Per ridurre l’inquinamento urbano e per andare incontro agli orientamenti delle nuove legislazioni, sta diventando sempre più importante la propulsione elettrica dei veicoli stradali.

Introduzione

In questi ultimi anni, sta diventando sempre più attuale il problema del contenimento delle emissioni di agenti inquinanti nocivi nei centri urbani allo scopo di migliorare la qualità dell’aria nelle zone densamente popolate. Una delle maggiori cause di questo inquinamento è rappresentata dalle emissioni dei veicoli stradali con motore a combustione interna. Tali veicoli, durante il loro funzionamento, emettono sostanze inquinanti: NO

, particolato, idrocarburi incombusti, CO e zolfo.

Come risposta a tale problema, la maggior parte degli stati a livello mondiale, ha imposto delle restrizioni sulle emissioni di questi veicoli, soprattutto in città.

Per ridurre l’inquinamento urbano e per andare incontro agli orientamenti delle nuove legislazioni, sta diventando sempre più importante la propulsione elettrica dei veicoli stradali.

I tipi di veicolo che utilizzano l’energia elettrica per la trazione sono principalmente due: i veicoli elettrici ed i veicoli ibridi. A questi si aggiungono i veicoli a celle a combustibile che possono essere visti come un sottoinsieme dei veicoli elettrici.

Questi veicoli, in diversa misura, utilizzano nuove tecnologie. Alcuni di essi, quelli a celle a combustibile, per il momento sono solo prototipi, mentre gli altri sono entrati a far parte del mercato da pochi anni, se non da pochi mesi.

Per veicoli elettrici (electric vehicles – EVs) si intendono veicoli in cui la

propulsione è effettuata mediante uno o più motori elettrici, i quali prelevano

Per veicoli ibridi (electric-hybrid vehicles – HEVs) si intendono veicoli in cui sono interessati al flusso di potenza per la propulsione sia un motore elettrico che un motore a combustione interna.

I veicoli elettrici prelevano l’energia elettrica da batterie di accumulatori presenti a bordo, le quali sono caricate di volta in volta tramite la rete elettrica. Questi veicoli sono in commercio già da alcuni anni, anche se sono prodotti in piccole quantità per via della loro limitata competitività;

soprattutto per quanto riguarda l’autonomia ed i tempi di ricarica. La tipologia dei veicoli elettrici è vasta, si possono infatti trovare in commercio biciclette, auto o furgoncini. Molti di essi non hanno una grande autonomia o non sono completamente affidabili. Un veicolo elettrico particolarmente interessante in commercio è il “Piaggio Porter”. Questo veicolo è attualmente oggetto di uno studio, con l’obbiettivo di migliorare l’autonomia e le prestazioni.

I veicoli ibridi utilizzano per la trazione un motore elettrico ed uno a combustione interna. Questi veicoli, rispetto a quelli tradizionali, consentono un sensibile incremento dell’efficienza dello sfruttamento delle risorse primarie ed una ancor più marcata riduzione delle emissioni di agenti inquinanti.

Un’utile caratteristica dei veicoli elettrici ed ibridi consiste nella possibilità di

effettuare il recupero di energia durante la frenata del veicolo. Durante la

frenata dei veicoli a combustione interna, tutta l’energia è dispersa dagli attriti

prodotti dai freni. Nei veicoli elettrici e ibridi, grazie alla reversibilità del

motore elettrico, parte di questa energia è convertita in energia elettrica,

immagazzinata in una batteria e resa disponibile per alimentare il motore

elettrico durante le accelerazioni.

Le batterie rappresentano un componente fondamentale dei veicoli elettrici ed ibridi e la loro corretta scelta e gestione è fondamentale per un corretto funzionamento del veicolo. Inoltre, il costo delle batterie influisce in maniera massiccia sul costo del veicolo. Per questi motivi è indispensabile scegliere per ogni veicolo le batterie più adatte, tenendo conto di tutte le esigenze tecniche, di quelle economiche e soprattutto della sicurezza e dell’affidabilità delle stesse.

Le esigenze che i due tipi di veicolo ha nei confronti delle batterie è differente.

I veicoli elettrici hanno come problema fondamentale quello dell’autonomia, infatti non possono ricaricare le batterie durante il tragitto. Per questo motivo le batterie scelte per tali veicoli devono avere come fattore essenziale una grande capacità. Oltre a questo fattore, le batterie devono essere il più possibile piccole e leggere perché devono essere trasportate ed alloggiate all’interno di un veicolo dove lo spazio a disposizione è limitato. Per questo motivo la caratteristica fondamentale che devono avere queste batterie è un’elevata energia specifica.

Le batterie dei veicoli ibridi devono avere, come caratteristica fondamentale, la capacità di erogare ed accettare un’elevata potenza. Per tali veicoli il problema dell’autonomia di funzionamento elettrico è secondario. Il problema fondamentale si ha quando queste batterie devono assorbire gli elevati picchi di potenza entranti nella batteria durante il recupero di energia in frenata (se presente), e quando devono fornire energia al motore elettrico durante le accelerazioni del veicolo.

Per soddisfare le esigenze dei vari tipi di veicolo, sono disponibili quattro

• Batterie al piombo-acido

• Batterie al nickel-cadmio

• Batterie al nickel-idruro metallico

• Batterie al litio-ioni

• Batterie al sodio nickel cloro

Le batterie al piombo-acido sono quelle in cui la tecnologia è più consolidata, sono ormai anni che sono utilizzate per le più svariate applicazioni, veicolari e non. Il costo di queste batterie, è basso rispetto a quello delle altre tecnologie, presentano però lo svantaggio di avere energia massica e potenza massica basse.

Anche le batterie al nickel-cadmio sono presenti sul mercato da alcuni anni e rappresentano una tecnologia già affermata. Il pregio di queste batterie è quello di avere una elevata vita utile. I problemi collegati a questa tecnologia sono l’alto costo delle batterie, la presenza dell’effetto memoria e soprattutto la presenza del cadmio che produce problemi al livello di inquinamento ambientale.

Le batterie al nichel idruro metallico sono ottime dal punto di vista delle prestazioni, presentano una elevata vita utile oltre che elevata energia massica e potenza massica. I problemi riguardanti questa batteria sono legati al fatto che questa tecnologia non è ancora ben collaudata, presenta l’effetto memoria e richiede una accurata gestione termica per essere esercita in sicurezza.

Anche le batterie al litio presentano elevata vita utile ed elevate energia

massica e potenza massica. Per quanto riguarda la tecnologia legata a questo

tipo di batterie, bisogna fare una distinzione tra le batterie di elevata potenza

adatte per la trazione veicolare e le batterie di piccola potenza adatte per piccoli dispositivi elettronici come: telefoni cellulari, note-book, ecc…

Il problema è legato all’elevato costo dell’energia immagazzinata in batteria.

Per questo motivo, mentre le batterie di piccola taglia sono state sviluppate in modo massiccio, quelle di taglia più grande, adatte alla trazione veicolare, devono ancora essere sviluppate. Le batterie al litio adatte per la trazione, a differenza di quelle di piccola potenza, sono ancora in fase prototipale o quasi, infatti, sono pochi i fornitori che in questo momento riescono a mettere sul mercato queste batterie. Vista la fase di sviluppo di queste batterie va da sé che il prezzo delle stesse è per il momento molto elevato. In ogni caso, date le ottime caratteristiche di questa tecnologia, si prevede che tra qualche anno questa sarà la tecnologia che andrà per la maggiore nell’ambito della trazione elettrica. Ciò sarà vero solamente se si riusciranno a risolvere alcuni problemi legati alla sicurezza ed alla gestione termica di queste batterie.

Le batterie al sodio nickel cloro, dette comunemente “Zebra”, hanno alta densità di energia ed elevate prestazioni. Esse sono nate con lo scopo di raggiungere gli stessi risultati in termini di prestazioni delle batterie sodio zolfo, evitando gli inconvenienti legati alla tossicità di tale composto. La temperatura operativa delle batterie Zebra è compresa nell’intervallo 270-350

°C. Essendo una batteria calda, nonostante gli elevati rendimenti che presenta, non è adatta alle applicazioni dove il veicolo rimane fermo per molto tempo, visto che la batteria deve essere mantenuta ad una temperatura adeguata.

Uno degli scopi della presente tesi è di fornire una panoramica sulle batterie al piombo-acido e su quelle al litio-ioni che rappresentano rispettivamente la tecnologia più consolidata e la più promettente.

Oltre a ciò è stato effettuato uno studio in collaborazione con un costruttore

al piombo presenti su un preciso veicolo elettrico, che nell’arco della tesi

indicheremo con il nome di “veicolo di riferimento”, con delle batterie al

litio-ioni, tenendo conto sia dei costi che delle prestazioni e della affidabilità

del veicolo.