Principali vantaggi e sfide della rivoluzione della mobilità elettrica

Con la crescente popolarità dei veicoli elettrici, la tecnologia dei propulsori elettrici sta avanzando rapidamente, diventando comune in altre applicazioni di mobilità elettrica. I propulsori elettrici si trovano solitamente nelle sedie a rotelle, negli scooter e nei giocattoli cavalcabili per bambini. Tuttavia, la crescente diversità delle soluzioni di propulsori elettrici consente l'espansione delle applicazioni e la sostituzione dei tradizionali motori a combustione interna (ICE) in molti prodotti per la mobilità industriale e di consumo, come scooter, bicilette elettriche, veicoli a guida autonoma (AGV) e macchinari industriali leggeri, ad esempio i carrelli elevatori.

Questo spostamento verso le applicazioni con propulsori elettrici è considerato la rivoluzione della mobilità elettrica. Questa espansione porta a delle sfide che richiedono un'attenta considerazione da parte degli ingegneri per garantire la sicurezza e la funzionalità di queste soluzioni. In questo articolo vengono esaminati i vantaggi e gli svantaggi della mobilità elettrica e dei propulsori elettrici in queste applicazioni.

Che cos’è la mobilità elettrica?

La mobilità elettrica, nota anche come "eMobility", è un passaggio di trasformazione verso l'elettrificazione nei trasporti e nelle applicazioni industriali. La mobilità elettrica sta guadagnando popolarità grazie alla sua sostenibilità, all'efficienza, alla sicurezza e ai vantaggi tecnologici rispetto alle soluzioni di mobilità tradizionali. I dispositivi per la mobilità elettrica possono essere piccoli come uno skateboard o un hoverboard elettrico o grandi quanto navi marittime e attrezzature industriali.

Il concetto di mobilità si estende oltre i singoli veicoli e comprende infrastrutture più ampie, tra cui le reti di ricarica, l'integrazione delle energie rinnovabili, la tecnologia delle reti intelligenti e le infrastrutture di riciclo. Consumatori, industrie e governi di tutto il mondo stanno adottando e incentivando sempre più la mobilità elettrica come strategia chiave per affrontare i cambiamenti climatici, ridurre l'inquinamento atmosferico e rivoluzionare il settore energetico.

I benefici e i vantaggi della mobilità elettrica

Coppia istantanea e prestazioni reattive

Le trasmissioni elettriche, un componente chiave delle soluzioni di mobilità elettrica possono fornire una coppia potente con accelerazione e reattività superiori. Sebbene questa coppia istantanea sia comunemente associata a una maggiore accelerazione, è anche estremamente vantaggiosa per ottenere un migliore controllo della trazione. Questi vantaggi si traducono in migliori prestazioni e maggiore sicurezza in applicazioni quali carrelli elevatori, biciclette e AGV.

Riduzione dell'inquinamento acustico

I veicoli a combustione interna tradizionali generano molto più rumore rispetto alle soluzioni di mobilità elettrica con prestazioni simili. Ad esempio, le auto di Formula 1 generano circa 134 dB durante le gare, con possibili danni all'udito, mentre auto simili di Formula E generano solo 80 dB, ovvero all'incirca lo stesso livello di rumore di una sveglia o un aspirapolvere. Le applicazioni di mobilità elettrica possono essere estremamente vantaggiose in ambienti sensibili o regolamentati, come cantieri edili, aree urbane e ambienti marini.

Efficienza energetica

I propulsori elettrici vantano un'efficienza energetica significativamente più elevata rispetto alle loro controparti con motori a combustione interna. I motori elettrici possono convertire più dell'85% della loro energia elettrica in energia meccanica, mentre i motori a combustione interna convertono meno del 40% della loro energia chimica in energia meccanica. Questa efficienza energetica è particolarmente vantaggiosa in settori come quello manifatturiero e dei trasporti, dove le spese energetiche rappresentano gran parte dei costi operativi. In altre applicazioni, come lo scooter sharing, l'efficienza energetica è fondamentale per soddisfare le esigenze dei clienti e fornire un'intera giornata di trasporto con una singola carica.

Sostenibilità ambientale

Le soluzioni di mobilità elettrica offrono un'alternativa sostenibile ai motori a combustione interna. Ad esempio, i tradizionali motori a due tempi producono livelli molto elevati di emissioni di idrocarburi a quasi 5.500 ppm, rispetto alle emissioni di 850 ppm dei motori a 4 tempi riscontrate nelle automobili. A causa di questa disparità, quasi 20 anni fa, la Environmental Protection Agency (EPA) degli Stati Uniti ha adottato severe restrizioni sulle emissioni dei motori a due tempi.

Moto da cross, ATV, UTV, moto d'acqua, ciclomotori, attrezzature per il prato e altri piccoli dispositivi per la mobilità personale utilizzano tradizionalmente motori a due tempi grazie al loro elevato rapporto peso/potenza e il basso costo. Di conseguenza, nei paesi in via di sviluppo dove questi dispositivi vengono utilizzati più frequentemente sono emersi gravi problemi di inquinamento.

Immagine: Inquinamento atmosferico visibile nella Blue City di Jodhpur, dovuto al numero elevato di veicoli a motore a due tempi

I motori elettrici offrono zero emissioni, fornendo una soluzione immediata. Le soluzioni di mobilità elettrica possono ridurre direttamente il numero di decessi legati agli inquinanti e ridurre drasticamente le emissioni di gas serra in queste applicazioni, rendendole una misura di sostenibilità ambientale praticabile in tutto il mondo.

Le sfide delle soluzioni di mobilità elettrica

Limitazioni dell'infrastruttura

Le soluzioni di mobilità elettrica fanno molto affidamento su una vasta infrastruttura elettrica in grado di supportare la domanda di energia di un'applicazione specifica. Per i piccoli dispositivi di mobilità elettrica di consumo, questa domanda è in gran parte soddisfatta attraverso un'infrastruttura elettrica domestica standard. Ma nelle applicazioni con un elevato fabbisogno energetico, come il settore manifatturiero e quello minerario, l'infrastruttura di ricarica per la mobilità elettrica deve essere ampia e potente per soddisfare le esigenze del settore.

Limitazioni sull'autonomia e la durata della ricarica della batteria

Nonostante i progressi nella tecnologia delle batterie e della gestione dell'energia, le soluzioni di mobilità elettrica hanno una portata limitata rispetto alle fonti di combustibile tradizionali. Dispositivi come imbarcazioni e macchinari marini possono richiedere ricariche frequenti o batterie di capacità maggiore per soddisfare le esigenze operative. Nelle applicazioni con motori più piccoli, come scooter, sedie a rotelle e biciclette elettriche, le batterie di ricambio sono di uso comune.

Fortunatamente, la scelta della tensione e della composizione chimica della batteria appropriate può aiutare a ottimizzare le prestazioni e l'efficienza delle soluzioni di mobilità elettrica. Le diverse composizione chimiche delle batterie offrono una serie di parametri quali densità di energia, potenza in uscita, cicli di vita, stabilità termica, energia specifica e peso, che possono essere utilizzati per configurare una progettazione di un sistema orientata all'applicazione. Nella figura seguente sono mostrati vari tipi di composizioni chimiche delle batterie agli ioni di litio.

Convertitore CC/CC isolato

Ad esempio, le batterie al litio NCA (abbreviazione di ossido di alluminio litio nichel cobalto) possono essere utilizzate per alcuni tipi di veicoli elettrici che richiedono ricariche ad alta potenza nel tempo. Altri veicoli elettrici possono utilizzare fosfato di litio e ferro (LiFePO4 o LFP) data la sua eccezionale stabilità termica e la lunga durata. Nel frattempo, le batterie al titanato di litio (Li2TiO3) o LTO sono termicamente stabili e hanno una durata ancora più lunga, rendendole più comuni nei propulsori elettrici più piccoli.

Inoltre, una corretta selezione della tensione della batteria e dell'hardware di controllo può aiutare a ottimizzare le prestazioni della mobilità elettrica per applicazioni specifiche.

Convertitore CC/CC isolato

L'utilizzo di MOSFET ad alta efficienza e ad alta potenza, come l'NTMFS5C404N di onsemi o l'IPT012N08NF2SATMA1 di Infineon, può ampliare ulteriormente la gamma di dispositivi per la mobilità elettrica, poiché hanno efficienza e densità di potenza maggiori rispetto ai tradizionali dispositivi a base di silicio. I MOSFET SiC consentono sistemi di alimentazione a tensione più elevata, favorendo prestazioni ed un'efficienza complessiva del sistema più elevate ed ampliando la portata del dispositivo e la durata della carica.

Costo iniziale

L'investimento iniziale richiesto per una revisione completa della mobilità elettrica, compresi i singoli dispositivi e l'infrastruttura di ricarica, è sostanziale rispetto ai sistemi ICE. I risparmi operativi a lungo termine possono giustificare la spesa, ma il costo previsto più elevato può scoraggiare l'adozione in ambienti con vincoli di budget, come le industrie a basso margine e i paesi in via di sviluppo.

Nei singoli dispositivi, l'utilizzo di componenti a più alta efficienza, come i più recenti MOSFET a basso RDSon e le batterie agli ioni di litio LTO, può aumentare ulteriormente i costi previsti, ma questa spesa può essere compensata da una migliore stabilità dei costi a lungo termine e da una maggiore durata.

Sicurezza e gestione termica

Nel dicembre 2015, la Consumer Product Safety Commission (CPSC) degli Stati Uniti ha riscontrato delle preoccupazioni riguardanti 12 incendi legati a dispositivi per la mobilità elettrica che hanno causato danni significativi. Tutti i 12 incidenti erano legati agli allora popolari dispositivi "hoverboard", un giocattolo di mobilità elettrica a due ruote e autobilanciato.

Gli hoverboard furono presto associati a episodi di combustione spontanea. Nel luglio 2016 sono stati documentati più di 60 incendi di hoverboard, che hanno causato danni alla proprietà per oltre 2 milioni di dollari. Sorprendentemente, gli incendi causati dagli hoverboard non sono stati associati a casi specifici di utilizzo improprio. Si incendiavano spontaneamente quando non venivano utilizzati, prendevano fuoco durante la ricarica o si surriscaldavano e si incendiavano durante l'uso.

Di conseguenza, è stato creato lo standard UL 2272 per la sicurezza dei dispositivi per la mobilità elettrica personali per garantire che tali dispositivi soddisfino rigorosi standard di sicurezza. Le batterie agli ioni di litio contengono elettrolitici liquidi altamente combustibili e i dispositivi per la mobilità elettrica devono garantire un'adeguata gestione termica e prevenzione dei cortocircuiti per evitare che il dispositivo prenda fuoco. Il monitoraggio termico, i sistemi di raffreddamento e i circuiti di protezione sono fondamentali per mantenere temperature d'esercizio sicure e prevenire guasti catastrofici come quelli riscontrati negli incendi degli hoverboard.

Ancora una volta, la scelta della composizione chimica e dei componenti adeguati della batteria è fondamentale per garantire la sicurezza del dispositivo. Alcune composizioni chimiche delle batterie sono termicamente più stabili di altre, spesso a scapito delle prestazioni o della durata. Inoltre, i dispositivi ad alta efficienza come i MOSFET SiC possono fornire temperature d'esercizio del convertitore più basse, riducendo ulteriormente il rischio di surriscaldamento del dispositivo.

La transizione globale verso la mobilità elettrica

Il panorama in evoluzione dei propulsori elettrici in diversi settori sta inaugurando la rivoluzione della mobilità elettrica. Sebbene tradizionalmente limitati a dispositivi più piccoli, i propulsori elettrici offrono una soluzione moderna alle esigenze ambientali e dei consumatori in un'ampia gamma di mercati della mobilità elettrica, tra cui la mobilità dei consumatori, i macchinari industriali e i trasporti.

Sebbene le soluzioni di mobilità elettrica offrano miglioramenti in termini di prestazioni, efficienza energetica e sostenibilità ambientale, le difficoltà continuano a limitarne l'adozione. Un'attenta considerazione della progettazione e la collaborazione tra ingegneri, consumatori e governi possono favorire l'adozione della mobilità elettrica e limitare l'impatto ambientale di dispositivi storicamente inquinanti. Sfruttando i progressi nella composizione chimica delle batterie, nella tecnologia dei semiconduttori e nell'integrazione dei sistemi, i consumatori e l'industria possono guidare la transizione verso un futuro di mobilità più pulito e sostenibile su scala globale.

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