Evoluzione auto elettrica

I veicoli a trazione elettrica che si stanno avviando a essere i mezzi di traporto del nostro futuro si sviluppano su tre direttrici tecnologiche: l’elettronica di potenza, i propulsori e le batterie…  

La trazione elettrica si sta preparando a prendere il posto delle soluzioni offerte fin dalla fine dell’Ottocento dai motori a combustione interna che iniziarono a quel tempo a sostituire l’energia animale o del vento o dell’acqua. Da allora e fino a oggi i motori a combustione interna sono stati la sorgente di energia dominante per la propulsione di qualsiasi tipo di veicolo ma l’idea dell’auto elettrica non è nuova.

La prima auto elettrica

Già nel 1881 gli inglesi William Ayrton e John Perry realizzarono la prima auto elettrica adattando un triciclo allo scopo ottenendo un veicolo che poteva procedere a una velocita di 14 km orari con una autonomia di circa 40 km. Niente male per un veicolo di 140 anni fa.

Già allora l’elettrico sembrava la soluzione migliore, e lo stesso Thomas Alva Edison lavorò per migliorare la capacità delle batterie, ma diverse ragioni pratiche – il costo, una Ford T nel 1912 costava 650$ mentre la soluzione elettrica veniva venduta a 1.750 dollari (quasi tre volte tanto) e il fatto che l’energia elettrica non fosse ancora disponibile ovunque furono le due ragioni principali per il fallimento della soluzione.

Secondo chi si è occupato della evoluzione dell’auto, nel periodo 1930-1935 si chiuse la breve storia delle auto elettriche e il motore a combustione interna divenne l’incontrastato dominatore delle scene.

Unico settore a continuare su quel percorso furono le ferrovie che potevano trarre vantaggio dalla possibilità di realizzare una rete di distribuzione dell’energia elettrica completamente dedicata.

Verso l’elettrico a passi intermedi

Si è arrivati alla elettrificazione dei veicoli attraverso passaggi pilotati soprattutto inizialmente dalla esigenza di incrementare l’efficienza nell’uso dei carburanti. l primo passo in questa direzione è stata l’implementazione di un meccanismo start/stop del motore (a combustione).

Il motore viene fermato quando il veicolo è fermo e viene fatto ripartire automaticamente al rilascio del pedale del freno.

Il passo immediatamente successivo è stato il “mild hybrid” o “ibrido leggero” dove il classico motorino di avviamento diventa un po’ più potente e può inoltre funzionare come generatore.

Questi sistemi (Figura 2) si caratterizzano soprattutto per la rete elettrica a 48 Volt, che ottimizza la funzione stop/start, per un motore/ generatore che recupera energia in frenata, offre una spinta o “boost” al motore termico e in alcuni casi provvede a spegnerlo in fase di veleggiamento a velocità costante. 


Negli ultimi anni si è evidenziato un proliferare di modelli in questo segmento

Insomma, una tecnologia come quella mild hybrid che sembrava in via di estinzione sta tornando con forza sul mercato per due motivi: permette di ridurre consumi ed emissioni senza grandi costi aggiuntivi per le case e non incide troppo sul prezzo di acquisto per il cliente finale avendo una batteria di capacità più ridotta rispetto a quella necessaria per le versioni di livello seguente (Tabella 1).

Le auto Full Hybrid, totalmente ibride, il passo successivo nella classificazione, sono le uniche in grado di viaggiare in modalità solo elettrica.

Di norma all’avvio o a basse velocità la vettura è alimentata silenziosamente dal solo motore elettrico, il che significa senza alcuna emissione di CO2 e senza alcun consumo di carburante. Il motore a combustione subentra in modo fluido a velocità più elevate e, se necessario, il motore elettrico fornisce potenza supplementare (per es. in fase di accelerazione).

Il sistema Full Hybrid riesce a selezionare in modo intelligente la sorgente di alimentazione più idonea e a catturare più energia dalla frenata, in modo da ricaricare la batteria. Anche il motore a combustione può contribuire alla ricarica delle batterie.

Infine viene la versione totalmente elettrica dove l’energia per la propulsione viene fornita unicamente da una batteria di potenza e capacità adeguate. 

La tecnologia per la potenza

Siano esse ibride che totalmente elettriche le auto necessitano di almeno tre tipologie di unità per la conversione di energia:

  • Convertitori DC-DC, tipicamente da 48 a 12 volt, per alimentare l’elettronica a bassa tensione. Può essere bidirezionale per consentire il trasferimento di energia dal 12 al 48V.
  • Inverter DC-AC per pilotare il motore elettrico, tipicamente trifase, che fornisce la potenza alle ruote.
  • Convertitori AC-DC per la ricarica delle batterie del veicolo sia durante il recupero di energia in frenata sia da postazioni standard residenziali o da stazioni di ricarica ad alta potenza (per la ricarica veloce).

Sia nel secondo che nel terzo caso le potenze in gioco sono di entità elevata. Per esempio, gli inverter che pilotano i motori della Tesla Model S devono poter gestire una potenza di picco di 375 kW e la ricarica turbo può richiedere potenze di 200 kW (turbocharger V2 di Tesla) per arrivare anche a 350 kW per la ricarica ultra-veloce.

Sebbene HEV/EV abbiano anche distribuzione in DC a 12 e a 48 volt a diverse unità funzionali, la tensione di base per gestire la trazione deriva da un pacco-batterie agli ioni di litio che fornisce almeno 400 V, e fino a 800 V.

Di conseguenza si parla di dispositivi che oltre a gestire potenze non indifferenti lo devono fare con tensioni operative particolarmente elevate.

Per ottenere dalla capacità delle batterie il massimo della autonomia è necessario che tutta la catena di conversione raggiunga il massimo della efficienza possibile.

La tecnologia per realizzare i dispositivi di potenza – diodi e MOSFET – con l’efficienza richiesta è già stata individuata e si chiama silicon carbide, per i chimici SiC, già da tempo impiegata nella realizzazione di diodi Schottky e attualmente in volumi di produzione di commutazione che sono il cuore di convertitori e inverter.

I motori elettrici per l’auto elettrica

Le auto attualmente in produzione sono ormai piene di motori elettrici, pensiamo ai tergicristalli o agli alzacristalli, tipicamente tutti piccoli motori in corrente continua che operano con una tensione di 12 volt. Ma in questa parte dell’articolo si vuole porre l’attenzione alla tecnologia dei motori che nell’auto elettrica prendono il posto del motore a combustione interna sostituendolo nel compito di sviluppare la trazione del veicolo.

Come deve essere questo motore? In grado di sviluppare una coppia significativa partendo da velocità nulla, essere in grado di potenze di picco particolarmente significative per avere prestazioni comparabili alle auto tradizionali, con un sistema di pilotaggio il più semplice possibile, essere leggero e compatto, costare relativamente poco, avere una efficienza ai massimi livelli e fungere, viceversa, da generatore durante il rallentamento del veicolo.

La soluzione già ampiamente disponibile sul mercato per rispondere alla maggioranza di queste richieste è stata, nell’immediato, il motore più utilizzato nel mondo industriale: il motore trifase a induzione a flusso radiale.

Non era certamente il più facile da pilotare avendo la necessità di un inverter, un circuito che partendo dalla DC fosse in grado di generare la tre fasi per pilotare il motore fornendogli l’energia, da poche decine di chilowatt fino ad alcune centinaia come picco.

Questi motori però hanno problemi dimensionali, sono sviluppati in lunghezza, nella direzione assiale, mentre una delle soluzioni motoristiche che sembra assumere un certo interesse tra chi produce auto punta a una dimensione tale che consenta di collocarli all’interno delle ruote stesse.

Se la soluzione comprendesse anche l’elettronica di pilotaggio sarebbe ancora più gradita. “I futuri motori elettrici potrebbero essere alloggiati nelle ruote dei veicoli” Il primo ostacolo è stato superato con l’introduzione dei motori a induzione a flusso assiale (Figura 4) e non più radiale, che possono assumere una dimensione assiale al di sotto della decina di centimetri.

La società inglese Yasa è stata probabilmente una delle prime a pensare a questa tecnologia per la realizzazione di motori per veicoli elettrici.

Nel frattempo, altri si sono allineati come la statunitense Protean Electronic che propone una soluzione “e-wheel drive” comprensiva di elettronica.

 Il dibattito tra la soluzione “motore on board” o “on wheel” è ancora aperto con sostenitori su entrambi i fronti. “Motore on board“ è una definizione semplicistica al massimo grado e prevede una miriade di possibili soluzioni. Una di queste, definita nella letteratura inglese “e-axle”, prevede una unità che integra motore, tutta la meccanica di trasmissione alle ruote e l’elettronica di pilotaggio del motore in un blocco unico. Soluzione che porterebbe a una semplificazione delle procedure di montaggio.

Un esempio viene dalla statunitense Dana che ha sviluppato una serie di e-axle per mezzi pesanti come camion e bus e previsti come sostituzione diretta del sistema completo motore a combustione e alberi di trasmissione esistenti.

Il sistema fornisce fino a 237 kW con un risparmio di peso rispetto alla soluzione con motore elettrico separato. La tedesca ZF con il suo sistema mSTARS, per auto passeggeri, offre un asse attrezzato, completo di sistema di sterzo, che alloggia l’unità totalmente integrata da 150 kW, il cambio a due velocità l’elettronica di potenza e di controllo.

Le motivazioni per l’adozione di una soluzione “e-axle” sono semplici: l’integrazione dell’hardware dell’unità di pilotaggio, del relativo motore e di tutte le funzioni ausiliarie in una sola unità può ridurre le dimensioni del sistema riducendone anche il peso e il costo.

Ci possono anche essere vantaggi dalla possibilità di ridurre le perdite elettriche riducendo il cablaggio di cavi e connettori per alte tensioni.

Le batterie

È ormai invalso l’uso di chiamare batterie quelle che una volta sarebbero state chiamate accumulatori ovvero unità in grado di accumulare energia per poi restituirla in cicli successivi di carica e scarica.

Parametri principali nella scelta per applicazioni nel mondo della trazione elettrica sono la densità di energia – Wattora/chilo (Wh/ Kg) – il costo per unità di energia immagazzinabile – $/kWh – e il fatto che siano in grado di operare per un certo numero di cicli di carica e scarica (cicli di vita) prima di degradarsi sia come efficienza che come capacità di carica.

È immediato capire perché gli ioni di litio sono la chimica preferita per le batterie per HEV e EV, anche se soffrono dell’inconveniente di avere un’area operativa sicura (safe operating area – SOA) relativamente ridotta. Per esempio, eccedere nella carica, operare con temperature elevate o altre condizioni anomale, possono avere conseguenze spiacevoli, quali la riduzione del tempo di vita o, addirittura, causare la situazione catastrofica di incendio.

Per questo i pacchi batteria necessitano di un sistema di gestione (battery management system – BMS) che tenga sotto controllo la tensione delle celle, per bilanciare la distribuzione della ricarica tra le stesse, le correnti di carica e scarica e la temperatura. La limitata safe operating area delle attuali batterie al litio sembra dovuta soprattutto all’elettrolita che le compone.   

Franco Musiari
Nel corso degli anni ho scritto vari articoli sulla tecnologia dei semiconduttori, dell’RFId e della componentistica in genere, tenuto numerose presentazioni a fiere e convegni e ho collaborato alla realizzazione di alcune pubblicazioni sull’RFId uscite in Italia. Gestendo i dati di Assodel (Distretti Elettronica - Italia) ho acquisito una profonda conoscenza del mercato. Come direttore tecnico, organizzo e piloto i contenuti tecnici degli eventi – Forum – organizzati da Tecno. Settori che più apprezzo: potenza e tecnologia LED