Tecnologia auto elettriche spiegata da un lettore
Il sig. Franco Fellicò, nostro lettore da tempo, ci invia una sorta di guida, da lui redatta, per avvicinare i neofiti alla mobilità elettrica. Lo fa senza alcuna velleità, ma l’articolo risulta essere molto utile. Semplicemente attraverso la legge di Ohm, si capiscono e si spiegano molte cose, riguardanti la tecnologia delle auto elettriche. Buona lettura!
Un po’ di tecnica
Così come nel caso delle auto termiche ci sono automobilisti che le usano senza sapere niente di come fanno a muoversi, anche nel caso delle BEV (auto elettriche) la conoscenza delle apparecchiature che le fanno muovere è per molti SCONOSCIUTA.
Non sono un grande esperto in materia ma penso di essere in grado di illustrare alla meglio il funzionamento di una vettura elettrica dove, diversamente dalle auto termiche, i componenti principali sono TRE o al massimo QUATTRO.
Tutti sanno certamente che ogni BEV è dotata di una BATTERIA ad alto voltaggio e credo che tutti sanno che ha anche uno o più MOTORI ELETTRICI, ma forse solo qualcuno sa che c’è un altro componente importante che si chiama INVERTER. Il quarto componente è il BMS.
Ci sono altri dispositivi meno importanti che possiamo tranquillamente trascurare. Vediamo allora cosa sono esattamente e come funzionano questi pochi componenti e come interagiscono tra loro.
La batteria ad alto voltaggio
Può essere equiparata al serbatoio del carburante di un’auto termica. Così come il serbatoio è in grado di contenere alcune decine di litri di carburante che vengono consumati durante i viaggi, la batteria contiene alcune decine di kWh di energia elettrica.
Quindi sia il serbatoio del carburante che la batteria sono dei contenitori dove il primo può contenere benzina o gasolio mentre il secondo contiene elettricità. Sono contenitori abbastanza diversi perché il primo è leggero mentre il suo contenuto è più pesante, il secondo è molto più pesante del primo ma il suo contenuto ha un peso nullo.
La batteria ha un peso notevole e a titolo di esempio dirò che quella di una Tesla Model 3 pesa 385 kg.
Vediamo come è fatta questa batteria: essa è costituita da un gran numero di celle di piccole dimensioni. Per capirci queste celle non sono molto dissimili dalle batterie stilo AAA ricaricabili che tutti noi conosciamo.
Prima di proseguire vorrei però ricordare una formula molto semplice che ci servirà moltissimo e che è la seguente:
VOLT x AMPERE-ORA = WATT-ORA
Volt = Tensione, Ampere = Corrente, Watt-ora = Energia.
Quindi la nostra formula dice che moltiplicando la tensione espressa in Volt per la corrente espressa in Ampere-ora si ottiene l’energia espressa in Watt-ora.
Batteria al Nichel-Cadmio AAA ricaricabile
Facciamo anche un passo indietro e esaminiamo proprio una batteria al Nichel-Cadmio AAA ricaricabile. Essa ha una tensione standard di 1,2 V e un amperaggio che può variare ma può essere ad esempio 2.000 Milliampere e cioè 2 Ampere-ora. Se applicando la formula a quella batteria avremo 1,2 Volt x 2 Ampere-ora = 2,4 Watt-ora.
Abbiamo capito quindi che quella batteria può fornire 2,4 Wh di energia.
Ora immaginiamo di collegare in parallelo (cioè il PIU’ con il PIU’ e il MENO con il MENO) due batterie di quelle appena citate. Il risultato sarà che la tensione dell’insieme è rimasta 1,2 V mentre le correnti si sommano e quindi per l’insieme delle due batterie in parallelo la nostra formula dirà 1,2 V x 4 Ah = 4,8 Wh. Se invece mettiamo in serie le due batterie (collegando il PIU’ della prima con il MENO della seconda) in questo insieme, le tensioni si sommano mentre le correnti rimangono quella di ciascuna di esse: 2,4 V x 2 Ah = 4,8 Wh sarà quindi il risultato in questo caso..
Possiamo allora concludere che mettendo in serie delle celle si possono ottenere TENSIONI più alte, mentre mettendole in parallelo si possono ottenere CORRENTI più alte. Ma l’energia disponibile in entrambi i casi è sempre la somma delle energie delle due batterie (infatti nel nostro caso di esempio è sempre 4,8 Wh).
Le celle nelle batterie di trazione delle auto elettriche
Torniamo ora alle celle delle nostre auto elettriche. Esse come ho detto sono un gran numero e sono collegate parte in serie riuscendo a raggiungere tensioni di 350 o 400 V e parte in parallelo ottenendo parecchie decine di Ampere-ora.
Complessivamente a titolo di esempio una batteria di una BEV con tensione di 350 V potrebbe anche fornire una corrente di 200 Ampere-ora per cui con la solita formula avremo: 350 x 200 = 70.000 Wh e cioè 70 kWh
Abbiamo allora finalmente capito che una batteria di un’auto elettrica da 70 kWh deve essere costituita da un numero molto elevato di piccole celle collegate parte in serie e parte in parallelo tali da ottenere appunto una tensione di 350 V e una corrente di 200 Ampere.
La batteria per funzionare in maniera ottimale è bene che sia mantenuta ad una temperatura corretta a mezzo di un apposito sistema di refrigerazione/riscaldamento.
A questo punto possiamo considerare conclusa la spiegazione sia pure alla buona di come è fatta una batteria di una BEV.
Il motore sincrono a magneti permanenti
Questo componente è l’unico che in una BEV ha delle parti in movimento (oltre alle ruote naturalmente).
Il peso di un motore elettrico sincrono è molto meno elevato di quello di un motore termico e va dai 50 ai 100 Kg. Il motore di una Tesla Model3 pesa solo 75 kg.
Come è fatto questo motore? Ha uno STATORE e un ROTORE. Lo statore è costituito da degli avvolgimenti di filo di rame disposti in maniera tale da poter generare un campo magnetico che può ruotare; quando il campo magnetico dello statore RUOTA il rotore (che si trova al suo interno) lo segue ruotando in sincronia con esso. La forza con cui lo statore ruota dipende dalla corrente applicata agli avvolgimenti dello statore, la velocità di rotazione del campo magnetico dipende dalla frequenza della corrente alternata applicata. Vedremo in seguito come possono variare questi due valori.
Penso che abbiamo capito ora che un motore elettrico è caratterizzato da una velocità di rotazione ma anche dalla forza con cui ruota (che si chiama coppia).
La cosa interessantissima di un motore elettrico sincrono è che la sua coppia è massima quando la velocità è minima e tende a diminuire quando la velocità di rotazione aumenta. Quindi un veicolo elettrico è più scattante di uno termico ed è in virtù della sua coppia immediata e più duratura, che non necessita del cambio.
E’ ovvio che è molto più comodo che la coppia sia alta quando il motore gira piano perché vuol dire che si è in fase di partenza e in accelerazione.
Tralasciamo altri dettagli sul motore e passiamo ora al terzo componente.
L’inverter
Può pesare tra i 10 e i 30 Kg (quello della Tesla Model 3 pesa intorno ai 20 Kg). Questo componente può considerarsi il cuore della BEV perché è il vero responsabile della gestione del motore di trazione.
Come tutti gli inverter esso riceve energia elettrica in corrente continua dalla batteria ad alto voltaggio e la trasforma in alternata a mezzo di componenti elettronici di potenza.
L’inverter è un dispositivo completamente STATICO senza quindi alcuna parte in movimento. In elettronica è abbastanza facile generare correnti alternate da corrente continua partendo da degli oscillatori, ma la cosa interessante che è particolare di un inverter per auto è che la corrente alternata che viene generata, non è di frequenza fissa, ma la frequenza è variabile perché è la frequenza variabile che consente di generare negli avvolgimenti dello statore del motore, un campo magnetico rotante più o meno veloce.
L’inverter per gestire l’accelerazione e la frenata rigenerativa
In pratica la frequenza della corrente alternata prodotta dall’inverter è funzione di come si preme il pedale dell’acceleratore e poiché, come sappiamo, se la frequenza aumenta, il campo magnetico rotante dello statore del motore, aumenta di velocità, seguito dal rotore che si sincronizza con esso, ecco che il motore gira più o meno velocemente.
Ma l’inverter oltre a generare corrente alternata a frequenza variabile, genera anche correnti minori o maggiori riducendo o aumentando la coppia con cui il rotore ruota. Il sistema è molto semplice sia concettualmente che anche nella realizzazione e trattandosi di sistema elettrico/elettronico è quasi esente da possibili guasti.
L’inverter è responsabile anche di un’altra importante funzione che è quella di occuparsi della frenata rigenerativa. Quando il sistema di frenata rigenerativa è attivo (e come sappiamo essa può essere totalmente disattivata o attivata parzialmente di solito con le palettine dietro al volante) l’inverter provvede a far invertire il funzionamento del motore che gestisce, il quale invece di funzionare da motore diventa un generatore trascinato dalle ruote e come tale genera energia elettrica, la raddrizza e la invia alla batteria ricaricandola. Nel farlo oppone una resistenza che si traduce in una frenata più o meno forte del veicolo e comunque graduabile.
Il BMS (battery management system)
Anche questo componente è completamente STATICO perché è completamente elettronico. Esso tiene sotto controllo ogni cella della batteria dal punto di vista della tensione, della corrente e della temperatura e fa si che funzioni tutto e in sicurezza.
Questo componente entra in azione anche durante la carica e la scarica mantenendo bilanciate le celle e garantendo così le migliori prestazioni delle stesse e una vita utile.
Il BMS protegge la batteria da sovraccarichi o sovrascariche, da surriscaldamento e da cortocircuiti e in caso di incidenti disattiva tutto l’impianto.
Infine gestiste il sistema di raffreddamento della batteria mantenendola ad una temperatura ottimale, prevenendo il surriscaldamento e migliorandone così l’efficienza. Non cito il suo peso approssimativo come ho fatto per gli altri componenti, perché il suo peso rientra in quello della batteria.
Nelle BEV c’è anche la batteria a 12V!
Trovandomi a parlare della tecnica delle BEV vorrei anche dire che, così come nelle auto termiche, anche le BEV hanno una batteria a bassa tensione che è la solita batteria al piombo abbastanza conosciuta e utilizzata per i servizi elettrici. Nelle auto termiche quella batteria serve principalmente ad azionare il motorino di avviamento ma anche a coprire tutte le necessità elettriche della vettura (vetri elettrici, tergicristalli, apertura porte centralizzata, fari e tutte le altre luci esistenti nell’auto).
Quella batteria a bassa tensione (12V) esiste anche nelle BEV e alimenta tutte le sue apparecchiature elettriche così come nelle termiche (tranne il motorino di avviamento che non esiste) . Quello che volevo spiegare qui è che questa batteria ha bisogno di tanto in tanto di essere ricaricata cosa a cui provvede nelle auto termiche l‘alternatore. Nelle BEV la sua ricarica è fatta invece molto semplicemente a mezzo di un dispositivo elettronico DC-DC che consente di ridurre la tensione alta disponibile nelle BEV alla tensione bassa necessaria alla batteria dei servizi. Ovviamente anche in questo caso si tratta di un dispositivo semplice, difficilmente fonte di guasti e completamente STATICO.
Una considerazione sui pesi
Avendo citato i pesi dei componenti voglio approfittare per far notare che un motore diesel della potenza pari a quella di una Tesla Model3 completo di cambio automatico e frizione può pesare intorno ai 250 Kg a cui dobbiamo aggiungere il peso di tutto il sistema di raffreddamento, di scarico, motorino di avviamento e alternatore per cui penso che si possano raggiungere i 300 Kg a cui vanno aggiunti 50 Kg di carburante (a serbatoio pieno).
In una Tesla Model3 abbiamo visto che il motore pesa 75 Kg, l’inverter pesa 20 Kg e la batteria ad alto voltaggio 385 kg, quindi il peso totale dei componenti necessari al moto di una Tesla Model 3 è all’incirca 480 Kg che confrontato con i 350 kg di un’auto termica di pari classe dimostra che il peso maggiore di una BEV è di circa 130 Kg in più.
Con questo vorrei osservare che tutto quel gran peso in più di cui si riempiono la bocca i NOBEV per criticare le auto elettriche, se andiamo ad esaminare bene la cosa, non è poi un gran che.
Conclusione
Come ho detto fin dall’inizio questa descrizione vuol essere una carrellata fatta alla buona, ma penso sia sufficiente ad avere un po’ più chiaro il funzionamento di una BEV. Dimostrare ancora una volta quanto la sua tecnologia è più semplice ed efficiente di una termica e quanto è meno soggetta a possibili guasti.
Franco Fellicò