Elementi per l’azionamento nei veicoli Elettrici e Ibridi

Elementi per l'azionamento nei veicoli Elettrici e Ibridi

Elementi per l’azionamento nei veicoli Elettrici e Ibridi

LA BATTERIA DEI SERVIZI

Ogni veicolo ibrido, ad oggi dispone anche di una batteria da 12V di tipo AGM al piombo acido con tecnologia VRLA, comunemente chiamata batteria ausiliaria o dei servizi. L’elettrolita in questo tipo di accumulatori, è assorbito in separatori costituiti da un massa spugnosa in fibra di vetro. Questa soluzione permette di ridurre la quantità d’idrogeno e degli altri gas, che vengono rilasciati durante la reazione chimica, che viene a crearsi durante un’eventuale sovraccarica. In ogni caso questi gas vengono espulsi attraverso le valvole di pressione presenti sulla batteria e condotti all’esterno mediante un tubicino posto sulla carcassa della batteria. La batteria ausiliaria, in questo tipo di autoveicoli è necessaria per alimentare e sostenere il sistema elettrico tradizionale (fari, autoradio, luci abitacolo) ed avviare l’elettronica di bordo. Nei veicoli ibridi la batteria ausiliaria non necessariamente serve ad avviare il motore. Sulla batteria ausiliaria, possiamo trovare un sensore di temperatura, il quale, comunicando con la ECM, permette attraverso un algoritmo di calcolare lo stato di carica.

SUPERCAPACITORI

Il supercapacitore o supercondensatore, è un particolare tipo di condensatore che può accumulare una quantità di carica elettrica decisamente più grande rispetto ai condensatori tradizionali. L’ultracapacità a bordo di un veicolo, utilizzata per prima nell’ambiente automotive dal gruppo PSA, viene chiamata anche e-booster, ed è formata da una serie di 2 condensatori che, durante la fase di avviamento forniscono una sovra potenza per garantire all’alternatore, la coppia necessaria (circa 50Nm) per l’avviamento del motore.

L’ultracapacità è sempre gestita elettronicamente sia per il controllo dell’energia immagazzinata sia per il mantenimento della tensione. Nel caso del gruppo PSA, l’ultracapacità si trova sotto il parafango anteriore sinistro dell’auto, ed è composta da due elettrodi porosi, in carbone attivo impregnato di elettrolito: l’Acetonitrile.  Il singolo supercondensatore ha una capacità di 1200F e una tensione di circa 5,4V, che può garantire fino a 4 ravviamenti senza ricarica ed una potenza supplementare di 4Kw. La sua durata di vita è di 15 anni o 240000 km secondo l’utilizzo del veicolo. Se viene superata una delle due previsioni, verrà memorizzato un errore che andrà a disabilitare la funzione Start&Stop. Come detto precedentemente, l’ultracapacità contiene due supercondensatori posti in serie, contenenti ACETONITRILE (cianuro di metile), liquido tossico per inalazione, ingestione e contatto con la pelle. I suoi vapori sono irritanti ed un’esposizione a quantitativi elevati può portare a gravi problemi respiratori e neurologici. Se assunto dall’organismo umano esso viene metabolizzato come acido cianidrico, i sintomi che si manifestano possono essere una sensazione di ebrezza accompagnata da emicranie, difficoltà di respirazione e senso di soffocamento, perdita di conoscenza.

BATTERIA DI TRAZIONE

I veicoli ibridi che permettono la trazione elettrica sia pura che di supporto, sono dotati di accumulatori elettrochimici comunemente chiamati Batterie di trazione o Batterie HV. Le batterie di trazione, sono composte da celle collegate in serie entro dei moduli. Ogni modulo è collegato in serie al modulo successivo, fino a chiudere il circuito, ottenendo cosi la somma delle d.d.p. di ogni singolo modulo. Le tensioni erogabili dalle batterie di trazione possono variare dai 60V (ad esempio la Renault twizy), fino ad arrivare ai 288V (Lexus Rx400h)

La batteria ideale per i veicoli ibridi dovrebbe avere una elevata densità di energia, una lunga vita elettrica, un ampio range di temperatura, un basso tasso di auto scarica, una bassa resistenza interna, nessun effetto memoria, veloce nella ricarica, basso costo…..

Le tecnologie di batterie di trazione prodotte ed utilizzate per i veicoli ibridi ad oggi, sono 2

  • Batterie al litio
  • Batterie al nichel-metallo idruro

Le batterie HV, sono dotate di un sezionatore che, qualora venisse rimosso, andrebbe ad aprire il conduttore che collega in serie tutti i moduli, azzerando così il potenziale ai morsetti. Questa operazione di sezionamento è indispensabile ogni qualvolta si debbano fare degli interventi su componenti potenzialmente in tensione sui veicoli ibridi. Ogni veicolo ibrido è dotato di un indicatore che segnala lo stato di pronto del veicolo, ovvero che il veicolo è pronto a muoversi. Questo indipendentemente che il motore sia acceso o spento.

BATTERIA DI TRAZIONE AL LITIO

Le batterie agli ioni di litio già ampiamente su tutti i dispositivi elettronici hanno iniziato ad essere impiegate anche sui veicoli ibridi ed elettrici. Questo tipo di batterie grazie alle capacità degli ioni di litio di immagazzinare una maggior quantità di carica rispetto ad altri accumulatori, sono di conseguenza più leggere e compatte. Una batteria agli ioni di litio produce una differenza di potenziale nominale fra i poli di 3,6V, quindi occorrono meno moduli rispetto a batterie al Nichel-metal idruro o simili, con il risultato di avere minori ingombri e peso. Un esempio di veicolo dotato di batteria al litio è la Prius Plug-In che può percorrere circa 20km ad una velocità massima di 100km/h, in modalità puramente elettrica.

BATTERIE AL NICHEL-METALLO IDRURO “Ni-MH”

La tecnologia NiMH, è stata sviluppata dalla Matsushita (gruppo Panasonic) che ancora oggi le produce per tutto il gruppo Toyota. La stessa tecnologia è comunque utilizzata in altri veicoli ibridi (Honda Insight, Civic Hybrid). Ogni batteria, produce una differenza di potenziale nominale fra gli elettrodi di circa 1,2V. Nelle batterie di trazione, le batterie vengono collegate in serie entro dei moduli, a loro volta collegati in serie. Per salvaguardare e garantire nel tempo, le migliori condizioni di funzionamento delle batteria HV, i veicoli ibridi adottano un sistema definito Hybrid Battery System, che tradotto letteralmente significa, sistema batteria ibrida. Questo sistema, monitora i parametri di funzionamento della batteria (temperatura, tensione, assorbimento, resistenza interna delle celle, tensione di ogni cella, ecc.)  e li invia ad una gestione elettronica che ne calcola costantemente lo stato di carica e la tensione di ricarica, per il mantenimento o per la rigenerazione dell’elettrolita.

INVERTER E CONVERTER

Elementi per l'azionamento nei veicoli Elettrici e IbridiNei veicoli ibridi ed elettrici è di vitale importanza, la trasformazione energetica. I dispositivi a bordo del veicolo, che si devono assolvere tali funzioni vengono di solito racchiusi in un unico complessivo chiamato Gruppo inverter, all’interno del quale esiste sia un dispositivo che converte la tensione continua in alternata ed uno che innalza o abbassa la stessa tensione, per ottemperare alle richieste del veicolo che viaggia su strada. I dispositivi in grado di trasformare la tensione CC in AC e viceversa, prendono il nome di inverter. I dispositivi in grado di innalzare o abbassare una tensione, prendono il nome di Converter o Buck-Boost converter. Con il termine convertitore Buck-Boost si intende un convertitore DC/DC che può avere una tensione d’uscita continua di valore maggiore o minore del valore della tensione in ingresso.

INVERTER

in ogni veicolo ibrido od elettrico, è presente un dispositivo in grado di trasformare una tensione in ingresso in un’altra. I motori montati su questi veicoli sono sempre motori sincroni trifase in corrente alternata. Ciò significa che siccome dalla batteria HV esce una tensione continua, ci dovrà essere un dispositivo, posto tra la batteria e il motore elettrico, in grado di trasformare questa tensione in una tensione utile al funzionamento del veicolo. Il dispositivo in grado di operare questo tipo di trasformazione energetica, prende il nome di inverter.

CONVERTER DC/DC

In alcuni veicoli ibridi (Prius ad esempio), non è presente l’alternatore, per cui è necessario ricorrere all’elettronica per simulare il lavoro. Il convertitore DC/DC, converte una tensione continua in un’altra di diverso potenziale. In questo caso appunto, fornisce i 14V per la ricarica della batteria ausiliaria e per sostenere l’alimentazione dei vari dispositivi di bordo. Nel caso di una Prius, se la batteria non dovesse ricaricarsi, è importante ricordare che i 14V, sono il risultato della riduzione della tensione nominale della batteria HV.

BUCK/BOOST CONVERTER

In alcuni sistemi, la tensione della batteria, prima di essere convertita in alternata, deve essere innalzata. Il componente che si occupa di questa trasformazione, prende il nome di Buck/Boost Converter bidirezionale, ovvero un dispositivo in grado di innalzare o abbassare la tensione nominale in continua in uscita dalla batteria HV, ad un’altra tensione sempre in continua.

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