L’energia immagazzinata più assumere molte forme e i produttori di veicoli elettrici stanno iniziando ad apprezzare le sue diverse sfaccettature

Rispetto ai combustibili fossili, l'elettricità è pulita, può essere immagazzinata senza problemi ed essere prodotta a partire da fonti rinnovabili. Inoltre, è più facile da generare a patto di disporre delle apparecchiature adatte.

Poiché i motori elettrici sono anche ottimi generatori, sarebbe senza dubbio utile sfruttare la quantità di moto di un veicolo per caricare la batteria. Questo è il principio alla base della frenata rigenerativa, ma ovviamente è necessario porsi alcune domande circa il suo livello di efficienza e in che modo questa modalità di frenata possa fare la differenza.

L'impatto dell'elettrificazione è sicuramente significativo, in particolare in un momento come questo in cui i principali OEM si stanno confrontando con agguerrite start-up. Non vi è comunque dubbio che l'era dei veicoli completamente elettrici si sta rapidamente avvicinando.

In alcuni Paesi, in particolare in quelli dove leggi o incentivi governativi influenzano le decisioni di acquisto dei consumatori, si è assistito a una progressiva diminuzione delle vendite dei veicoli alimentati a diesel o benzina a favore di macchine, bus e camion elettrici. Si tratta di un evento ancora più significativo tenendo conto del fatto che nella maggiori parte dei questi Paesi l''infrastruttura di ricarica non è stata ancora completata.

Ansia da autonomia: un problema reale?
L'accesso a punto di ricarica rapida ad alta potenza – e anche a bassa potenza – è un problema reale per tutti gli automobilisti. La cosiddetta ansia da autonomia (range anxiety) è spesso considerata la causa principale del mancato acquisto di un veicolo di tipo plug-in. Alcuni analisti di settore ritengono che l'ansia da rifornimento sia nel migliore dei casi esagerata, se non addirittura una leggenda senza fondamento. Ma potrebbe celarsi della logica dietro tutto ciò.

L'autonomia, per esempio, è sostanzialmente l'energia disponibile rapportata ai consumi. Lo stesso vale ovviamente per i motori a combustione interna: un sensore misura la quantità di carburante presente nel serbatoio mentre un altro sensore misura la velocità con la quale fluisce nel motore. La maggior parte dei guidatori è consapevole del fatto che si tratta di un'indicazione valida solo per le condizioni di guida attuali. Nel caso sorgessero dubbi, il guidatore può selezionare la modalità che mostri istantaneamente i chilometri percorsi per ogni litro di combustibile mentre il veicolo stia risalendo una ripida collina. E' assai probabile che il dato diminuisca rapidamente. Non appena il veicolo raggiunge la cima della collina e inizia la discesa, il numero di chilometri percorsi per ogni litro di carburante inizierà ad aumentare (diminuiranno i consumi).

In una situazione come quella appena descritta, ciò che non è destinata ad aumentare sarà sicuramente la quantità di carburante rimasta nel serbatoio. In un tradizionale veicolo con motore a combustione interna (ICE) l'energia consumata per risalire la collina è stata definitivamente spesa. L'energia potenziale acquisita durante la salita viene rilasciata durante la discesa senza produrre alcun effetto utile. In altre parole, non è possibile reimmettere carburante nel serbatoio durante la decelerazione che viene effettuata quando un veicolo scende da una ripida collina.

Per un veicolo elettrico la situazione è invece diversa. Quando un veicolo elettrico decelera, il motore si trasforma da consumatore a produttore di energia, un fenomeno che viene denominato dai produttori frenata rigenerativa, anche se in realtà il guidatore potrebbe non aver premuto il pedale del freno. Le ruote trasferiscono l'energia cinetica immagazzinata nel veicolo al motore elettrico. Questa energia può quindi essere gestita in modo opportuno e reimmessa nella batteria. Percorrendo in discesa un numero sufficiente di colline senza risalirne alcuna, la batteria non sarà mai scarica. Si tratta, naturalmente, di un'altra dimostrazione dell'impossibilità del moto perpetuo.

Un moto (quasi) perpetuo
Anche se potrebbe non essere possibile percorrere in discesa un numero di colline superiore a quello delle colline percorse in salita, esiste un altro modo per utilizzare la potenza recuperata e reimmetterla sotto forma di energia nella batteria del veicolo elettrico. Quando si traina un veicolo elettrico, la potenza viene trasferita nella batteria dello stesso. Il recupero dell'energia è un fattore che molti produttori di automobili stanno iniziando a sottolineare nelle loro campagne di marketing, anche se l'efficienza non viene evidenziata. Probabilmente si ritiene che l’efficienza dell’inverter sia la stessa anche in modalità di recupero dell'energia, un'ipotesi questa cha va comunque verificata.

In realtà, l'efficienza dell'inverter non è necessariamente la stessa quando opera in modalità inversa, ovvero come raddrizzatore. L'energia immagazzinata nella batteria è sotto forma di corrente continua (DC). In ogni caso il sistema di trazione (drivetrain) utilizzerà molto verosimilmente un motore a induzione in corrente alternata (AC) per cui è necessario il ricorso a un inverter. La corrente continua in uscita dalla batteria viene trasformata in una corrente alternata (solitamente trifase) dall’inverter. Quando la vettura inizia a decelerare, l’inverter cambiare rapidamente modalità e inizia a funzionare in modalità inversa, convertendo la corrente alternata proveniente dal motore di nuovo in corrente continua e ricaricando così la batteria.

Anche se il moto perpetuo è un’utopia, il recupero dell’energia ha tutte le potenzialità per avvicinarsi molto a questo concetto. La perdita principale avverrà molto verosimilmente sotto forma di calore. In questo specifico caso si tratta del calore generato dai transistor di commutazione nel circuito dell’inverter. Questo calore è una conseguenza delle inefficienze del transistor in fase di commutazione.

Rendere più efficiente la frenata rigenerativa
In quest’area le nuove tecnologie hanno sicuramente un impatto reale positivo. Oltre agli inverter, i veicoli elettrici spesso richiedono la presenza di raddrizzatori per caricare la batteria da una rete di alimentazione AC domestica. In entrambi i casi, i transistor di potenza ad alte prestazioni sono componenti critici per determinare l’efficienza complessiva.

Il raddrizzatore utilizzato nel caricatore è frutto di un progetto sviluppato “ad hoc”, ovvero ottimizzato per la carica e non per la ricarica. In modo del tutto analogo, l’inverter del motore è ottimizzato per il pilotaggio del motore stesso. Quando inverte la sua modalità di funzionamento agendo come raddrizzatore, è assai poco probabile che la sua efficienza sia la stessa. Ciò significa quindi non poter sfruttare appieno i potenziali vantaggi offerti dalla frenata rigenerativa.

La buona notizia è rappresentata dal fatto che con scelte progettuali adeguate, l’inverter può comportarsi anche come un raddrizzatore efficiente quando opera in modalità rigenerativa. I livelli di efficienza sono intimamente legati al fattore di potenza (PF – Power Factor): quando PF è uguale a 1 il circuito opera in modalità inverter, mentre quanto PF è uguale a -1 il circuito opera in modalità raddrizzatore.

Nei progetti degli inverter si utilizzano solitamente transistor di potenza come FET o IGBT. Mediante la caratterizzazione del funzionamento del circuito, è possibile calcolare le perdite dei transistor di commutazione per ogni valore del PF. La principale perdita da tener presente quando si modifica il PF è la perdita per conduzione inversa. A tale perdita è associato un parametro, la carica di recupero inversa, che influenza il resto delle perdite di commutazione del circuito.

Nuove tecnologie per migliorare l’efficienza
Una tecnologia che ha ottenuto una particolare attenzione per il progetto degli inverter destinati ai veicoli elettrici è sicuramente il carburo di silicio (SiC). Una società attiva in questo settore, UnitedSiC, ha già contribuito a modificare radicalmente il modo in cui operano gli inverter nei caricatori off-board (ovvero non integrati nel veicolo), utilizzando i propri FET in carburo di silicio al posto di IGBT e diodi. In parte, l’aumento dell’efficienza è dovuto alla carica di recupero inversa veramente minima dei FET SIC rispetto a quella dei componenti tradizionali. Questa stessa tecnologia ha un potenziale simile per incrementare l’efficienza del raddrizzatore, rendendo in tal modo la frenata rigenerativa una valida opzione per ottimizzare l’autonomia dei veicoli elettrici.

Considerazioni conclusive
Nel momento in cui il mondo si sta sempre più “elettrificando”, la frenata rigenerativa può essere molto più di un semplice espediente. Essa potrebbe contribuire a mitigare l’ansia da autonomia e i guidatori potranno così andare alla ricerca di una ripida collina per poter eseguire una decelerazione invece che dirigersi verso la più vicina stazione di rifornimento!

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