Nuove soluzioni per migliorare prestazioni ed efficienza energetica negli EV

L'articolo esamina le soluzioni recenti nei sistemi di trazione elettrica e nei caricabatterie per veicoli elettrici e ibridi. Basato su ricerche sui prototipi di azionamenti elettrici, l'articolo valuta le sfide e le opportunità dell'elettrificazione dei veicoli, focalizzandosi su due trend di mercato principali: gli HEV a bassa tensione (48 V) che facilitano la transizione dai veicoli a combustione interna, ed i veicoli elettrici che operano a tensioni superiori ai 200 V. Viene introdotto un generatore di avviamento a cinghia da 48 V con elettronica di controllo di potenza, che sostituisce l'alternatore da 12 V offrendo assistenza alla coppia per funzionalità start-stop e frenata rigenerativa, oltre alla generazione di energia per i carichi di bordo. Per i veicoli elettrici, vengono esplorate nuove topologie di motori elettrici, come i motori a magnete permanente nei tipi IPM, FSPM e VPM, con potenze fino a 64 kW e coppie fino a 511 Nm.

Nuove tendenze nell'elettrificazione dei veicoli

Nella progettazione dei veicoli, l'elettrificazione della propulsione viene realizzata principalmente per ridurre le emissioni inquinanti nell'aria e l'utilizzo di combustibili fossili. Lo scandalo "Dieselgate" in Europa e negli Stati Uniti, e gli alti costi economici per i veicoli a combustione interna dovuti alle normative restrittive sui gas serra, hanno accelerato l'evoluzione verso la mobilità elettrica e ibrida. I componenti chiave che rendono possibile questa rivoluzione sono i convertitori di potenza, i motori elettrici e i sistemi di accumulo di energia. I livelli accettabili di emissioni di anidride carbonica (CO2) negli Stati Uniti, nell'Unione Europea, in Giappone e in Cina sono stati ridotti da circa 200 g di CO2 per km percorso negli anni 2000 a meno di 100 g/km nel 2020.

Attualmente, i veicoli elettrici a batteria sono una realtà per marchi di auto premium di basso volume come Tesla; tuttavia, anche diversi produttori di auto di grande volume hanno annunciato una riduzione di tutti i veicoli a benzina/diesel. L'obiettivo di progettazione che soddisfa le aspettative dei clienti è un veicolo elettrico a batteria con un'autonomia minima di 400 km, prestazioni e costi paragonabili a quelli dei veicoli a combustione interna. Per raggiungere un'ampia accettazione da parte degli utenti dei veicoli elettrici, sono fondamentali l'accessibilità e la facilità d'uso sia delle infrastrutture di ricarica pubbliche che private.

Il primo passo verso l'elettrificazione dei veicoli passeggeri è la migrazione a breve termine dai veicoli a combustione interna ai veicoli ibridi elettrici. Ciò richiede l'evoluzione da un bus a corrente continua di bordo da 12 a 48 V, oltre a sistemi di trasmissione elettrica in grado di fornire assistenza alla coppia del motore a combustione interna a bassa velocità, generare energia elettrica dal motore a combustione interna per alimentare i carichi di bordo, e recuperare energia durante la frenata del veicolo. Utilizzando un bus a 48 V, è possibile evitare il costo elevato dei dispositivi di protezione contro le scosse elettriche (obbligatori oltre i 60 V).

Il secondo passo è un'evoluzione radicale verso i veicoli elettrici a batteria, in cui è necessaria una ridefinizione dell'architettura elettrica/elettronica e dello schema di trasmissione del veicolo. Come anima di tutto il sistema dei veicoli elettrici, sono desiderabili motori elettrici con elevate densità di potenza e coppia. Nel caso dei veicoli elettrici a batteria, il bus a corrente continua passa a centinaia di volt per affrontare livelli di potenza che vanno da diverse decine di kilowatt (veicoli leggeri e medi) a centinaia di kilowatt (veicoli pesanti e sportivi). In questi casi, la protezione contro le scosse elettriche è obbligatoria. Poiché rappresenta il terzo passo verso l'elettrificazione dei veicoli passeggeri, è necessaria una soluzione plug-in con capacità di ricarica per l'accumulo di energia della batteria di bordo al litio. Pertanto, sono necessari convertitori di potenza bidirezionali in grado di interconnettere i veicoli elettrici ad una rete intelligente che coinvolga fonti di energia rinnovabile per la ricarica.

Tendenze nei veicoli elettrici e nelle trasmissioni elettriche

I veicoli elettrici comprendono tutti i veicoli in cui almeno una parte dell'energia di propulsione proviene da un motore elettrico. A seconda della fonte di energia e del dispositivo di propulsione utilizzato, oltre ai tradizionali veicoli a combustione interna, possono essere definiti molti tipi di veicoli elettrici. Come mostrato in Figura 1(a), questi includono:

Veicoli elettrici a celle a combustibile che, a causa di molteplici problemi legati alla produzione e distribuzione dell'idrogeno, sono di minore interesse;
Veicoli elettrici ibridi;
Veicoli elettrici plug-in ibridi o veicoli elettrici a batteria, nel caso in cui l'unità di accumulo di energia di bordo (ad esempio, il pacco batteria al litio) venga ricaricata collegandola ad una stazione di ricarica.
Veicoli elettrici rinnovabili.

Come mostra anche la Figura 1(a), una delle ragioni della tendenza all'elettrificazione dei veicoli è la diversificazione delle fonti di energia, incluso l'uso di fonti rinnovabili (ad esempio idroelettrica, solare ed eolica) per ottenere l'elettricità.

Figura 1: Diversificazione delle fonti energetiche grazie a: (a) tendenze dei veicoli elettrici (EV) e (b) riduzioni delle emissioni dei veicoli elettrici plug-in (PEV) rispetto ai veicoli a combustione interna (ICEV). FEV: veicolo elettrico a celle a combustibile; REV: veicolo elettrico rinnovabile; CO: monossido di carbonio; HC: idrocarburi; NOx: ossido di azoto; SOx: ossido di zolfo; PMx: particolato x

Confrontando i motori a combustione e quelli elettrici, si ha una riduzione delle emissioni inquinanti (vedi Figura 1(b)) e un aumento dell'efficienza energetica. Considerando un confronto equo tra l'uso del petrolio grezzo come fonte di energia iniziale per i veicoli a combustione interna e per i veicoli elettrici, l'efficienza energetica aumenta da circa il 13% dei veicoli a combustione interna al 18% dei pienamente elettrici (vedi Figura 2). Poiché questo articolo si concentra maggiormente sulla parte di propulsione elettrica, un'analisi del sistema energetico (ad esempio, celle della batteria per l'accumulo di energia e unità di gestione dell'energia), dei sistemi ausiliari e dei dispositivi di potenza e convertitori, esula dal suo scopo, ed è rimandata al lettore.

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