#Come funzionano le auto elettriche?

Come funzionano le auto elettriche?

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Come funzionano le auto elettriche.

Negli ultimi anni, prima timidamente, poi in modo sempre più evidente, si sono affacciate sul panorama automobilistico sempre più auto a trazione elettrica, alcune non troppo interessanti, altre con caratteristiche degne di nota. Basta citare Tesla ed i valori di accelerazione di alcuni suoi modelli per fare un esempio. Auto a trazione elettrica con accelerazioni simili a quelle che possono essere generate da auto sportive, accelerazioni che possono addirittura infastidire i passeggeri, sicuramente quelli non abituati ad un calcio nella schiena che nemmeno auto supersportive “tradizionali” possono impartire.

Ma veniamo allo scopo di questo articolo, ovvero fare un pochino di chiarezza sul funzionamento dei motori elettrici e fare qualche considerazione tecnica senza però entrare troppo nello specifico, creare appunto un contenuto di informazione non troppo vago ma che possa essere compreso dalla maggioranza degli appassionati di 4 ruote.

Piccola premessa; sfatiamo il mito delle scarse prestazioni.

Molte persone infatti, sono abituate a pensare che auto elettriche siano poco prestazionali rispetto a potenti motori a benzina, magari quelli che equipaggiano auto sportive e supercar. A queste persone vogliamo ricordare le prestazioni dei treni, specialmente quelli di ultima generazione. Treni velocissimi con peso di oltre 450 tonnellate spinti a 300Km/h da motori elettrici con oltre 13.000 cavalli di potenza!

I limiti di potenza dei motori elettrici.

In linea di massima, semplificando molto il discorso e non tenendo in considerazione aspetti troppo tecnici legati ad attriti, rigidità dielettrica, resistenza torsionale ecc, possiamo banalizzare il discorso dicendo che il principale limite di potenza di un motore elettrico è derivante dalla possibilità di dissipazione termica.

Questo per dire che un motore elettrico di dimensioni abbastanza contenute da poter essere installato sotto al cofano di una normale berlina o di un SUV, potrebbe potenzialmente avere prestazioni incredibili se alimentato da una potente fonte di energia. Alimentandolo con alti valori di tensione (V) e di corrente (A), si potrebbe ottenere qualcosa in grado di superare in accelerazione il più performante dei Dragster alimentato da motore a combustione interna.

Ovviamente, anche in questo caso stiamo tralasciando aspetti legati alla motricità ed altri fattori, il paragone serve a fare capire che il limite principale della potenza di un motore elettrico deriva dalla necessità di dissipare molto calore derivante dall'effetto Joule dei conduttori dei vari elementi che lo compongono. Per brevi periodi di tempo, la capacità di erogare coppia e potenza di un motore elettrico è davvero notevole. Ricordiamo poi che il motore elettrico può avere la sua massima coppia motrice già al regime di 0 giri/minuto.

Si, hai capito bene, il suo massimo momento torcente è già disponibile da fermo, il motore elettrico non ha infatti bisogno di un regime minimo di rotazione per il suo funzionamento, non ha cicli fluidodinamici con singole fasi attive (combustione), non ha pistoni in movimento. Si tratta di una macchina reversibile rotante che può partire da fermo già con la sua massima spinta!

Il secondo vero limite delle auto elettriche.

Il secondo fattore che limita le prestazioni (ed ancora di più l'autonomia) delle auto elettriche è il “serbatoio” di energia elettrica, ovvero la batteria di accumulatori che fornisce potenza al motore elettrico per convertire energia elettrica in trazione. I treni citati poco fa infatti, non funzionano a batterie ma tramite connessione ad una linea elettrica a media tensione e corrente relativamente elevata. Non sussiste quindi il problema dell'accumulo di energia elettrica in quanto la generazione è delocalizzata rispetto al punto di utilizzo (posizione del treno) ed è potenzialmente quasi senza limiti. Sulle auto che devono poter circolare liberamente su strada, l'energia è immagazzinata in speciali batterie di accumulatori, elemento determinante – come già detto – per le prestazioni assolute ed ancora di più per l'autonomia, ovvero la capacità di percorrere vari km di strada prima di richiedere una nuova fase di ricarica degli accumulatori.

Come funziona un motore elettrico.

Il motore elettrico ha una architettura diversa in base al tipo di alimentazione, quelli alimentati da tensione alternata sono generalmente quelli che richiedono meno manutenzione e che sono relativamente più semplici rispetto a quelli funzionanti a tensione continua. Analizziamo un piccolo motore elettrico di base montato su modellini di auto sportive telecomandate. Normalmente si ha il corpo del motore con sezione cilindrica all'interno del quale sono fissati i magneti di tipo ceramico o al neodimio, questi magneti servono a generare il campo magnetico fisso dentro al quale ruota l'elemento più importante del motore elettrico; il rotore.

Questo componente include i vari avvolgimenti di filo di rame ed il collettore (se presente, poi torneremo sul punto) il quale serve a creare le varie commutazioni durante la rotazione, fornendo tensione (quindi corrente) ai vari avvolgimenti elettromagnetici che danno origine al momento torcente (coppia motrice). Immaginando il motore tenuto fermo, alimentandolo da tensione elettrica, questa raggiungerà gli avvolgimenti di filo di rame tramite le “spazzole” (elementi conduttivi che strisciano sul collettore) generando una forza magnetica in reazione al campo magnetico fisso imposto dai magneti permanenti con relativa spinta che si tradurrà in rotazione.

Questo tipo di motore ha come principale problema l'usura delle spazzole e del collettore; l'usura è determinata sia da fattori meccanici (attriti per sfregamento), sia da fattori elettrici (micro archi voltaici che si formano a causa delle extra-tensioni inverse per continua commutazione di carichi induttivi). Altro aspetto indesiderato è la dissipazione termica, la corrente, circolando all'interno dei conduttori in rame, determina una dissipazione di potenza determinata dal prodotto del valore della resistenza elettrica dei cavi stessi per il quadrato del valore della corrente che li attraversa.

Anche i piccoli motori elettrici impiegati in modellismo dinamico infatti, hanno problemi legati alla temperatura del motore stesso, pochi minuti di gioco regalati dalla capacità della batteria di accumulatori, portano già il motore a temperature alte, insistendo con l'utilizzo (avendo a disposizione altre batterie cariche) si potrebbe facilmente danneggiare il motore elettrico.

Motori elettrici brushless (senza spazzole).

Motori elettrici più razionali (impiegati appunto sulle auto elettriche stradali) fanno a meno del sistema di commutazione formato da spazzole e collettore rotante. Vengono quindi eliminati alcuni problemi di usura ed affidabilità, il rovescio della medaglia è rappresentato dalle necessità di utilizzare sofisticati sistemi di controllo elettronico del motore. Il motore elettrico senza spazzole, ha normalmente una architettura rovesciata rispetto al motore con spazzole. Il rotore è costituito da semplici magneti permanenti, mentre sullo statore sono fissati i vari avvolgimenti di rame (minimo 3 sui motore per trazione) che vengono pilotati da elettroniche denominate inverter attraverso non 2 ma 3 fili (o più).

Inverter per motori elettrici.

Gli inverter sono delle centraline elettroniche che trasformano la tensione continua proveniente dalle batterie in tensione variabile in ampiezza (in realtà in tempo, tramite PWM) e con una fase di rotazione variabile alla velocità di rotazione del motore. Per fare questo, vi sono dei microcontrollori digitali che generano onde sinusoidali simili a quelle presenti nella normale linea elettrica trifase 400V. La differenza è che gli inverter possono regolare finemente la fase di questa rotazione, determinando con precisione a quale velocità deve ruotare il motore elettrico sincrono brushless.

Altra differenza rispetto alla linea fornita (in Italia) dall'ENEL, è che la stessa fonte di generazione di tensione elettrica (alternatori) crea un andamento sinusoidale del valore di tensione (fisso come frequenza), mentre gli inverter simulano l'andamento sinusoidale accendendo e spegnendo il passaggio di corrente variandone il tempo di apertura e chiusura di interruttori a stato solido (sistema PWM). I sistemi a stato solido sono realizzati da semiconduttori (transistor, Mosfet, HexFET, IGBT) in grado di commutare velocemente e senza usura alti valori di tensione e corrente da fornire agli avvolgimenti in rame del motore.

Modulazione della coppia e della velocità sulle auto elettriche.

Quando si dosa la potenza di un'auto elettrica attraverso il pedale acceleratore, si comunica la posizione del pedale stesso alla centralina di controllo motore (inverter). La centralina interpreta la richiesta di potenza del pilota e inizia a generare una tensione trifase rotante partendo da una frequenza prossima a zero Hertz, salendo progressivamente (assieme alla rotazione del motore, dato che è di tipo sincrono) e – al contempo – regolando il valore del duty-cycle fornito al circuito PWM che andrà a comandare i finali a stato solido (quelli che compiono il lavoro gravoso di commutazione tensione e corrente).

Piccolissimi valori di coppia motrice saranno conseguenza di valori di duty-cycle molto bassi (ad esempio, un duty-cycle del 5% significa che gli avvolgimenti del motore elettrico saranno alimentati per il 5% del tempo del ciclo e spenti per il 95% del tempo del ciclo, mentre un duty-cycle del 75% significa che gli avvolgimenti del motore elettrico saranno alimentati per il 75% del tempo del ciclo e spenti per il 25% del tempo del ciclo). La frequenza di lavoro dell'inverter inseguirà la frequenza di rotazione del motore, la percentuale di carico data dal duty-cycle sarà invece imposta dal conducente dell'auto elettrica in base alla pressione sul pedale acceleratore. Un duty-cycle del 100% corrisponde alla massima erogazione di coppia motrice del motore elettrico.

Riassumendo; cosa limita maggiormente le prestazioni di una auto elettrica? Cosa limita l'autonomia di un'auto elettrica?

Come abbiamo visto, le prestazioni pure (se pure a loro volta limitate dalla capacità in corrente delle batterie) sono limitate dalla capacità di raffreddamento del motore elettrico per dissipazione termica, mentre l'autonomia dipende esclusivamente dalla capacità delle batterie di accumulatori di immagazzinare energia elettrica. La principale sfida per i prossimi anni è legata alla possibilità di creare accumulatori con sempre maggiore capacità e dalla sempre maggiore possibilità di ricaricarli facilmente e velocemente.

Ricordiamo, per completezza di ragionamento, che il pericolo potenziale (o meglio ancora i danni potenziali) sono maggiori quanto maggiore è l'energia immagazzinata sul veicolo, sia questa di origine chimica (benzina, gasolio, altro combustibile), sia questa immagazzinata sotto forma di carica elettrica come avviene appunto sulle auto elettriche. E' infatti intuitivo che un veicolo che immagazzina 300 litri di combustibile sia potenzialmente più pericoloso rispetto ad un veicolo che immagazzina poche decine di litri di combustibile in caso di problemi derivanti da guasti/incidenti. Discorso analogo vale per accumulatori elettrici in grado di fornire poca energia elettrica o molta energia elettrica. Anche sotto questo aspetto, lo sviluppo tecnologico è indirizzato verso una gestione di questa energia sempre più sicura.

Il tuning delle auto elettriche.

Fino ad ora abbiamo parlato di come funziona a grandi linee un'auto elettrica, di come è realizzato un motore elettrico, di come questo venga controllato da apposite elettroniche. Abbiamo anche parlato di prestazioni delle auto elettriche e dei loro limiti in termini di autonomia e di dissipazione termica. Ma cosa sta cambiando nel mondo del tuning auto? Come si potrà intervenire su questi tipi di motorizzazioni e cosa cambierà sul panorama sportivo agonistico?

Per iniziare a rispondere a queste domande, ti invitiamo a leggere il nostro precedente articolo che vede SELETRON uno dei protagonisti di questi cambiamenti... leggi qui >>>> E-STC Series, campionato Super Turismo per auto elettriche



Le auto elettriche.

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