Come funzionano i veicoli elettrici?

Prima di addentrarci nel funzionamento interno di una batteria EV, è utile capire le differenze fondamentali tra un veicolo elettrico (EV) e uno con motore a combustione interna (ICE). 

Se si osservasse un veicolo elettrico e uno a combustione interna uno accanto all'altro, non si riuscirebbe a distinguerli: quattro ruote, un tetto, un bagagliaio e delle porte. Ma se si guarda sotto il cofano, ecco che compaiono le differenze. 

I veicoli tradizionali a benzina e diesel utilizzano un motore a combustione interna (ICE) per bruciare il carburante, spingendo l'energia nel motore per far girare le ruote. Questo processo è rumoroso, utilizza molte parti in movimento e si basa sulla combustione di combustibili fossili. 

Sappiamo tutti che la combustione di combustibili fossili (come il petrolio) produce anidride carbonica (CO2), ma conoscete gli altri gas nocivi che si trovano nei gas di scarico? 

• Ossidi di azoto (NOx) - sono un gruppo di gas prodotti dal processo di combustione, il cui principale responsabile è l'ossido nitrico (NO). Questi gas sono altamente reattivi e contribuiscono all'inquinamento atmosferico e allo smog nelle città. 

• Anidride solforosa (SO2) - un gas incolore che può causare una serie di problemi ai polmoni. Quando l'SO2 viene bruciato, si produce acido solforoso che contribuisce alle piogge acide e allo smog. 

• Monossido di carbonio (CO) - incolore e inodore, il CO è altamente tossico per l'uomo. Sebbene i moderni motori a combustione interna ne producano solo una piccola quantità, i rischi e i sintomi associati all'avvelenamento da CO possono essere gravi. 

• Benzene (C6H6) - gas altamente infiammabile, sebbene il benzene sia naturalmente presente nella benzina e nel gasolio, un'esposizione prolungata può provocare anemia e leucemia.

Purtroppo, l'elenco sopra riportato non è esaustivo. Ci sono molti altri gas nocivi prodotti dai motori a combustione interna. E i veicoli elettrici? 

Non sorprende che i veicoli elettrici siano molto meglio per l'ambiente e per la salute. Costruiti senza motore o tubo di scappamento, i veicoli elettrici producono zero fumi di scarico e sono molto più efficienti. Una boccata d'aria fresca (letteralmente). 

Ma come è possibile? 

La risposta a questa domanda si trova nella fonte di energia di un veicolo elettrico: la batteria.

Le batterie agli ioni di litio (o Li-ion) sono il motore della maggior parte dei veicoli elettrici. Sono il cuore del veicolo e sono l'unica ragione per cui i veicoli elettrici possono essere ricaricati numerose volte. 

Fatti cosmici…

Esistono due tipi di batterie per veicoli elettrici: agli ioni di litio e al nichel-metallo idruro. Gli ioni di litio sono utilizzati da tutti i produttori, tranne Toyota. Sebbene siano più economiche da produrre, le batterie al nichel-metallo idruro non hanno la stessa densità energetica di quelle agli ioni di litio, il che significa che non sono in grado di immagazzinare altrettanta energia.

Sebbene il nome possa trarre in inganno, le batterie agli ioni di litio contengono diverse materie prime, tra cui litio, cobalto, grafite e nichel. Questi materiali vengono estratti in diversi Paesi - dal Sud America all'Indonesia - e raffinati in composti chimici sicuri utilizzati nelle celle delle batterie. 

Sfortunatamente, il processo di estrazione e produzione non è economico: il prezzo di una batteria EV è sceso di circa il 90% negli ultimi dieci anni, ma si aggira ancora intorno ai 5.223 euro. Anche se costoso, dovrebbe continuare a ridursi man mano che si reperiscono materiali alternativi e si sviluppano progetti per la produzione di massa. Più le batterie diventano economiche, più lo saranno anche i veicoli elettrici.

Nell'improbabile caso che la batteria del tuo veicolo elettrico si guasti entro il periodo di garanzia (in genere 8 anni), niente panico. La garanzia dovrebbe coprire eventuali riparazioni o sostituzioni, quindi non dovrete ripescare i 5.000 euro nascosti sotto il materasso!

Fatti cosmici…

Quando i veicoli elettrici sono arrivati sul mercato, era prassi comune per i produttori vendere l'auto affittando la batteria per ridurre i costi. Sebbene il leasing delle batterie sia ormai raro, immaginate di vendere un'auto con un leasing della batteria non negoziabile!

Per saperne di più sul processo di produzione e riciclaggio delle batterie EV, consultate il nostro blog: La vita di una batteria EV.

Una batteria EV può essere suddivisa in tre componenti: 

• Una cella - una singola batteria agli ioni di litio.

• Il modulo - più celle disposte in una forma particolare (parallela o in serie).

• Il pacco - il prodotto finito, assemblato collegando più moduli con sensori termici e racchiuso in un telaio protettivo. 

È opinione comune che i veicoli elettrici siano alimentati da un'unica batteria di dimensioni gigantesche: in realtà, le celle che alimentano il veicolo sono centinaia. Ad esempio, il pacco batterie della Nissan Leaf contiene 192 celle disposte in 24 moduli. Ma come fanno queste celle a immagazzinare energia? 

Qui la questione si fa un po' tecnica... e chimica... resta con noi! 

Una batteria agli ioni di litio contiene due tipi di elettrodi: anodo e catodo. 

Grazie alla loro notevole capacità di immagazzinare ioni di litio (energia) durante la carica, questi elettrodi sono il motivo principale per cui le batterie agli ioni di litio vengono utilizzate nei veicoli elettrici. Rispetto ad altri tipi di batterie (come quelle al nichel-metallo idruro), le batterie agli ioni di litio hanno una densità energetica quasi doppia (Wh/kg) a fronte di dimensioni molto più ridotte. In sostanza, ciò significa che i veicoli elettrici possono immagazzinare grandi quantità di energia in un pacco batteria compatto.

Fatti cosmici…

Diciamo compatto, ma i pacchi batteria dei veicoli elettrici sono in genere la parte più pesante di un veicolo. Ad esempio, la batteria della Tesla Model 3 contribuisce al 26% del peso totale, con 480 kg.

Durante la guida di un veicolo elettrico, le celle si scaricano. Quando un EV attinge all'energia del suo pacco batterie, gli ioni di litio immagazzinati si spostano tra i due elettrodi (dall'anodo al catodo), creando energia sotto forma di elettricità. È così che un veicolo elettrico può muoversi.

Quando si carica un veicolo elettrico, il processo si inverte. 

Purtroppo, a causa della chimica delle batterie agli ioni di litio, la batteria si degrada con il tempo e con diverse sessioni di ricarica. 

Si prevede che le batterie allo stato solido saranno la prossima grande novità nell'evoluzione dei veicoli elettrici. Anche se in fase di sviluppo, si stima che le batterie allo stato solido possano superare di gran lunga l'attuale tipo di batteria agli ioni di litio, con prestazioni che rimarranno al massimo dell'ottimizzazione per 30 anni! Questo avrebbe anche un impatto sull'autonomia di un veicolo elettrico, con alcuni rapporti che stimano un aumento di circa il 50%. 

Con molti grandi produttori che stanno studiando le batterie allo stato solido, non dovrebbe passare molto tempo prima che arrivino sul mercato...

Se hai mai guidato un veicolo manuale, la sensazione di traballare quando si cambia marcia vi sarà fin troppo familiare - ma sapete perché succede? 

In parole semplici: i motori a combustione interna non sono efficienti. Invece di avere potenza immediatamente disponibile, un motore a combustione interna per frenare e accelerare brucia carburante per far coincidere i giri con la velocità di guida. Ciò significa che sono necessarie marce per trasmettere la potenza del motore (in piccole quantità) al resto del veicolo. 

Poiché i motori EV girano molto più rapidamente, la potenza viene raggiunta quasi istantaneamente. Ciò significa che i veicoli elettrici non hanno uno specifico "intervallo di giri" per la guida e non hanno bisogno dell'assistenza delle marce per trasferire la potenza al resto del veicolo: il motore ruota in un senso per andare avanti e nell'altro per fare retromarcia. 

Come influisce questo sull'esperienza di guida? La rende molto più fluida! Poiché l'accelerazione è ininterrotta, la guida EV offre prestazioni ottimali. Quindi, puoi dire addio alle marce (e al cambio!) e dare il benvenuto alla guida a marcia singola.

Fatti cosmici…

La trasmissione monomarcia non è la stessa cosa della trasmissione automatica, poiché questa utilizza ancora le marce per guidare a velocità diverse! I veicoli elettrici passano da "parcheggio" a "guida" e "retromarcia" premendo un pulsante: non c'è alcuna trasmissione.

Probabilmente avrai già sentito il termine "frenata rigenerativa", ma cosa significa? Frenare è frenare, giusto? Quanta differenza può esserci tra una frenata EV e una ICE? A quanto pare, molta. 

Come abbiamo già detto, i veicoli ICE sono inefficienti e il loro meccanismo di frenata non fa eccezione. 

Quando un veicolo si muove, accumula energia cinetica e, come ti diranno i libri di fisica, l'energia deve andare da qualche parte. Purtroppo, nella frenata meccanica (utilizzata nei veicoli ICE), l'energia cinetica viene rilasciata come prodotto di scarto sotto forma di calore. Per questo motivo i dischi dei freni si surriscaldano e si usurano nel tempo. 

Fortunatamente, i freni EV funzionano in modo diverso. Invece di convertire l'energia cinetica in un prodotto di scarto, la frenata rigenerativa la converte in energia elettrica, che viene poi immagazzinata nella batteria. Non solo è più efficiente, ma migliora anche l'autonomia del veicolo, poiché l'energia viene reimmessa nella batteria. 

Come funziona in pratica? 

Supponiamo che tu stia guidando lungo la strada e che il semaforo inizi a diventare giallo - inizi a premere il pedale del freno. Quando il pedale del freno viene premuto, l'energia cinetica che muove il veicolo viene trasferita al motore, che rallenta il veicolo. Mentre il motore ruota, produce elettricità che viene reimmessa nella batteria del veicolo elettrico, pronta per essere utilizzata quando il semaforo diventa verde e il veicolo accelera.

Fatti cosmici…

Sebbene i veicoli elettrici utilizzino la frenata rigenerativa, sono comunque dotati di un sistema di frenata idraulica per sicurezza (in caso di guasto elettrico) e per evitare che il veicolo si muova da fermo (quando non c'è energia cinetica).

Chi ha detto che la frenata non può essere interessante?