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Cosa spinge gli EV a progredire?
L'industria automobilistica sta vivendo un grande cambiamento: la maggior parte delle case automobilistiche afferma che i prossimi dieci anni saranno più trasformativi dei due decenni precedenti. Tutto, dai materiali alla benzina, dai prezzi ai modelli commerciali, porterà a cambiamenti significativi nei prossimi anni, spingendo l'adozione su larga scala dei veicoli elettrici (EV). L'adozione di un modo di trasporto più pulito ed efficiente dipende tanto dalle politiche governative e dalla consapevolezza di dover puntare a una maggiore efficienza, quanto dalle innovazioni delle tecnologie automobilistiche.
Sovvenzioni e politiche governative
L'adozione precoce dei veicoli elettrici leggeri (LDV) è stata sostenuta da significative agevolazioni fiscali, che hanno stimolato la crescita delle industrie produttrici di EV e di batterie. I programmi, che comprendevano sussidi all'acquisto e/o sconti fiscali per l'acquisto e l'immatricolazione dell'auto, erano stati concepiti per colmare il divario di prezzo tra i veicoli elettrici e quelli convenzionali.
I sussidi per i veicoli elettrici sono solitamente considerati una misura una tantum. Tuttavia, molti Paesi forniscono attualmente sovvenzioni agli acquirenti di veicoli elettrici, che rappresentano quasi la metà di tutti gli acquisti di veicoli elettrici. I sussidi possono essere gradualmente eliminati man mano che la tecnologia dei veicoli elettrici abbassa i prezzi in modo sostanziale. Questa eliminazione graduale potrebbe essere integrata da tasse sulle auto tradizionali per compensare le esternalità negative associate alle loro emissioni.
Preoccupazioni ambientali
Poiché i trasporti sono la causa principale del cambiamento climatico e una delle principali fonti di altri inquinanti che danneggiano la salute umana, l'elettrificazione delle nostre auto viene salutata come una misura fondamentale.
L'adozione dei veicoli elettrici è diventata sempre più importante per raggiungere gli obiettivi di risparmio di carburante e di emissioni di CO2. I più grandi fissati dall'Unione Europea hanno avuto un impatto significativo sulle vendite di auto elettriche. che rappresentano 18,0% delle immatricolazioni totali di autovetture nel 2021, in aumento rispetto ai 10,5% del 2020, il tasso di crescita annuale più rapido di sempre. Come soluzione agli effetti dannosi causati dall'inquinamento dei veicoli con motore a combustione interna (ICE), alcuni governi hanno stabilito obiettivi di vendita per i veicoli elettrici che devono essere rispettati. La politica californiana dei veicoli a emissioni zero (ZEV), attuata inizialmente nel 1990, ha favorito una transizione più rapida verso i veicoli elettrici, che nel 2021 rappresenteranno il 10% delle vendite di auto nuove.
Il motore a combustione ha riscosso un successo strepitoso nell'ultimo secolo, ma ci stiamo già affacciando all'angolo di qualcosa di molto migliore, qualcosa di molto più semplice che continuerà a fornirci la mobilità a cui ci siamo abituati, ma in modo più pulito, leggero e sensato: i veicoli elettrici.
Componenti principali dei veicoli elettrici di oggi
Il moderno EV va oltre il concetto e i componenti principali possono essere facilmente identificati come i seguenti:
Batteria
La batteria serve come fonte di energia ed è la parte più costosa dell'EV. L'elettricità immagazzinata nella batteria viene utilizzata per alimentare il motore elettrico, che fa girare le ruote in modo silenzioso e a zero emissioni. A causa delle elevate spese di sostituzione, le batterie delle auto elettriche devono durare il più a lungo possibile, a differenza dei dispositivi portatili, che si guastano dopo pochi anni.
La capacità della batteria determina la distanza percorribile dall'auto. Maggiore è la capacità, maggiore è la distanza percorsa. Aumentare l'autonomia del veicolo aggiungendo altre batterie non è la soluzione migliore. Aumenta il peso e limita inutilmente lo spazio disponibile. Di conseguenza, il risparmio di carburante e l'efficienza energetica ne risentono. L'utilizzo di batterie più piccole e più efficienti dal punto di vista energetico è il metodo migliore per aumentare la distanza di guida.
Caricabatterie/Caricabatterie di bordo
I veicoli elettrici ricevono la carica della batteria dalla rete attraverso stazioni di ricarica situate a casa, in luoghi pubblici o in proprietà commerciali private. Il caricatore di bordo converte l'energia di rete monofase in corrente continua da immagazzinare nella batteria e controlla la quantità di energia inviata alla batteria, evitando il surriscaldamento sia della batteria che del sistema di alimentazione/caricatore.
Inverter di potenza
L'inverter è il dispositivo che converte l'energia CC ad alta tensione e corrente dalle batterie di un veicolo elettrico in elettricità CA per il motore. L'uscita è un'"onda quadra" nella sua forma più elementare ed è più adatta ai motori a corrente alternata che contengono al loro interno campi magnetici che hanno bisogno di tempo per aumentare e diminuire la loro forza.
I produttori di inverter per veicoli sono sempre impegnati a migliorare il design e l'efficienza dei loro prodotti. Recentemente, la pratica di integrare un inverter con un motore o un convertitore ha ricevuto molta attenzione da parte dei produttori. Ad esempio, un motore con inverter integrato o un singolo modulo di potenza che combina le funzionalità dell'inverter e del convertitore CC-CC offre una migliore efficienza, riducendo al contempo lo spazio e il peso del veicolo.
Motore elettrico
I motori elettrici funzionano collegando una coppia di magneti o elettromagneti a un albero (il rotore) e un'altra coppia all'involucro che lo circonda (lo statore). Per far ruotare i motori è necessaria l'elettricità alternata, altrimenti la forza elettromagnetica bloccherebbe semplicemente i poli nord e sud. Il motore EV sfrutta queste forze di attrazione e repulsione per far ruotare l'albero, convertendo l'elettricità in coppia e facendo girare le ruote invertendo periodicamente la polarità di una serie di elettromagneti. Queste forze magnetiche/elettromagnetiche sono anche in grado di convertire il movimento in elettricità, come nella frenata rigenerativa.
Sistema di gestione della batteria (BMS)
Il termine "Sistema di gestione della batteria" si riferisce a un sistema elettrico che regola una batteria ricaricabile per garantirne il funzionamento efficace e sicuro (BMS). È essenzialmente il cervello del veicolo ed è progettato per tenere traccia delle caratteristiche associate al pacco batterie e alle sue celle. Utilizza quindi queste informazioni per ridurre i problemi di sicurezza e migliorare le prestazioni della batteria. Ogni modello di veicolo avrà un BMS unico.
Sviluppo futuro di EV
La crescita dei veicoli elettrici e ibridi (HEV) è in aumento ed entro il 2025 i veicoli elettrici e ibridi rappresenteranno una quota stimata di 30% di tutte le vendite di veicoliCiò richiede sicuramente un'infrastruttura di ricarica a livello nazionale e una continua ricerca e sviluppo con l'obiettivo esplicito di eliminare le emissioni di gas di scarico dei veicoli leggeri negli Stati Uniti entro il 2035 e, idealmente, di raggiungere la neutralità del carbonio nei prodotti e nelle operazioni globali entro il 2040.
Secondo un rapporto McKinsey del 2021 La domanda annuale di energia per la ricarica dei veicoli elettrici passerebbe da 11 miliardi di chilowattora (kWh) a 230 miliardi di kWh nel 2030, con l'aumento del numero di veicoli elettrici in circolazione. La proiezione della domanda per il 2030 equivale a circa 5% dell'attuale consumo totale di energia elettrica dei soli Stati Uniti. Per fornire una tale quantità di energia in un solo anno sarebbero necessari circa 30 milioni di caricabatterie. Mentre la maggior parte di questi caricabatterie verrebbe installata nelle case, 1,2 milioni sarebbero caricabatterie pubblici, che verrebbero distribuiti nei luoghi di ritrovo e nelle aree in cui i veicoli vengono parcheggiati per lunghi periodi di tempo. Il costo dell'hardware, della progettazione e dell'installazione di questa quantità di infrastrutture di ricarica pubbliche è stimato in milioni di dollari. Come la maggior parte delle altre tecnologie che utilizziamo quotidianamente, esse dipendono fortemente da una rete per facilitarne l'utilizzo.
Tecnologie avanzate per le batterie
A partire dal 2012, i prezzi delle batterie hanno iniziato a scendere di 50% in quattro anni, rendendo i veicoli elettrici più interessanti. Non solo il prezzo, ma anche le innovazioni tecnologiche hanno recentemente iniziato a rendere i veicoli elettrici ancora più attraenti.
Una batteria agli ioni di litio ha un elettrolita liquido, mentre una batteria allo stato solido, come dice il nome, ha un elettrolita solido. I vantaggi delle batterie allo stato solido consistono nel fatto che sono più leggere, hanno una maggiore densità di energia, hanno un'autonomia più lunga e si ricaricano più velocemente.
GM e Honda hanno dichiarato di voler condividere tecnologie, design e strategie di produzione per offrire veicoli elettrici accessibili e desiderabili su scala globale. GM si sta già impegnando per far progredire nuove tecnologie come il litio-metallo, il silicio e le stesse batterie allo stato solido, oltre a metodi di produzione che possono essere utilizzati per aggiornare rapidamente i processi di produzione delle celle delle batterie, mentre Honda sta sviluppando ulteriormente la tecnologia delle batterie allo stato solido, che considera un componente critico dei veicoli elettrici del futuro.
Miglioramento dell'efficienza dei motori elettrici di trazione
I produttori di grandi volumi sono stati diffidenti nell'utilizzare motori a magneti permanenti a causa della dipendenza da elementi pesanti di terre rare di cui la Cina detiene dal 35 al 40% delle riserve mondiali.
I progressi nello sviluppo delle batterie allo stato solido, di cui si è già parlato, sono certamente una tendenza che garantirà che l'efficienza dei veicoli elettrici che usciranno nei prossimi anni sia molto migliore di quella attuale, ma sono in corso miglioramenti lungo tutta la catena di trasmissione.
Moduli di alimentazione integrati
I moduli a semiconduttore di potenza utilizzati negli inverter sono responsabili del trasferimento di energia elettrica tra la sorgente e il carico. L'efficienza di questi sistemi è migliorata grazie ai progressi dei dispositivi basati su WBG, come SiC, MOSFET e HEMT. Questo miglioramento dell'efficienza, che è circa tre volte superiore a quella del silicio, è dovuto a un bandgap più ampio, cioè all'energia necessaria per rendere accessibile un elettrone per condurre elettricità. Ad esempio, un dispositivo in SiC può sopportare un campo elettrico quasi 10 volte superiore a quello del silicio prima di cedere, consentendo ai dispositivi in SiC di funzionare a tensioni significativamente più elevate rispetto a strutture analoghe in silicio.
Condensatori del circuito intermedio
Il termine "circuito intermedio" viene utilizzato per descrivere il punto in cui si incontrano due stadi di conversione dell'energia e un dispositivo di accumulo dell'energia (cioè il condensatore) funge da buffer per ciascuno di essi, attenuando gli impulsi e riducendo l'ondulazione da picco a picco. Esistono diversi tipi di condensatori che possono essere utilizzati nelle applicazioni di trazione dei veicoli elettrici e possono essere suddivisi in due gruppi principali: condensatori elettrostatici ed elettrolitici.
Sebbene i condensatori elettrolitici siano la scelta più diffusa per le applicazioni di azionamento dei motori convenzionali, la loro breve durata, la limitata capacità di conduzione della corrente e il funzionamento a bassa frequenza non li rendono adatti all'uso come condensatori del circuito intermedio negli inverter EV.
I condensatori elettrostatici, invece, hanno una struttura non polare in cui vengono utilizzati film plastici e ceramica come dielettrici. I condensatori con dielettrico in film plastico (in particolare polipropilene) hanno una resistenza di serie equivalente (ESR) molto bassa, grazie al fatto che la corrente non deve passare attraverso un elettrolita. I condensatori elettrostatici possono essere prodotti con tensioni molto elevate e possono essere utilizzati sia in circuiti CA che CC.
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