniscono energia per sistemi di carica e scarica frequenti e ad alta potenza in veicoli ibridi o elettrici, trasporti pubblici, movimentazione dei materiali, attrezzature pesanti e sistemi marini.

I moduli XLR possono ridurre le dimensioni e il peso della batteria o sostituire le batterie del tutto a seconda del profilo del carico. Ciò si traduce in risparmio di carburante, riduzione del rumore e un sistema elettrico più stabile. I moduli del supercondensatore XLR sono dispositivi di accumulo di energia autonomi composti da singole celle XL60. I moduli sono facilmente installabili e includono circuiti integrati per la gestione della tensione delle celle, un allarme di sovratensione e un’uscita di temperatura. Essi sono conformi alla direttiva RoHS. L’XLR-48 è un modulo da 48 V e 166 F composto da 18 singole celle da 2,70 V, mentre l’XLR-51 è un modulo da 51 V e 188 F composto da 18 singole celle da 2,85 V e fornisce una maggiore densità di potenza.

Figura 3: il modulo XLR composto da diverse celle di condensatori

Omega ha annunciato lo sviluppo di moduli supercondensatori che, se accoppiati a batterie, possono prolungare la durata di queste ultime in veicoli commerciali e autobus elettrificati. Il dispositivo di accumulo di energia a capacità ultra-elevata può essere utilizzato su una varietà di applicazioni per veicoli commerciali xEV, che vanno dai piccoli veicoli per la consegna ai camion di classe 8, per ottimizzare i costi, la durata e il tempo di funzionamento. I vantaggi dei supercondensatori prevedono una maggiore densità di potenza rispetto alle batterie e una maggiore durata negli anni, con tempi di risposta molto più rapidi. Ciò aiuta senz’altro i produttori a ridurre i costi e i tempi di progettazione. Un modulo a supercondensatore ha una densità di potenza maggiore rispetto alle batterie, oltre a tempi di risposta più rapidi, per una carica e scarica altamente efficienti. Ciò riduce gli elevati carichi transitori sulla batteria, migliorando la durata.

Veicoli ibridi

In questa applicazione, quando il motore viene spento il veicolo si ferma. I carichi accessori (luci, fari, radio, aria condizionata, ecc) devono essere alimentati dall’energia elettrica accumulata nei supercondensatori. Tale energia viene erogata durante la frenata rigenerativa da un alternatore (solitamente dalla potenza inferiore a 5 kW) alimentato dal motore.

Nei veicoli ibridi i supercondensatori possono essere utilizzati in combinazione con le batterie, se le capacità di queste ultime non sono sufficienti a soddisfare i requisiti di alimentazione del veicolo. Le batterie agli ioni di litio sono utilizzate come alimentatori a lungo termine, d’altra parte, i supercondensatori forniscono una potenza elevata a breve termine al motore con frenata di rigenerazione.

Nei sistemi più avanzati l’alternatore può assistere il motore durante le accelerazioni del veicolo e avviarlo a ogni fermata. La funzione della batteria, in questo caso, è quella di fornire energia quando il tempo di arresto è più lungo di quello che può essere mantenuto dal supercondensatore (per esempio più di 60 secondi). Alcuni studi indicano che dei supercondensatori che immagazzinano una potenza di circa 30 Wh sarebbe sufficiente per l’applicazione stop-go senza assistenza al motore durante le accelerazioni.

Il ciclo di vita dei supercondensatori è realmente lungo, in pratica non vanno mai sostituiti, mentre quello delle batterie al piombo o a litio risulta essere incerto e dipende fortemente dalle condizioni climatiche di utilizzo. Alcune simulazioni dimostrano che utilizzando unità di supercondensatori di piccole dimensioni per la guida urbana vi sono importanti risparmi in termini di carburante. Anche gli autobus possono utilizzare gli stessi sistemi di alimentazione elettrica e, come unità ibride, mostrano miglioramenti del risparmio di carburante nell’ordine del 50% per la maggior parte dei periodi di guida in città, specialmente conducendo la guida a velocità molto basse con frequenti fermate. Il consumo energetico degli autobus ibridi risulta, ovviamente, più alto con l’aria condizionata in funzione. Il sistema di alimentazione composto da batterie e da supercondensatori offre grandi vantaggi, fornendo elevate quantità di energia ai carichi collegati. Solitamente vi è la presenza di due convertitori CC-CC bidirezionali, uno collegato a un pacco batteria tradizionale e uno connesso a una pila di supercondensatori. Il controllo dell’energia gestisce una sorta di condivisione della potenza, in modo che i picchi di alta potenza siano coordinati principalmente dai supercondensatori mentre la batteria fornisce la potenza media e ricarica i supercondensatori quando necessario.

Il rollio delle automobili

Il rollio è l’oscillazione di un veicolo intorno al suo asse longitudinale. Si verifica quando, in una curva, un lato della vettura tende ad abbassarsi verso il suolo, mentre quello opposto tende a sollevarsi. Quando il veicolo percorre una curva, le masse si spostano nel verso opposto rispetto al centro della curva, per la forza centrifuga.

Il rollio è influenzato da diversi fattori, come l’accelerazione, la massa della vettura, l’angolo della curvatura, la distanza tra le due ruote dello stesso asse e l’altezza del baricentro. Le auto elettriche sono caratterizzate da un baricentro basso, e durante le curve faticano un po’ a bilanciare il gravoso peso delle batterie. Il guidatore sente tale peso durante la manovra, specialmente se la velocità è sostenuta. Una soluzione consiste nel prevedere e implementare un controllo attivo anti-rollio con la rigenerazione di grande energia per brevi istanti. Per tale applicazione le batterie al litio non risultano adatte, in quanto è richiesta una potenza di picco molto elevata. Pertanto, specialmente oggi, la soluzione dei supercondensatori, caratterizzati da un’elevata densità di potenza, è in crescente aumento (vedi figura 4). Con la potenza istantanea degli ultracapacitori è possibile anche controllare la rigidità dei roll bar, consentendo all’auto di curvare senza problemi, nonostante il peso elevato della carrozzeria.

Figura 4: il problema del rollio dei veicoli può essere brillantemente risolto con la potenza fornita dai supercondensatori

Sistema frenante rigenerativo

Si tratta di un sistema utilizzato nelle auto ibride ed elettriche, con il quale l’energia spesa nella frenata del veicolo viene sfruttata in modo molto vantaggioso. Invece di rilasciarla sotto forma di calore disperso nell’ambiente, costituendo uno spreco inutile e, a volte dannoso, viene trasformata in energia elettrica e immessa nelle batterie o nei supercondensatori. Pertanto, il sistema lavora in due situazioni opposte: durante la normale guida il motore elettrico utilizza l’energia dalla batteria per permettere la locomozione del mezzo, mentre in frenata, il funzionamento si inverte, e il motore elettrico si trasforma in una sorta di generatore che provvede a caricare gli accumulatori. In ogni istante l’energia (meccanica ed elettrica) viene utilizzata proficuamente e senza sprechi apparenti. La conversione e il recupero di energia producono anche una frenata delle ruote. In poche parole, quando si guida un veicolo elettrico, l’energia fluisce dalle batterie alle ruote tramite il motore elettrico. Quando, invece, si frena, l’intero processo funziona al contrario e l’energia fluisce dalle ruote alle batterie tramite il motore che funziona, in questo caso, come un generatore elettrico.

Il futuro

Oltre alle barriere dei consumatori, uno dei motivi per cui la mobilità elettrica non ingrana ancora pienamente la marcia è dato dalla massiccia presenza di normative che rallentano lo sviluppo naturale della tecnologia. Le inevitabili diversità nei vari mercati mondiali aumentano ulteriormente tale gap che, pur rispettando le direttive mondiali di massima, risulta ancora troppo importante nel mercato locale e le installazioni risultano più difficili da coordinare. I fisiologici tempi di attesa politici e tecnici sono, a ogni modo, rivolti alla sicurezza e all’esigenza di rendere tale settore il più sicuro possibile. A ogni modo è certo che nei prossimi anni i supercondensatori saranno un punto di riferimento per quanto riguarda le tecniche energetiche della mobilità elettrica. Gli ultracondensatori non invecchiano mai, anche se il flusso di energia è enorme, poiché la immagazzinano in un campo elettrostatico e non attraverso una reazione elettrochimica, come le batterie.

Siamo solo all’inizio di un nuovo capitolo della tecnologia di accumulo elettrico a basso costo, che potrebbe modellare il futuro dell’industria e della società dei prossimi decenni. Il futuro della mobilità elettrica potrebbe essere strettamente legato ai supercondensatori, che consentiranno ricariche più rapide e potranno ulteriormente fornire energia alla batteria principale mentre il viaggio procede.

Redazione Fare Elettronica