Quanta energia per avviare un’auto con un Supercondensatore?

Un’automobile può essere avviata con metodi alternativi alle tradizionali batterie. Queste ultime riescono a dare una quantità molto alta di energia in pochi istanti, sufficiente per far girare il motore di avviamento. In teoria si possono utilizzare anche le pile alcaline AA a patto di usarne un numero molto elevato per raggiungere le correnti e tensioni richieste. Nell’articolo, invece, andiamo a esaminare come sia possibile avviare un’automobile utilizzando alcuni supercondensatori.

Il sistema di avviamento di un’automobile

Quando si inserisce e si gira la chiave nel blocchetto di accensione viene inviato un impulso di alta corrente, più o meno lungo, dalla batteria al motorino di avviamento, allo scopo di avviare il motore dell’automobile. Il motorino di avviamento è un vero e proprio motore alimentato elettricamente dalla batteria e funziona, generalmente, in corrente continua. Esso dà il suo contributo solo per alcuni secondi. Il sistema, seppure semplice, contiene tanta originalità. Il motorino è agganciato al volano, attraverso una cremagliera che ne attua una demoltiplica. Per entrare in funzione l’albero motore deve raggiungere la velocità di circa 400 giri/min. Il sistema di accensione delle automobili ha l’importante funzione di avviare la combustione del carburante. Attivando la chiave, la tensione di 12 V viene, allo stesso tempo, inviata alla bobina di accensione che la converte in alta tensione. Quest’ultima è in grado di far produrre le scintille alle candele che, assieme all’aria, accenderanno il combustibile. Il motorino di avviamento serve proprio ad mettere in moto i pistoni. A ogni modo, il sistema della batteria non avvia solo il motore di avviamento ma alimenta, altresì, le diverse parti elettriche dell’automobile come, ad esempio, l’autoradio, il sistema delle luci, il clacson, i tergicristalli e gli alzacristalli elettrici. Se il motore a scoppio, tuttavia, è in funzione è l’alternatore ad alimentare questi sistemi elettrici ricaricando, nel contempo, anche la batteria. Oggi il motore a scoppio è avviato elettricamente ma in passato (specialmente per i primi modelli d’auto) tale fase era eseguita manualmente, mediante delle manovelle che dovevano essere utilizzate con molta fatica. Quando raggiunge un numero di giri elevato, esso trasmette il moto all’albero a gomiti che inizia, così, il ciclo di combustione nei cilindri. A questo punto il motorino di avviamento ha concluso il suo lavoro e il sistema provvede a scollegarlo dal circuito.

La corrente di spunto

Si tratta della massima corrente che una batteria riesce a fornire per pochi secondi. E’ un dato che, solitamente, è riportato sulla targa della batteria. Tale corrente serve, appunto, per alimentare il motorino di avviamento, componente che assorbe tanta corrente, specialmente quando esso inizia la sua rotazione. Solitamente sulle batterie per automobili sono riportate le seguenti informazioni (vedi esempio in figura 1):

  • la tensione nominale: essa è espressa in Volt ed è la D.D.P. che si può misurare ai capi della batteria. La maggior parte delle batterie lavora a una tensione di 12 V, ma vi sono anche batterie di 6 V, 24 V e 48 V. La tensione che si legge usando un voltmetro non è mai di 12 V esatti, ma essa varia a seconda delle condizioni della batteria stessa e se l’auto è in moto o è spenta;
  • la capacità: essa è espressa in Ampere / ora ed è la quantità di corrente che l’accumulatore può erogare in modo continuato per un’ora prima che la sua tensione scenda sotto i 12 V. Tale soglia indica che la batteria è scarica;
  • la corrente di spunto: essa è espressa in Ampere e indica la massima corrente erogabile per un tempo estremamente basso (solitamente 30 secondi), prima che la tensione raggiunga circa 7 V. Si tratta, ovviamente, di erogazioni di energia molto importanti, che devono perdurare solo per brevi istanti come, appunto, quelle che avvengono per l’avviamento del motore.
Figura 1: ogni batteria deve riportare le informazioni più importanti per identificarla elettricamente

Come si vede in figura, la batteria dell’esempio riporta le informazioni più importanti:

  • 12 V: indica la tensione nominale presente ai suoi capi e occorre riferirsi a essa per le operazioni di carica e di scarica;
  • 32 Ah (C20): indica che la batteria ha un valore di 32 Ampere / ora. In altre parole essa può erogare per un’ora una corrente di 32 A (equivalenti a un carico di 0.375 Ohm, per una potenza totale di 384 W. Il suffisso C20 indica le ore necessarie per scaricare completamente la batteria. Secondo le normative europee, la capacità nominale di una batteria al piombo è identificata dal suffisso C20;
  • 260 A (EN): indica che la batteria può erogare, per 30 secondi, la corrente di 260 A, senza che la tensione scenda sotto i 7.2 V. Il suffisso EN si riferisce alle norme europee che stabilisce i flussi di test alla temperatura di 0° F.

Il motorino e l’avviamento

Esso si trova in tutti i sistemi di motore a scoppio. Il motorino funziona in corrente continua e attinge l’energia dalla batteria per avviare meccanicamente il motore. Il suo ruolo è concentrato solamente nei primi secondi dell’avvio, durante i quali esso assorbe una gran quantità di energia dalla batteria. In questo frangente riesce ad avviare con molta forza il sistema del motore a scoppio, che oppone tanta resistenza meccanica, grazie alla possibilità di riduzione del rapporto di trasmissione. La forza applicata dal motorino di avviamento dipende dall’energia contenuta nella batteria. L’avviamento costituisce una breve fase cruciale e critica, nella quale intervengono immani quantità di energia. Risultano, infatti, potenzialmente dannosi i ripetuti tentativi di avviamento, durante i quali si potrebbero anche surriscaldare i cavi e gli avvolgimenti dei componenti. Dal momento che l’intero processo dura al massimo 2-3 secondi, per avviare un motore servono gli ampere, non gli ampere / ora. Non si risolve nulla, infatti, se si dispone di una batteria di 1000 Ah (quindi dalla lunghissima autonomia) ma di soli 30 A. Essa non sarebbe sufficiente per erogare la giusta corrente allo spunto. Molto meglio sarebbe un accumulatore di soli 10 Ah ma in grado di assicurare anche 100 A allo spunto. All’atto dell’acquisto il consumatore dovrebbe controllare sempre almeno i tre parametri fondamentali. Un motorino di avviamento potrebbe assorbire parecchie centinaia di A allo spunto e, proprio per questo motivo, occorre utilizzare cavi molto grossi, poiché la quantità di elettroni che passano durante l’avvio è molto alta. La quantità di corrente assorbita da un motorino di avviamento dipende, ovviamente, anche da tante variabili come, ad esempio, dal tipo di motorino utilizzato, dalla cilindrata dell’auto, dal tipo di alimentazione (diesel o benzina), dai carichi collegati e dalle dimensioni. A ogni modo l’intera procedura è legata alla legge di Ohm, secondo la seguente formula fondamentale (e relative formule inverse):

Dove:

  • A sono gli Ampere;
  • W sono i Watt;
  • V sono i Volt.

Un motorino da 800 W, dunque, assorbe circa 67 A di corrente. Il mercato vorrebbe spostare la tensione nominale delle autovetture da 12 V a 48 V, proprio per limitare la quantità di corrente utilizzata, a parità di potenza. La bassa tensione è più semplice da gestire ma implica diversi problemi collaterali come, ad esempio, la necessità di disporre di cavi grossi e robusti, l’aumento delle temperature di esercizio e i potenziali pericoli di incendio.

Come lavorano i supercondensatori (resistenza interna)

Non si vuole approfondire, in questa sede, le modalità di funzionamento di questi innovativi componenti elettronici, già peraltro trattate in altri articoli. E’ sufficiente ribadire che essi riescono a contenere una enorme quantità di corrente utilizzabile immediatamente. A differenza delle batterie, infatti, la loro resistenza interna è molto bassa e questo consente di scaricare enormi correnti per brevissimi istanti, infatti la corrente media necessaria per l’avvio dell’auto è di circa 400 ampere. Come sappiamo, i condensatori sono in grado di immagazzinare la carica elettrica ma per essere idonei a lavorare con l’automobile occorre innalzare, ovviamente, i livelli di tensione e di corrente. Purtroppo lo svantaggio dei supercondensatori è che essi sono generalmente classificati per funzionare a basse tensioni, tipicamente di 2.7 volt. Questo perché lo spessore tra le armature è estremamente ridotto e basterebbero tensioni leggermente maggiori per violare l’impermeabilità dielettrica. All’avvio del motorino, ossia nei primi istanti della sua marcia, il grafico dell’energia mostra un grande picco iniziale (nell’ordine delle centinaia di Ampere) per poi attestarsi a valori più bassi (solitamente compresi tra i 20 A e gli 80 A). Questo avviene poiché il rotore, in posizione statica, presenta solamente la sua parte resistiva verso la tensione continua e la batteria “vede” solo l’impedenza pura dell’avvolgimento. Avviene, in pratica, un brevissimo corto circuito e se il rotore risultasse bloccato per qualche motivo, molto probabilmente il motorino potrebbe anche bruciarsi. Si ipotizzi, adesso, di avere un motorino di avviamento con i seguenti dati di targa:

  • potenza nominale: 400 W;
  • assorbimento a regime: 33 A;
  • assorbimento allo spunto: circa 150 A;
  • tensione di funzionamento: 12 V.
Figura 2: corrente assorbita dal motore

In figura 2 è riportato il grafico della corrente assorbita da tale motore, nell’arco di tempo di 1.6 secondi, un tempo sufficiente per riuscire ad avviare un motore a scoppio. Nella parte alta del grafico è visualizzato il tracciato reale del motore, un segnale affetto da rumore, spurie e interferenze dovute alla rotazione dell’induttore. Nella parte bassa del grafico è visualizzato, invece, un segnale equivalente e pulito, senz’altro più comodo per poter effettuare le analisi e le simulazioni. Dall’istante 0 dell’analisi, la chiave viene girata dopo 200 millisecondi. Il motorino di avviamento inizia a ruotare, ovviamente da una posizione statica iniziale, con un grande assorbimento che mette a dura prova la batteria e le connessioni dell’autovettura. Fortunatamente, tale picco (inizialmente di circa 140 A) si riduce velocemente nel tempo e già, dopo 0,4 secondi il motorino lavora a regime. Nell’esempio, il picco attivo ha, dunque, una durata di circa 60 mS, con una energia richiesta di ben 300 Joule. Per il resto dell’avviamento il motore richiede circa 900 Joule di energia. Per la caratterizzazione del comportamento del motore, almeno nella fase iniziale per i valori di x compresi tra 0 e 1.6 secondi, si può adottare un’equazione non lineare che ben descrive i singoli valori di corrente ai diversi istanti:

Per soddisfare tale richiesta di energia occorre, dunque, utilizzare più supercondensatori che assicurino una energia sufficiente per tale intervallo di tempo. Utilizzando questi super componenti si ha il vantaggio di disporre di un generatore con una resistenza in serie molto più piccola, rispetto alle tradizionali batterie.

Un esempio di starter per automobile

Dopo aver compreso le esigenze energetiche del motorino di avviamento, si può realizzare facilmente un semplice starter per automobile il cui schema elettrico, assieme ai grafici di test, sono visualizzati in figura 3. Si tratta di un semplice collegamento in serie di ben sei supercondensatori con le seguenti caratteristiche:

  • modello del supercondensatore: SCCY83B507S3PBLE;
  • diametro: 35 mm;
  • altezza: 83 mm;
  • capacità: 500 F;
  • tensione 2.7 V;
  • ESR: 1.35 milliOhm;
  • corrente di picco: 402.99 A;
  • densità di potenza: 6480 W/kg;
  • massima energia: 0.5063 Wh;
  • densità di energia: 5.06 Wh/kg.

Per aumentare la tensione di lavoro del condensatore occorre collegarne sei, ma ciò significa che la capacità totale diminuirà di sei volte. Collegando sei condensatori in serie, ovviamente, i seguenti parametri elettrici vengono modificati:

  • la tensione lavoro della capacità equivalente (VL) sale a 16.2 V, per un funzionamento sicuro del circuito;
  • la capacità totale del condensatore equivalente si riduce a 83.3 F;
  • la ESR totale del condensatore equivalente è di 8.1 milliOhm, valore di gran lunga più basso rispetto a quello delle batterie.
Figura 3: schema generico di uno starter per automobile

La configurazione dello schema dell’esempio riesce a sviluppare una energia di circa 1300 Joule, valore che assicura una partenza sicura del motorino di avviamento. La soluzione prodotta riesce a fornire la propria utilità per un tempo non superiore ai 7 secondi, dopo i quali i condensatori raggiungono un livello di scarica che non permetterebbe più l’avvio del motorino. Tali risultati sono relativi alle tipologie di condensatori e di motorino adottati. Ogni altra variazione circuitale impone un ricalcolo di tutti i componenti.

Raccomandazioni

L’utilizzo dei supercondensatori potrebbe risultare abbastanza pericoloso, specialmente se si dovessero collegare tra loro i due terminali. In tal caso si avrebbe una scarica immediata del componente che, specialmente se ben carico, potrebbe causare esplosioni, incendi e ustioni. Occorre, quindi, prestare la massima attenzione. I collegamenti devono essere eseguiti a condensatori scarichi, con la precauzione di utilizzare resistori di potenza di alcune decine di Ohm. Anche i collegamenti devono essere eseguiti utilizzando del filo elettrico dalla sezione di almeno 11 mm (31 mm^2). Non si devono mai effettuare le saldature quando i condensatori sono carichi, in quanto l’alta temperatura potrebbe danneggiarli. I supercondensatori hanno una importante corrente di dispersione per cui nel giro di alcune settimane potrebbero scaricarsi in maniera autonoma.

Conclusioni

La ricarica di questi tipi di supercondensatori non è immediata, come si può facilmente comprendere, ma è sempre più celere di quella che si effettua per una tradizionale batteria. Ammesso di disporre di un caricabatteria da 15 V e capace di fornire circa 20 A, il tempo per ricaricare le capacità è di circa 5 minuti. Le simulazioni e le prove eseguite nel presente articolo sono generiche e potrebbero variare a seconda della tipologia di componentistica utilizzata. Si ricorda che l’adozione dei supercondensatori, di per sé, costituisce una soluzione ben più costosa rispetto a quella dell’acquisto di una normale batteria per automobile.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.