Veicoli elettrici - la necessità della batteria
Da tempo immemorabile, l’uomo ha inventato nuove macchine per migliorare il suo comfort di vita e per avere più produttività nelle fabbriche. I veicoli elettrici sono nati intorno alla metà del XIX secolo e i moderni veicoli elettrici/ibridi elettrici sono stati sviluppati alla fine del XX secolo. Questi veicoli elettrici sono stati visti come più comodi e più facili da usare rispetto ai veicoli con motore ICE. Ma ora quest’ultimo ha creato un problema ambientale. Nella ricerca odierna di salvaguardare il nostro ambiente e di avere più modi per utilizzare fonti di energia sostenibili e rinnovabili, l’industria automobilistica ha il ruolo più importante da svolgere.
Questa industria è la più inquinante in termini di emissioni di gas di scarico dei loro prodotti. Anche le industrie delle batterie hanno un ruolo importante da svolgere. Sempre più batterie sono utilizzate per applicazioni come veicoli elettrici (Electric vehicles), fonti di energia rinnovabile (RES) come l’energia solare ed eolica. La propulsione elettrica attraverso le batterie aiuta a ridurre il livello di inquinamento nell’atmosfera e i costi operativi. Inoltre, riduce anche la dipendenza dal petrolio greggio. La propulsione elettrica dei veicoli è l’argomento più discusso oggi.
Tutti i produttori di automobili hanno il loro design di veicoli elettrici e batterie per veicoli elettrici (EVB). Anche se la batteria al piombo è stata la batteria EVB più utilizzata fino a tempi recenti, la batteria agli ioni di litio ha ora assunto il ruolo di leader. Ma considerando il costo iniziale e gli aspetti di sicurezza, la batteria al piombo non può essere detronizzata completamente fino a quando il costo del pacco batterie dei veicoli elettrici agli ioni di litio non scenderà a un livello accessibile e gli aspetti di sicurezza non saranno ulteriormente migliorati.
Tutti i produttori di automobili hanno il loro design di veicoli elettrici e batterie per veicoli elettrici (EVB). Anche se la batteria al piombo è stata la batteria EVB più utilizzata fino a tempi recenti, la batteria agli ioni di litio ha ora assunto il ruolo di leader. Ma considerando il costo iniziale e gli aspetti di sicurezza, la batteria al piombo non può essere detronizzata completamente fino a quando il costo del pacco batterie dei veicoli elettrici agli ioni di litio non scenderà a un livello accessibile e gli aspetti di sicurezza non saranno ulteriormente migliorati.
Intorno all’anno 2010, il numero di EV sulle strade si attestava a molto meno di 20.000 nel mondo. Tuttavia, nell’anno 2019, il numero era salito di più di 400 volte ed era vicino ai sette milioni.
Quasi l’80% dei problemi di qualità dell’aria sono legati alle emissioni delle automobili. Nei paesi industrializzati dell’Occidente e del Giappone, è stato stabilito che due terzi del CO, un terzo degli ossidi di azoto e quasi la metà degli idrocarburi erano dovuti alle suddette emissioni. Se questo era il caso delle nazioni industrializzate, non era meglio nei paesi in via di sviluppo dove i controlli ambientali non erano rigorosamente applicati.
I veicoli ICE inefficienti hanno contribuito significativamente all’inquinamento dell’aria anche se la densità del traffico era magra. A parte le ragioni di cui sopra, le emissioni veicolari producono grandi quantità di “gas serra” (GHG), cioè CO2. In media, un’automobile produce quasi quattro volte il suo peso di CO2. Le emissioni dei veicoli sono responsabili del 20, 24 e 26 per cento di tutte le emissioni di CO2 nel Regno Unito, negli Stati Uniti e in Australia, rispettivamente. Tutte queste ragioni e le crisi petrolifere degli anni ’60 e ’70 e del 1973 e ’79 sono state le vere ragioni dello sviluppo dei veicoli elettrici e delle batterie adatte ai veicoli elettrici.
Veicoli elettrici a zero emissioni
Un veicolo elettrico utilizza uno o più motori elettrici alimentati dalle sole batterie per la trazione (veicoli elettrici puri) senza alcun motore a combustione interna (ICE). Quindi non ha emissioni dal tubo di scarico e quindi è noto come veicolo a emissioni zero (ZEEV). I veicoli elettrici ibridi (HEV) hanno due fonti di energia, una ad alto contenuto energetico (combustibile fossile) e l’altra è una batteria ad alto tasso di scarica.
L’argomento dei veicoli elettrici e delle sue varianti è vasto e sarà trattato in dettaglio separatamente. Basta qui conoscere la breve definizione di veicoli elettrici e HEV.
Componenti di veicoli elettrici puri
I. Accumulo di energia elettrica (batteria)
II. Modulo di controllo elettronico (ECM)
III. Un sistema di gestione della batteria (BMS)
IV. Treno di trasmissione elettrico
Ogni auto elettrica ha un indicatore di autonomia, e l’autonomia è visualizzata in modo visibile sul cruscotto. In alcuni veicoli elettrici, le luci iniziano a lampeggiare quando rimangono circa 25 km di autonomia.
Componenti di un veicolo elettrico ibrido convenzionale
I. Accumulo di energia elettrica (batteria)
II. Accumulo di energia chimica (serbatoio del carburante)
III. Treno di trasmissione elettrico
IV. Combustione Treno di trasmissione
Un'introduzione alle batterie per veicoli elettrici
Caratteristiche richieste da una batteria per veicoli elettrici
Ci sono diverse caratteristiche richieste ad una batteria per veicoli elettrici, ma le seguenti sono di primaria importanza e forniscono una valutazione ragionevolmente accurata della fattibilità della batteria.
a. Costo iniziale di acquisto del pacco batterie (costo per kWh, compreso tutto l’armamentario)
b. Energia specifica, che è un indicatore della dimensione della batteria (Wh/kg)
c. Potenza specifica, che è un indicatore dell’accelerazione e della capacità di arrampicarsi (W/kg)
d. Costo operativo (costo/km/passeggero)
e. Lunga durata del ciclo con caratteristiche che non richiedono manutenzione
f. Ricaricabile rapidamente (80% in 10 minuti)
g. Capacità di assorbire correnti elevate durante la frenata rigenerativa.
h. Sicurezza, affidabilità e facilità di riciclo.
Veicoli elettrici e ibridi elettrici
Nei veicoli elettrici puri, la potenza deve essere fornita dalla batteria in modo continuo. La capacità energetica della batteria è progettata in modo da poter fornire questo valore di scarica continua per l’intera gamma progettata dei veicoli elettrici. Di solito, la batteria dei veicoli elettrici non può essere scaricata oltre l’80% della capacità, in modo che il suo stato di carica (SOC) non scenda sotto il 20-25%.
Gamma della batteria dei veicoli elettrici
Questo è per salvaguardare la batteria da una scarica eccessiva e per evitare le difficoltà che si incontrano nel caso in cui la batteria si scarichi eccessivamente. Inoltre, la batteria dovrebbe anche essere in grado di accettare l’input di energia dal sistema di frenata rigenerativa. Se la batteria è completamente carica, l’energia di frenata rigenerativa non può essere accettata dalla batteria.
La tendenza attuale del suddetto tasso di scarica continua è una volta la capacità nominale. Per esempio, se la capacità nominale è di 300 Ah, il tasso di scarica è di 300 ampere. Invariabilmente, la batteria di un veicolo elettrico si scarica completamente una volta al giorno. Naturalmente, riceverà l’energia di ritorno dalla frenata rigenerativa come quando viene applicata.
La percentuale media di energia rigenerativa è di circa il 15%. Questa cifra può arrivare a più del 40% in alcuni casi. La potenza rigenerativa non va oltre i 40 kW. Il suo valore più alto è ad una particolare decelerazione.
Al giorno d’oggi, i produttori di batterie per veicoli elettrici dichiarano una durata del ciclo di circa 1000 a > 10.000 cicli.
Un’auto elettrica richiede nominalmente una batteria da 36 a 40 kWh (capacità di energia utilizzabile) per un’autonomia di andata e ritorno di 300 a 320 km. Ma la maggior parte dei produttori OEM specificano più di questo valore, tipicamente, dal 40 al 60 per cento in più. Questo compenserà l’abbassamento della vita dovuta al ciclismo in modo che anche dopo la durata garantita della batteria, ci sia un margine sicuro di capacità per un normale funzionamento di un EV. La batteria da 96 kWh in un EV ha una capacità utilizzabile di 86,5 kWh.
Anche se le celle Li-ion di oggi forniscono facilmente 170 Wh/kg di energia specifica, l’energia specifica del pacco scende del 35%. Di conseguenza, l’energia specifica complessiva si riduce a 120 Wh/kg. Nel 2019, la percentuale del pacco di componenti non cellulari è scesa a circa il 28% da circa il 35%. Ma le innovazioni tecnologiche come la tecnologia cell-to-pack (eliminando l’agente intermedio, il modulo) possono migliorare ulteriormente l’energia specifica delle future batterie EV. Le attuali caratteristiche di potenza specifica delle batterie EV sono molto soddisfacenti e quindi gli ingegneri e gli scienziati di R&S puntano a energie specifiche più elevate.
Trasmissione elettrica nei veicoli elettrici
I motori di trazione alimentano i veicoli completamente elettrici. Ma ci sono controllori per manipolare le prestazioni dei motori elettrici. Ci sono due tipi di motori elettrici, quelli a corrente alternata e quelli a corrente continua. Questi ultimi sono più facili da controllare e sono anche meno costosi; gli svantaggi sono il loro peso più pesante e il loro volume maggiore. I rapidi progressi nell’elettronica di potenza hanno aggiunto motori a corrente alternata altamente efficienti con una finestra più ampia di gamma operativa, ma, con conseguente costo più elevato. Nei veicoli elettrici, l’input di energia al motore è controllato da un circuito elettronico molto complicato chiamato modulo di controllo elettronico (ECM). L’operatore EV dà l’input attraverso il pedale dell’acceleratore.
Sistema di gestione della batteria (BMS) nei veicoli elettrici
Simile al modulo di controllo elettronico di cui sopra, c’è anche un sistema di controllo per la batteria, chiamato sistema di gestione della batteria (BMS), che controlla le prestazioni della batteria EV. Il BMS può anche avere un’elettronica separata installata a livello delle celle o dei moduli che controlla la temperatura e la tensione delle celle, spesso indicata come una scheda di monitoraggio della temperatura di tensione (VTM).
Oltre a questi, ci sarà un sistema di gestione termica, che può variare da una soluzione passiva come l’utilizzo dell’involucro come dissipatore termico a un sistema di raffreddamento a liquido o ad aria gestito attivamente che forza l’aria raffreddata (o riscaldata) o il liquido attraverso il pacco batterie. Anche gli interruttori per attivare e disattivare il flusso di corrente e il cablaggio fanno parte del sistema. Tutti questi diversi sistemi devono riunirsi in un’unica soluzione di sistema affinché la batteria funzioni in modo sicuro e soddisfi le sue aspettative di vita e di prestazioni.
Storia dell'elettricità, delle batterie e dei veicoli elettrici
Elettricità e batterie
Perché dovremmo discutere la storia della batteria elettrica e dei veicoli elettrici? C’è un vecchio detto: “chi non ricorda il passato è condannato a ripeterlo”. Quindi vale la pena avere una comprensione di base di come si è evoluta la tecnologia. Questo giocherà un ruolo importante nel capire il suo percorso futuro e quali sono stati gli attori chiave nel renderlo veramente di successo. Come affermato da John Warner nel suo libro sulle batterie agli ioni di litio, “le fiere mondiali dell’epoca forniscono una buona rappresentazione della velocità dell’innovazione tecnologica e del cambiamento nel mondo in generale” [1. John Warner, The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design, Elsevier, 2015, pagina 14].
Si può capire che le fiere mondiali fornivano un quadro di quei giorni sullo stato delle diverse tecnologie. Lo sviluppo della tecnologia delle batterie è stato reso possibile solo grazie alla disponibilità, all’espansione e alla crescita dell’elettricità e della rete elettrica di quei giorni. Qui dobbiamo capire che solo a causa della “fornitura” di elettricità è stata creata la “domanda” per la batteria (accumulo di energia). Altrimenti, l’immagazzinamento dell’energia potrebbe non essere emerso affatto.
Sviluppo di batterie per veicoli elettrici
I lettori generalmente pensano alle batterie come a un’invenzione recente; per lo più conoscono le celle Leclanché e le celle al piombo; tuttavia, ci sono prove che le batterie erano in uso nel 250 a.C. circa. Negli anni ’30, un archeologo tedesco stava lavorando in un cantiere a Baghdad e trovò qualcosa che riscrisse letteralmente la storia della batteria Quello che scoprì durante lo scavo sembrava una cella galvanica capace di generare circa 1-2 V di elettricità.
Fino alla metà del 1700 sono stati fatti pochi progressi nello sviluppo delle batterie. Fu nel 1745-1746 che due inventori, in piste parallele ma separate, scoprirono quello che divenne noto come il vaso di “Leyden” per immagazzinare elettricità. Poi sono apparsi negli orizzonti dell’Elettricità e dell’Elettrochimica elettrochimici come Benjamin Franklin, Galvani, Volta, Ampere, Faraday, Daniel e Gaston Planté, per citare alcuni inventori. La seguente tabella illustra in ordine cronologico gli sviluppi delle batterie.
Affascinante storia dello sviluppo delle batterie
Tabella 1 –
| Circa 250 a.C. | Batteria di Baghdad o Parthian (Baghdad) | Gli egiziani probabilmente usavano le batterie per placcare l'argento su gioielli raffinati |
|---|---|---|
| GAP LUNGO | E POCHI PROGRESSI | |
| 1600 | Gilbert (Inghilterra) | Istituzione di uno studio elettrochimico |
| Ottobre 1745 | Kliest, fisico tedesco | Vaso di Leyden |
| 1745-1746 | Lo scienziato olandese Pieter van Musschenbroek dell'Università di Leyden, | Vaso di Leyden |
| Metà del 1700 | Benjamin Franklin | Il termine "batteria" coniato |
| 1786 | Luigi Galvani (1737-1798) | Sono state gettate le basi per la scoperta di una batteria primaria ("Animal Electricity") |
| 1796 | Alessandra Volta (1745-1827) | Scoprì che diversi dischi metallici ("pila di Volta"), se impilati in modo alternato con separatori di pasta umida (saturi di salamoia) interposti tra loro, potevano fornire corrente elettrica significativa in modo continuo |
| 1802 | Cruickshank (1792 - 1878) | Disposizione di fogli di Cu con fogli di Zn di uguali dimensioni in una scatola sigillata. La salamoia era l'elettrolita. |
| 1820 | A.M. Ampere (1755 - 1836) | Elettromagnetismo |
| 1832 & 1833 | Michael Faraday | Leggi di Faraday |
| 1836 | J F Daniell | Cu in CuSO4 e Zn in ZnSO4 |
| 1859 | Raymond Gaston Plantae (1834-1889) (Francia) | Invenzione della cella al biossido di piombo |
| 1860 | Raymond Gaston Plantae (1834-1889) (Francia) | Presentazione all'Accademia di Francia, Parigi |
| 1866 [5] | Werner von Siemens di ingegnere elettrico tedesco | Sviluppo della dinamo elettromeccanica |
| 1873 | Zenobe Gramme, uno scienziato belga | Invenzione del generatore magnetico e del primo motore a corrente continua |
| 1866 Geroge-Lionel Leclanche | Geroge-Lionel Leclanche (Francia) (1839 - 1882) | Invenzione della cella Leclanche |
| 1881 | Camille A Faure (Francia) 1840 - 1898) | Incollaggio di griglie di piombo |
| 1881 | Sellon | Sellon Alloying di piombo con antimonio |
| 1880s- | -- | Le produzioni commerciali sono state avviate in diversi paesi come la Francia, il Regno Unito, gli Stati Uniti e l'URSS. |
| 1881 - 1882 | Gladstone e Tribe | Teoria del doppio solfato per la reazione delle celle acide al piombo |
| 1888 | Gassner (USA) | Completamento della cella a secco |
| 1890s- | -- | Veicoli elettrici su strada |
| 1899 | Jungner (Svezia) (1869-1924) | Invenzione della cella al nichel-cadmio |
| 1900 | Negli Stati Uniti e in Francia | 1900 Illuminazione di case, fabbriche & treni. |
| 1900 | a.Phillipart con anelli individuali | Piastre tubolari per celle al piombo |
| 1900 | b.Woodward | Piastre tubolari per celle al piombo con borse tubolari |
| 1901 | T A Edison (USA) (1847-1931) | Invenzione della coppia nichel-ferro |
| 1902 | Wade, Londra | Libro "Batterie secondarie" |
| 1910 | Smith | Tubi di gomma scanalati (Exide Ironclad |
| 1912 100 EV | Negli Stati Uniti | I produttori hanno costruito 6000 autovetture elettriche e 4000 autovetture commerciali |
| 1919 | G. Shimadzu (Giappone) | Mulino a sfere per la produzione di ossido di piombo |
| 1920 | -- | Uso delle lignine nelle piastre negative delle celle al piombo. |
| Dal 1920 in poi | In tutto il mondo | Applicazioni più recenti come l'alimentazione di emergenza, il condizionamento dell'aria dei vagoni ferroviari e una serie di altri servizi su navi, aerei, autobus e camion |
| 1938 | A.E. Lange | Principio del ciclo dell'ossigeno |
| 1943- 1952 | Levin & Thompson; Jeannin, Neumann & Gottesmann; Bureau Technique Gautrat | Costruzione di nichel cadmio sigillato |
| 1950 | Gorge Wood Vinal | Libro sulle batterie primarie |
| 1955 | Gorge Wood Vinal | Libro sulle batterie di stoccaggio (4a Ed) |
| 1965 | John Devit della Gates Corporation | Proposta di progetto su piombo-acido sigillato batterie |
| 1967 | Il lavoro sulle batterie Ni-MH è iniziato al centro di ricerca di Batelle-Ginevra dopo l'invenzione della tecnologia nel 1967 | |
| 1969 | Ruetschi e Ockerman | Processo di ricombinazione in una cella piombo-acido sigillata |
| Metà del 1970 | - | Sviluppo di laboratori di VR |
| 1971 | Prodotti energetici Gates | D-cell, introdotto da Gate Energy Products (Denver, CO, USA |
| 1973 | Adam Heller | Proposta la cella primaria di cloruro di tionile di litio |
| 1975 | Donald H. McClelland e John Devitt | Batterie commerciali sigillate al piombo-acido basate sul principio del ciclo dell'ossigeno |
| 1979 - 1980 | J.B. Goodenough e collaboratori | Materiali elettrodici positivi che reagiscono con il litio a potenziali superiori a circa 3V, se già contengono litio, e questo litio può essere estratto elettrochimicamente. |
| 1980s- | -- | Nuove leghe di idruro scoperte negli anni '80 |
| 1986 | Stanford Ovshinsky | La batteria Ni-MH è stata brevettata da Ovonics. |
| 1989 - 1990 | -- | Commercializzazione del nichel metallico batteria all'idruro |
| 1991 | Yoshio Nishi | Cella Li-ion |
| 1992 | Yoshio Nishi (Sony Corporation) | Un EV con batteria agli ioni di litio è stato esposto al 30° Tokyo Motor Show nel 1995. |
| 1996 | Goodenough, Akshaya Padhi e collaboratori | Proposta di materiale catodico Li ferro fosfato |
| 1992 | K.V. Kordesch (Canada) | Commercializzazione di celle alcaline ricaricabili al biossido di manganese (RAM) |
| 1993 | -- | OBC ha effettuato la prima dimostrazione al mondo di un EV con Nickel-metal batteria all'idruro nel 1993. |
| 1997 | M. Shiomi e collaboratori, Stoccaggio in Giappone Battery Co., Ltd., Giappone | Aggiunta di maggiori quantità di carbonio sulle applicazioni negative dei sistemi di alimentazione HEV o fotovoltaici. |
| 1999* | -- | Commercializzazione di Li-ion Celle polimeriche |
| 2002 - 2003 D. Stone, E. | M.J. Kellaway, P. Jennings, Crowe, A. Cooper | Scheda multipla VRLAB |
| 2002 | Y. Ogata | Nuova lega di piombo a griglia positiva con aggiunta di Ba Pb-Ca-Sn con Ba |
| 2004 -2006 | Lam e collaboratori, CSIRO Energy Technology, Australia | Batteria Ultra per HEV |
| 2006 | S.M. Tabaatabaai e collaboratori | Materiale di griglia formato da un foglio reticolato tridimensionale fatto di un composto di schiuma organica. Conducibilità elettrica impartita alla griglia di schiuma utilizzando la placcatura di rame |
| 2006 | Changsong Dai e collaboratori | Griglie in schiuma di rame placcato al piombo per piastre negative |
| 2008 | EALABC, The Furukawa Battery Co., Ltd, Giappone, CSIRO Energy Technology, Australia e Provector Ltd., Regno Unito | Batteria Ultra (144V, 6.7Ah) per HEV testata su strada per 100.000 miglia. Le prestazioni superano quelle della batteria Ni-MH |
| 2011 | Laboratorio nazionale Argonne | Materiale catodico nichel-manganese-cobalto (NMC) |
| 2013 | N. Takami et al. | Anodo di ossido di litio e titanio |
| 2018 | N. Takami et al | Anodi TiNb2O7 |
| 2020 | BloombergNEF | Il costo del pacco LIB scende a 176 US$/kWh = 127 costo cella + 49 costo pacco) |
Incredibile storia dei veicoli elettrici!
La storia dei veicoli elettrici è distribuita su un lungo periodo dall’inizio del 19° secolo.
La seguente tabella fornisce i dettagli degli eventi che hanno portato agli attuali EV
Tabella 2
| Inventore | Paese | Periodo | Dettagli | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Anyos Istvan Jedlik | Fisico ungherese | 1828 | Il primo modello di auto elettrica |
| 2 | Thomas Davenport | Un inventore americano | 1834 | Il primo motore elettrico di successo commerciale |
| 3 | Sibrandus Stratingh e Christopher Becker | Professore olandese | 1834-1835 | 1835, triciclo a vapore nel 1834 1835 Un triciclo completamente elettrico dotato di una delle prime batterie |
| 4 | Robert Davidson | Inventore scozzese | 1837-1840 | Costruì le sue batterie nel 1837 e realizzò il suo primo motore elettrico di discrete dimensioni. |
| 5 | Gustave Trouvé | 1881 | Ha migliorato un piccolo motore elettrico sviluppato da Siemens con un accumulatore Starley. Ha installato questo motore su un triciclo inglese, quindi aveva appena inventato il primo veicolo elettrico della storia. | |
| 6 | William Morrison | Gli Stati Uniti | 1892 | Sviluppò la sua carrozza a sei persone e quattro cavalli che poteva raggiungere una velocità massima di circa 14 miglia/h |
| 7 | Henry Ford | Detroit | 1893 | Nel 1893, ha testato con successo un motore a benzina [https://www .history.com/topics/inventions/model-t]. |
| 8 | Henry G Morris e Pedro G Salom | Philadelphia | 1894 | L'Electrobat offriva un business lucrativo, rispetto ai taxi trainati da cavalli, grazie ai suoi minori tempi morti e al maggior numero di viaggi |
| 9 | Bell Laboratories, | Gli Stati Uniti | 1945 | Inventò i tiristori che sostituirono rapidamente i tubi a vuoto |
| 10 | William Shockley | Bell Laboratories, | 1950 | Il raddrizzatore controllato al silicio (SCR) o tiristore |
| 11 | Moll e altri ingegneri dell'energia | Generale Elettrica | 1956 | SCR di William Shockley |
| 12 | General Motors (GM) | General Motors (GM) | 1966 | Electrovan |
Fatti divertenti sui veicoli elettrici!
| Srl No | Dettagli |
|---|---|
| 1 | Negli Stati Uniti la corsa delle auto elettriche ha attirato molti appassionati dal 1897. In quell'anno, la Pope Manufacturing Company aveva realizzato circa 500 EV. |
| 2 | I primi tre decenni del XX secolo (1910-1930) sono stati i periodi migliori per gli EV. Durante questo periodo i veicoli elettrici competevano con i veicoli a benzina Con le strade non asfaltate delle città statunitensi di allora, le loro piccole distanze di guida non erano affatto un problema. Ma, in Europa, a causa delle strade asfaltate che miglioravano i viaggi a lunga distanza, il pubblico voleva auto a lungo raggio, che i veicoli ICE erano pronti a offrire. |
| 3 | Le grandi città degli Stati Uniti iniziarono a godere dei benefici dell'elettricità nel 1910. I piccoli intervalli di guida erano favorevoli agli EV in quei giorni. Gli EV hanno avuto una facile accettazione di mercato con i proprietari di flotte di taxi e furgoni per le consegne. |
| 4 | Tre eventi importanti nella storia dei veicoli ICE hanno dato impulso al loro rapido sviluppo e, contemporaneamente, hanno messo l'ultimo chiodo nella bara degli EV. a. L'introduzione del modello T di Henry Ford "a basso costo e ad alto volume" nel 1908. [https://en .wikipedia.org/wiki/Ford_Model_T] b. Charles Kettering che inventa l'avviamento elettrico dell'automobile nel 1912. c. Il sistema autostradale statunitense iniziò a collegare le città americane |
| 5 | Le preoccupazioni ambientali degli anni '60 e '70 hanno dato un enorme impulso ai lavori di ricerca e sviluppo sugli EVB. La gamma e le prestazioni erano ancora gli ostacoli da superare |
| 6 | Di nuovo le crisi petrolifere del 1973 e del 1979 diedero ancora più incoraggiamento allo sviluppo della EVB. |
| 7 | L'enorme popolazione di veicoli ICE ha creato problemi di qualità dell'aria violando gli standard di qualità dell'aria. Ciò era particolarmente vero nelle città avanzate del mondo. Questo ha spinto lo Stato della California, USA, all'inizio del 1990 ad adottare il Clean Air Act per la promozione dei veicoli elettrici. |
| 8 | Il Clean Air Act originariamente prevedeva che il 2% di tutti i nuovi veicoli leggeri venduti nello stato fossero ZEV entro il 1998 (30.000 EV), il 5% nel 2001 (75.000) fino al 10% nel 2003 (1.50.000). Oltre a questo, negli stati che non seguono il programma della California, i produttori di automobili devono ridurre le emissioni di NOx e di idrocarburi totali dal tubo di scarico del 60% e del 39% rispettivamente, tra il 1994 e il 1996 nei veicoli leggeri. Un'ulteriore riduzione del 50% delle emissioni è stata richiesta dalla Environmental Protection Agency (EPA) nel 2003. |
| 9 | Il 29 marzo 1996, il mandato ZEV del 1998 del California Air Resources Board (CARB) è stato ammorbidito a seguito di forti pressioni da parte dei produttori di auto e dei fornitori di petrolio, inoltre, la valutazione di un pannello indipendente che le batterie avanzate non potrebbero essere rese disponibili fino al 2001 è stata un'altra ragione. Fedele alla valutazione del pannello di cui sopra, tali batterie migliorate erano disponibili a un costo in qualche modo accessibile solo di recente nel 2018 (costo del pacco 176 US$/kWh = 127 costo della cella + 49 costo del pacco). I professionisti della batteria hanno previsto che il costo EVB scenderà a < 100 USD /kWh entro il 2025 e USD 62/kWh entro il 2030 (per estrapolazione) |
| 10 | Il consorzio delle batterie avanzate degli Stati Uniti (USABC): Il governo federale degli Stati Uniti e le tre principali case automobilistiche americane (Chrysler, Ford e General Motors) hanno deciso di unire le loro risorse (circa 262 milioni di dollari) nella ricerca sulle batterie per un periodo di 3 anni. Questi produttori, insieme ad altre organizzazioni come l'Electric Power Research Institute (EPRI) hanno stabilito il Consorzio avanzato delle batterie degli Stati Uniti (USABC) nell'anno 1991, in cui il governo degli Stati Uniti un finanziamento uguale. |
| 11 | USABC ha formulato due serie di obiettivi per le batterie EV (tabella 3) con l'intenzione di sviluppare un pacco batterie provvisorio per la prima fase (1994-95) e un obiettivo a lungo termine in modo che le prestazioni EV siano competitive con i veicoli con motore IC. |
| 12 | Advanced Lead Acid Battery Consortium (ALABC): ALABC [5. R.F. Nelson, The Battery Man, maggio 1993, pp. 46-53] è stato istituito nel marzo 1992 per gestire un piano di ricerca quadriennale con un fondo di US $ 19,3 milioni (Rs.48 crore circa) per lo sviluppo di batterie al piombo-acido EV ad alte prestazioni che serviranno una quota significativa del mercato EV nel breve e medio termine. L'ALABC è gestito dall'International Lead Zinc Research Organization (ILZRO) ed è un'organizzazione di partenariato tra quattordici grandi produttori di piombo, dodici produttori di batterie, aziende elettriche, produttori di motori, produttori di caricabatterie e accoppiamenti, fornitori di sistemi di alimentazione, produttori di controller/elettronica e organizzazioni commerciali EV. |
| 13 | Dal 1991, gli accordi di R&S cooperativi sono stati finalizzati tra l'Ufficio tecnologie dei veicoli (VTO) del Dipartimento dell'energia (DOE) e il Consorzio batterie avanzate degli Stati Uniti (USABC). |
| 14 | La dimensione annuale del mercato delle batterie Li-ion può aumentare da 25 miliardi di dollari (2019) a 116 miliardi di dollari (2030). |
| 15 | Il costo del pacco batterie scende da 1100 $/kWh a 156 nel 2019 ed è previsto a 62 $/kWh nel 2030. (BloombergNEF) |
Tecnologia delle batterie al nichel-metallo idruro per veicoli elettrici
L’invenzione del sistema di batterie Ni-MH è un derivato delle batterie Ni-Cd e Ni-H2. Il Cd nel sistema Ni-Cd è considerato un materiale pericoloso. I vantaggi associati al nuovo sistema erano la maggiore energia specifica, le minori pressioni richieste e il costo delle celle Ni-MH. Il lavoro è stato sostenuto da due produttori di auto tedeschi per un periodo di 20 anni
Reazioni elettrochimiche che producono energia:
C’è molta somiglianza tra le celle Ni-Cd e Ni-MH, tranne che per l’elettrodo negativo. Come nel caso delle celle Ni-Cd, durante la scarica, il materiale attivo positivo (PAM), l’ossidrossido di nichel, si riduce a idrossido di nichel. (Così, l’elettrodo positivo si comporta come un catodo):
NiOOH +H2O+e- Scarica↔Carica Ni(OH)2 + OH- E° = 0,52 Volt
Il materiale negativo attivo (NAM), reagisce come indicato di seguito: (Così l’elettrodo negativo si comporta come un anodo):
MH + OH- Scarica↔Carica M +H2O+ e- E° = -0,83 Volt
Cioè, il desorbimento dell’idrogeno avviene durante la scarica.
La reazione totale durante lo scarico è
NiOOH +H2O+ e
–
Scarica↔Carica Ni(OH)2 + OH
MH + OH- Scarica↔Carica M +H2O+ e
–
NiOOH + MH Scarica↔Carica Ni(OH)2 + M E° = 1,35 Volt
Per favore ricordate che
Tensione della cella = VPositivo – VNegativo
Quindi 0,52 – (-0,83) = 1,35 V
Qui è da notare che le molecole d’acqua mostrate nelle reazioni di mezza cella non appaiono nella reazione complessiva o totale della cella. Questo è dovuto al fatto che l’elettrolita (soluzione acquosa di idrossido di potassio) non partecipa alla reazione che produce energia ed è lì solo per scopi di conducibilità. Inoltre, si noti che la soluzione acquosa di acido solforico usata come elettrolita nelle celle al piombo partecipa effettivamente alla reazione come mostrato di seguito:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 Scarica↔Carica 2PbSO4 + 2H2O
Questa è una differenza importante tra le celle al piombo e quelle alcaline. Il processo inverso avviene durante la reazione di carica.
La cella sigillata al nichel-metallo idruro utilizza una reazione di ricombinazione dell’ossigeno simile a quella che avviene nelle celle VRLA (valve-regulated lead-acid), evitando così l’aumento indesiderato della pressione interna che risulta dalla generazione di gas verso la fine della carica e soprattutto durante la sovraccarica.
Durante la carica, il PAM raggiunge la piena carica prima del NAM e così l’elettrodo positivo comincia a evolvere l’ossigeno.
4OH- → 2H2O + O2 + 4e-
Il gas così evoluto dalla reazione di cui sopra viaggia attraverso la matrice porosa del separatore verso il NAM aiutato dalla costruzione affamata di elettrolita e dall’impiego di un separatore adatto.
Poiché l’O2 si combina con l’elettrodo MH per generare acqua sull’elettrodo negativo, si evita l’accumulo di pressione all’interno della batteria. Anche così, c’è una valvola di sicurezza in caso di sovraccarico prolungato o di malfunzionamento del caricatore.
4MH + O2 → 4M + 2H2O
Inoltre, per progettazione, il NAM non viene mai lasciato arrivare a piena carica, impedendo così la possibilità di produzione di idrogeno. Inoltre, è molto importante seguire un algoritmo di carica intelligente per limitare la generazione di O2 oltre la capacità dell’efficienza di ricombinazione della cella. Questo si ottiene anche con un attento controllo della proporzione dei due materiali attivi.
I lettori possono fare riferimento a quanto segue per un resoconto dettagliato delle batterie Ni-MH
a. Capitolo sulle batterie Ni-MH di Michael Fetcenko e John Koch nel manuale
b. Kaoru Nakajima e Yoshio Nishi Capitolo 5 in: Sistemi di accumulo di energia per l’elettronica.
Tecnologia delle batterie al piombo nei veicoli elettrici
Il consorzio delle batterie al piombo avanzate (ALABC) [7. J.F. Cole, J. Power Sources, 40, (1992) 1-15] è stato istituito nel marzo 1992 per gestire un piano di ricerca quadriennale con un fondo di US $ 19,3 milioni (Rs.48 crore circa) per lo sviluppo di batterie al piombo-acido EV ad alte prestazioni che serviranno una quota significativa del mercato EV nel breve e medio termine.
ILZRO ha gestito questo consorzio ed è un’organizzazione di partenariato tra i quattordici maggiori produttori di piombo, dodici produttori di batterie, aziende elettriche, produttori di motori, produttori di caricabatterie e accoppiamenti, fornitori di trasmissioni, produttori di controller/elettronica e organizzazioni commerciali EV. Attualmente i membri sono 48, provenienti da 13 paesi. L’ALABC (ora CBI) ha cinque obiettivi critici di ricerca e sviluppo che sono stati inclusi nella tabella 3. Le batterie al piombo-acido avanzate sono in grado di fornire ai veicoli elettrici un’autonomia giornaliera di 90 miglia o più, tempi di ricarica di pochi minuti e una durata di vita di circa 3 anni.
Lo stato della tecnologia dell’ALABC nel 1998 indica che, con i progetti attualmente in corso, le batterie piombo-acido regolate a valvola con una caratteristica di prestazione di 48 Wh/kg, 150W/kg, una carica rapida dell’80% in 10 minuti e una durata del ciclo di 800 sono in programma per lo sviluppo prima della fine del 1998. Il raggiungimento di una tale performance rappresenterà un progresso spettacolare da parte della comunità delle batterie al piombo nel corso degli anni ’90 e offre la prospettiva di un’automobile elettrica con un’autonomia per carica di oltre 100 miglia, ripetibile più volte in un giorno e oltre 500 volte durante la vita di un pacco batterie [https://batteryuniversity .com/learn/article/battery_developments]
Batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici
La storia dello sviluppo delle batterie agli ioni di litio
Tabella 3:
| Lavoro di ricerca | Inventore / Autore | Anno | Affiliazione | Osservazioni |
|---|---|---|---|---|
| Scoperta dell'alta conducibilità ionica della fase solida NaAl11O17, chiamata sodio β-allumina, che porta al sistema di batterie Na-S | Kummer e collaboratori | 1967 | Laboratorio Ford Motor Co. | La storia della cella agli ioni di litio è iniziata |
| Sistema di batterie Na-S | N. Weber e J.T. Kummer | 1967 | Laboratorio Ford Motor Co. | Sistema ad alta temperatura |
| FeS o FeS2 studiati come materiali catodici vs. Li metal | D.R. Vissers et.al. | 1974 | ANL | Alla reazione con il Li, questi materiali subiscono reazioni di ricostituzione, con la scomparsa delle fasi iniziali e la formazione di nuove fasi |
| Anodo di metallo Li e catodo di solfuro di titanio (TiS2) | Prof. Whittingham | 1976 | Binghamton University, Binghamton, New York 13902, Stati Uniti | Il Li ha formato dei dendriti sulla superficie metallica durante il ciclaggio, provocando dei cortocircuiti. |
| I materiali che inizialmente contenevano litio, e che eliminavano elettrochimicamente il litio da essi, erano il lavoro su Li1-xCoO2 nel 1980. | Prof. Goodenough e collaboratori | 1980 | Università di Oxford, Regno Unito | Composti di intercalazione del Li |
| Materiale anodico speciale a base di coke | Akira Yoshino | 1985 | Nuovo materiale anodico | |
| Il materiale anodico di cui sopra è stato combinato con LixCoO2 | Akira Yoshino | 1986 | Asahi Kasei Corporation | Cella Li-ion |
| La sicurezza della batteria agli ioni di litio ha dimostrato | Akira Yoshino | 1986 | Asahi Kasei Corporation | La sicurezza degli ioni di litio contro l'anodo di metallo Li è stata dimostrata |
| Una batteria commerciale agli ioni di litio nel 1991. | 1991 | Sony Corporation | ||
| Con un ulteriore sviluppo, la batteria Li-ion è stata commercializzata. | 1992 | Una joint venture di Asahi Kasei e Toshiba. | ||
| Nuovi materiali catodici Li manganato e Li ferro fosfato | Il gruppo di Goodenough | 1997 | Il gruppo di Goodenough | |
| Anodo di grafite | 1990 |
Chimica delle celle Li-ion al cobalto di litio (LCO)
La reazione totale è
C6 + LiCoO2 ⇄ LixC6 + Li1-xCoO2
Ecell = 3,8 – (0,1) = 3,7 V.
Cella Li-ion della chimica LiFePO4
La reazione totale LiFePO4 + 6C →LiC6 + FePO4
Ecell = 3,3 – (0,1) = 3,2 V
L'era dei moderni veicoli elettrici
In realtà non è stato fino agli anni ’90 che il lavoro delle principali case automobilistiche sulle soluzioni di veicoli ibridi ed elettrici ha iniziato a produrre risultati. Parallelamente a questi progressi, le prime batterie commerciali agli ioni di litio sono state introdotte sul mercato nel 1991 e sono state rapidamente adottate. Con la rapida diffusione dell’elettronica personale, queste batterie ad alta densità energetica sono diventate la soluzione di immagazzinamento dell’energia scelta per molte applicazioni diverse, dall’elettronica portatile ai veicoli ibridi ed elettrici.
L’era moderna dei veicoli elettrici è stata precipitata dalla penuria di petrolio negli anni ’70.
Sviluppi dei moderni HEV/veicoli elettrici
Tabella 4
| EV/HEV | Circa. Anno | Osservazioni |
|---|---|---|
| EV1 della General Motors (GM). | 1996-1999 | EV 1 |
| Camion ibrido parallelo" (PHT), | 1999 | |
| Sistema ibrido a 2 modalità | 2008 | |
| Sistema ibrido leggero di tipo "Belt-Alternator-Starter" (BAS) | 2011 | 1. Il primo BAS di GM era un sistema da 36 V con una batteria Ni-MH sviluppata da Cobasys. 2. La seconda generazione (e-Assist) ha aumentato la tensione del sistema a 115 V ed è passata a una batteria agli ioni di litio raffreddata ad aria da 0,5 kWh progettata da Hitachi Vehicle Energy Ltd |
| La tecnologia Voltec di GM | 2010 | La Volt è un "ibrido di serie" che combina sia un piccolo ICE con una batteria agli ioni di litio 355-V con cellule da LG Chem e pacchetto progettato da GM e due motori elettrici. |
| Sistema ibrido Toyota (THS) | 1997 | Batteria Ni-MH da 288 V raffreddata ad aria con ~1,7 kWh di energia |
| SUV completamente elettrico RAV4 | 2006 | La batteria del RAV4 EV di seconda generazione, basata sul pacco batterie della Tesla Model-S, aveva una batteria agli ioni di litio da 386 V con circa 52 kWh. |
| Honda Insight | 1999-2006 | un "due posti, il più alto risparmio di carburante benzina - veicolo ibrido alimentato |
| Mitsubishi | 2009 | i-Miev |
| Mazda | 2000-2011 | opzioni ibride sulle loro Tribute, Mazda3 e Mazda6 |
| Hyundai | 2012 | un ibrido Sonata, Tuscon e Elantra |
| Kia | 2000 | Una Optima ibrida |
| Subaru | 2007 | XV Crosstrek e una Stella Ibrido plug-in. |
| Nissan | 2010 | Foglia |
| Ford | 2011 | 1. Focus EV utilizza una batteria agli ioni di litio da 23 kWh (LG Chem); 2. C-Max (2012) |
| BMW | 2013 | e-Tron, i-8 e Active Hybrid |
| Cinese BYD, Beijing Automotive Industry Corporation (BAIC), Geely, Shanghai Automotive Industry Corporation (SAIC) Chang'an, Chery, Dongfeng, First Auto Works (FAW), Brilliance Automotive, Foton, Great Wall, Lifan e molti altri | Ultima parte degli anni 2000 | . |
Oggi, gli EV e gli HEV sono chiaramente qui per restare. Entro i primi anni 2030, quando la tecnologia continuerà a migliorare e il costo delle batterie diventerà facilmente accessibile, l’opzione per i veicoli elettrici a zero emissioni (ZEV) supererà tutte le altre opzioni per i proprietari di veicoli.
I prezzi delle batterie EV, che erano superiori a 1.100 dollari per chilowattora nel 2010, sono scesi dell’87% a 156 dollari/kWh nel 2019. Entro il 2023, i prezzi medi potrebbero raggiungere quasi i 100 dollari/kWh.
Tabella 5
[2. Global EV Outlook 2020 (IEA) pagina 155, https://webstore.iea.org/download/direct/3007]
Stock di veicoli elettrici, vendite, quota di mercato, dimensioni delle batterie, autonomia, ecc.
| Anno | 2010 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 | Osservazioni |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vendite (milioni) | 0.017 | 0.45 | 2.1 | ||||
| Vendite (milioni) | 7.2 | 47% in Cina nel 2019 | |||||
| Espansione delle scorte | 60% | È aumentato di una media annuale del 60% nel periodo 2014-19 | |||||
| Quota della Cina | 47% | ||||||
| Vendite globali di auto | 2.6% | ||||||
| Stock globale | 1% | ||||||
| Aumento in % | 40% | Due ragioni per l'aumento: modelli di EV con batterie più alte di kWh e quindi maggiori gamme attualmente offerti e previsti La quota di mercato dei BEV rispetto ai PHEV è in aumento. | |||||
| Dimensione media del pacco batterie (kWh) | 37 | 44 | 20-30 kilowattora (kWh) nel 2012 | ||||
| Dimensioni del pacco batterie (kWh) | 50-70 | 48 a 57 | 70-80 | Per i PHEV circa. 10-13 kWh nel 2018 (50-65 km di autonomia di guida completamente elettrica) e 10-20 kWh nel 2030. Anno 2019 -14% di aumento rispetto all'anno 2018 | |||
| Autonomia media (km) | 350 a 400 | ||||||
| Previsioni globali | Nel 2019, previsione globale = 3% di quota di mercato |
| Anno | Aumento o diminuzione (%) | |
|---|---|---|
| Percentuale di crescita | 2016 al 2019 | Aumento del 6% |
| Percentuale di crescita | 2016 al 2019 | 30% Diminuzione |
Secondo l’AIE, lo Stated Policies Scenario (SPC ) è una situazione che incorpora le politiche governative esistenti; e lo Scenario di sviluppo sostenibile (SDC ) è pienamente compatibile con gli obiettivi dell’accordo di Parigi sul clima. Quest’ultimo include gli obiettivi della campagna EV30@30 (30% di quota di mercato per i veicoli elettrici di tutte le modalità, tranne le due ruote entro il 2030).
Nell’SPC, lo stock mondiale di EV (tutti i modi, eccetto due e tre ruote), aumenta da circa 8 milioni (2019) a 50 milioni (2025) e molto vicino a 140 milioni (2030, circa il 7%). Corrispondente a un tasso di crescita annuo molto vicino al 30%.
Le vendite di EV raggiungono quasi 14 milioni (2025, equivalente al 10% di tutte le vendite di veicoli stradali) e 25 milioni (2030, equivalente al 16% di tutte le vendite di veicoli stradali).
Nella DSC, lo stock mondiale di veicoli elettrici raggiunge quasi 80 milioni di veicoli nel 2025 e 245 milioni di veicoli nel 2030 (esclusi i veicoli a due/tre ruote.
La campagna EV30@30 è stata lanciata all’Ottava Ministeriale dell’Energia Pulita nel 2017. I paesi partecipanti sono Canada, Cina, Finlandia, Francia, India, Giappone, Messico, Paesi Bassi, Norvegia, Svezia e Regno Unito.
| Anno | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Dimensione annuale del mercato delle batterie Li-ion (miliardi di dollari) | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 25 | 60 | 116 | |
| Costo del pacco batterie ($/kWh) | 1100 | -- | -- | 650 | 577 | 373 | 288 | 214 | 176 | 156 | 100 | 62 |
Figura 1.
Dimensione annuale globale del mercato delle batterie agli ioni di litio
https://www.greencarcongress.com/2019/12/20191204-bnef.html
La dimensione del mercato delle vendite di LIBs per i veicoli elettrici può raggiungere circa 120 miliardi di dollari nel 2030.
I prezzi delle batterie, che erano superiori a 1.100 dollari/kWh nel 2010 e 288 dollari/kWh nel 2016, sono scesi a 156 dollari/kWh l’anno scorso (2019) e dopo circa quattro anni, il costo medio potrebbe essere molto vicino a 100 dollari/kWh, come riportato da una società di ricerche di mercato. Uno dei principali produttori di EV ha usato la cella 18659 più facilmente disponibile per far scendere il costo a 250 dollari/kWh.
ANL ha formulato un modello di calcolo (BatPac) per valutare le prestazioni e il costo di produzione delle celle agli ioni di litio per i veicoli elettrici. Utilizzando un particolare tipo di chimica delle celle della batteria da 80 kWh e una capacità di produzione annuale definita, i prezzi medi delle batterie sono stati stimati nell’intervallo da 105 a 150 USD/kWh.
Esempi di alcune batterie EV
Il consumatore EV si aspetta una garanzia di 8 anni o un limite di km particolare sulle batterie. Un produttore leader di EV offre 8 anni di garanzia oltre al chilometraggio illimitato.
Toshiba sostiene che la sua batteria manterrà il 90% di kWh anche dopo 5000 cicli, equivalenti a 14 anni di cicli di ricarica con un ciclo al giorno. Anche se Toshiba parla di vendere la batteria nel 2021, non dichiara il costo.
The Tesla Battery Report (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf) (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.)
Batterie EV (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.) (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)
Infrastruttura di ricarica EV globale
La maggior parte del caricatore leggero EV è di proprietà dei consumatori. La Cina possiede circa l’80% dei caricatori pubblici contro il 47% dello stock globale di veicoli elettrici leggeri. Solo l’anno scorso (2019), l’aumento dei caricatori pubblici in Cina è stato del 60% dei caricatori pubblici globali e questo paese aveva l’80% dei caricatori pubblici mondiali e il 50% dei caricatori lenti accessibili al pubblico.
Tabella 7
Infrastruttura di ricarica EV globale
[
Prospettive globali EV 2020
(IEA) https:// webstore .iea.org/download/direct/3007].
La stragrande maggioranza dei caricatori di veicoli elettrici leggeri sono caricatori privati.
| Caricatori disponibili (milioni) | 7.3 | |||
|---|---|---|---|---|
| Privato | Pubblico | Caricabatterie veloci | Caricatori lenti | |
| 6,5 milioni ~ 80% | 0,876 milioni 12% (862 000) | 4% 263 000 | 8% 598 000 |
Aumento del 60 % rispetto al 2018
Autobus 2019
Caricabatterie disponibili – 184000 unità (aumenta del 17% nel 2019 rispetto al 2018 (157 000)
Infrastruttura globale di ricarica per camion elettrici.
| Tipo di camion | Autocarri medi (da 3,5 a 15 tonnellate GVW) | Autocarri pesanti (>15 tonnellate GVW) |
| Dimensione dell'energia del pacco batterie | 70 - 300k Wh | 200 - 1000k Wh |
Scenario indiano: EV e infrastruttura di ricarica EV
Stock EV indiano
La quota di vendite dei veicoli elettrici in tutte le modalità in India raggiunge quasi il 30% nel 2030 nello scenario delle nuove politiche, quasi in linea con il suo obiettivo (Governo dell’India, 2018). L’elettrificazione dei veicoli è principalmente nel segmento delle due ruote con i BEV che rappresentano quattro su dieci nuove unità nel 2030. I veicoli elettrici penetrano anche nei mercati dei LDV e degli autobus urbani, raggiungendo il 14% di tutte le autovetture e LCV, e l’11% di tutte le vendite di autobus.
La diffusione dei veicoli elettrici in India è stata stimolata dall’obiettivo nel 2017 di una transizione completa ai veicoli elettrici entro il 2030. Nel 2018, è stato stabilito un obiettivo del 30% e viene supportato da diverse misure politiche come la standardizzazione, gli appalti per le flotte pubbliche e gli incentivi economici mirati, sia per l’adozione dei veicoli che per la diffusione delle infrastrutture di ricarica.
Nello scenario EV30@30, in qualità di precursore globale nella transizione verso la mobilità elettrica, l’India raggiunge quote di vendita di veicoli elettrici in tutte le modalità (tranne i veicoli a due/tre ruote) del 29% nel 2030 (54% compresi i veicoli a due/tre ruote). Nel 2030, in India il 72% delle due ruote, il 31% delle auto e il 24% degli autobus saranno elettrici. [ 8. Global EV Outlook 2020 (IEA) pagina 139, https://webstore.iea.org/download/direct/3007].
In India, la West Bengal Transport Corporation (WBTC) ha aggiunto 80 autobus elettrici e caricatori attraverso la prima fase della politica governativa di incoraggiamento all’uso dei veicoli elettrici chiamata Faster Adoption and Manufacturing of Hybrid & Electric Vehicles (FAME I). Alcuni degli autobus da nove metri hanno batterie da 125 kWh e alcuni degli autobus più lunghi (12 metri) hanno batterie da 188 kWh.
Figura 3.
Vendite EV in India nell’anno 2030[Global EV Outlook 2020 (IEA) pagina 159, https: // webstore. iea.org/download/direct/3007]
L’anno scorso (2019), le vendite indiane di EV erano 0,750 milioni di unità e lo stock totale ha raggiunto circa 7,59 milioni di unità. L’anno scorso le due ruote hanno registrato una crescita del 130% rispetto al 2018.
https://www.autocarindia.com/car-news/ev-sales-in-india-cross-75-lakh-mark-infy2019-412542 consultato il 6 agosto 2020 ).
Nelle circostanze prevalenti, i fabbricanti di 2-W hanno imparato a sostenersi senza sovvenzioni governative. Il calo delle vendite nell’aprile dell’anno scorso (2019) era dovuto alle rigide disposizioni della seconda fase del (FAME II). Nessun EV può soddisfare i nuovi criteri. Inoltre, un processo di ricertificazione di circa 45 giorni ha ritardato le vendite.
Infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici in India
Un’adeguata infrastruttura di ricarica EV (EVCI) è stata la chiave per l’adozione dei veicoli elettrici.
È stato dimostrato che la disponibilità di una forte rete di Electric Vehicles Supply Equipment (EVSE) in un paese è stato tre volte più efficace di fornire sconti e sovvenzioni per l’acquisto di un veicolo elettrico domanda punto di vista, sia pubblico e casa di ricarica infrastrutture è fondamentale per promuovere EVs. A livello globale, l’infrastruttura di ricarica pubblica è cresciuta ad un CAGR sbalorditivo dell’84% nell’ultimo decennio, con più del 100% di crescita annua tra il 2009-2012 e il 2013-2014, con una media di circa il 180% di crescita annua tra il 2010-2018.
Tendenze di crescita per l'infrastruttura di ricarica EV in India
L’India è un mercato emergente della mobilità elettrica e come quarto mercato automobilistico più grande del mondo stiamo gradualmente diventando la regione focale nella mobilità elettrica.
Il futuro della crescita dell’EVCI in India è prevalentemente positivo e raggiunge i tassi di crescita della penetrazione globale dell’EVCI.
Gensol Mobility, che possiede e gestisce la flotta di taxi elettrici intra-city, BluSmart, ha aumentato la sua presenza nella regione della capitale nazionale.
Figura 5
Tendenza di crescita dell’infrastruttura di ricarica pubblica EV in India
India pubblico veicoli elettrici fornitura attrezzature(EVSE) lento e veloce
Post-Li-ion o Beyond-Li-ion
Per raddoppiare la gamma, i produttori di auto elettriche stanno cercando batterie di tipo più recente. Si stanno studiando i seguenti sistemi:
a. Batterie a stato solido Li (http://www.usaspeaks.com/news/toyota-unveils-solid-state-battery-design-for-evs/)
b. Batterie Li-air (ossigeno) [ 11. David L. Chandler | MIT News Office]
c. Batterie Na-ion
d. Batterie zinco-aria [12. Jonathan Goldstein, Ian Brown e Binyamin Koretz JPower Sources, 80 (1999) 171-179].
e. Batteria Licerion
Progettazione del pacco batterie EV
Il numero di celle in un pacchetto dipende dalla chimica della cella agli ioni di litio, che a sua volta dipende dal materiale catodico utilizzato.
Prendiamo, per esempio, una batteria da 85 kWh fatta con celle a catodo di nichel-cobalto-alluminio (NCA) di 3,25 Ah di capacità ciascuna:
Presupposti:
Tensione della batteria = 350 V
Tensione nominale della cella = 3,6 V
Capacità energetica nominale = 85 kWh
Capacità energetica effettiva = 80 kWh (~ 95 % della capacità nominale)
Capacità nominale = 3,25 Ah
Capacità effettiva = 3,1 Ah (~ 95 % della capacità nominale)
Per un pacco da 350 V e usando le celle di cui sopra, ci vorrebbero 350 V/3,6 V = 97,2 celle, per semplicità si arrotonda a 96 o 98 celle.
Ma la capacità energetica di 96 celle singole in serie sarebbe 96* 3,6 V*3,25 Ah = 1123 Wh. Quindi, questo particolare design del modulo sarebbe di 1123 Wh.
Quindi, il numero di celle da collegare in parallelo = 85000Wh/1123 Wh = 75,7 @ 76.
Possiamo collegare 76 celle in parallelo in un modulo, la cui capacità sarà 76*3,25 Ah = 247 Ah.
Possiamo comodamente dividere 96 celle in 16 moduli di 6 celle ciascuno (o 12 moduli di 8 celle ciascuno), tutti in serie.
Quindi, la tensione totale sarebbe 16*6 =96 *3,6 V =345,6 V @ 350 V.
O
La tensione totale sarebbe 12*8 =96 *3,6 V =345,6 V @ 350 V
Quindi, il totale dei Wh nominali di un modulo sarebbe 247 Ah*6*3.6 V = 5335 Wh.
Pertanto, il totale dei Wh nominali del pacco sarebbe 247 Ah*6*3.6 V*16 = 85363 Wh @ 85 kWh
Quindi, il totale dei Wh effettivi del pacco sarebbe 76*3.1 Ah = 236 Ah*350 V = 82600 Wh @ 82 kWh
Ora la capacità energetica è di 85 kWh. Quindi, il numero totale di celle in un pacchetto sarebbe
85000 Wh/3.6 V*3.25 Ah= 7265 celle (nominale)
85000 Wh/3.6 V*3.1 Ah= 7616 celle (effettivo)
In modo simile, per ottenere un pacco da 350 V usando celle al litio ferro fosfato (LFP) da 3,25 V, avremmo bisogno di (350 V/3,25 V) 107,7 celle. Di nuovo, per semplicità, possiamo decidere di usare 108 o 110 celle. Qui possiamo progettare 11 moduli di 10 celle ciascuno per 110 celle o 18 moduli di 6 celle ciascuno per 108 celle.
Oppure usando una cella LTO (litio titanato) da 2,3 V abbiamo bisogno di (350 V/2,3 V) 152 celle o arrotondate a 160 celle per raggiungere la tensione desiderata.
70 kWh e 90 kWh, celle 18650 NCA da 3,4 Ah; raffreddamento a liquido.
Il pacco da 90 kWh ha 7.616 celle; la batteria pesa 540 kg (1.200 lb = 540 kg);
La probabilità di guasto nelle configurazioni parallele è bassa e quindi il guasto di una cella non influenzerà l’intera batteria.
Calcoli di potenza e capacità della batteria
Prendiamo l’esempio precedente di un pacco batterie di 85 kWh con una tensione di 350 V. Normalmente per i veicoli elettrici si prende in considerazione la scarica a 1C. Quindi, la corrente sarebbe 85000 Wh / 350 V = 243 Ah. Quindi la corrente sarebbe 240 A. La potenza = V * A = 350*240 = 84000 W = 84 kW massimo. Ma il BMS permette solo l’80% di questa potenza come massimo.
Quindi la potenza effettiva utilizzata sarà 84*0,8= 67,2 kW. Come già detto, la percentuale media di energia rigenerativa è di circa il 15%. Questa cifra può arrivare a più del 40% in alcuni casi. La potenza rigenerativa non va oltre i 40 kW.
Tensioni delle batterie al litio concorrenti
Tabella 8
| Parametro delle prestazioni | NCA | NMC | LMO | LFP | LTO | LCO |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tensione nominale di una cella (V) | 3.6 | 3.6 | 3.8 | 3.2 | 2.2 | 3.6 |
Energia specifica ed efficienza energetica
Supponendo un’efficienza del 25%, il combustibile fossile può fornire 12000*0,25 = 3000 Wh/kg di energia utilizzabile. Nel caso della batteria l’efficienza è maggiore e quindi 150*0,9 = 135 Wh/kg di energia utilizzabile è ottenibile dalle batterie.
Rapporto utilizzabile = 3000/135 = 22,22 volte
Rapporto diretto = 12000/150 = 80 volte
Riciclaggio delle batterie Li-ion
[ 14. Bin Huang Zhefei Pan Xiangyu Su Liang An, J Power Sources, Volume 399, 30 settembre 2018, Pagine 274-286]
Con il crescente bisogno di LIBs, in particolare dai segmenti EV, un gran numero di batterie agli ioni di litio tornerà per essere riciclato o riutilizzato. La mancanza di un corretto smaltimento delle batterie agli ioni di litio esaurite comporta probabilmente gravi conseguenze, come l’inquinamento ambientale e lo spreco di risorse. Per affrontare questo problema, sono necessarie sia innovazioni tecnologiche che la partecipazione dei governi.
I lettori interessati a maggiori dettagli possono fare riferimento alle pubblicazioni su questo argomento.
Batterie di seconda vita (Riutilizzo delle batterie EV dopo la fine del ciclo di vita del veicolo)
Nel campo del riciclaggio, ci sono contemplazioni per riutilizzare le batterie EV dopo che la batteria EV viene scartata o riciclare i materiali di questa batteria.
Veicoli elettrici in arrivo in India nel 2020
L’anno 2020 non solo vedrà i produttori concentrarsi su auto e moto conformi alla BSVI, ma alcuni faranno un passo in più per annullare completamente le emissioni di carbonio e avventurarsi nella piattaforma EV. I seguenti sono alcuni EV che sono stati confermati per quest’anno e alcuni sono previsti presto quest’anno. Essi sono:
Tata Nexon EV
G Motor India ZS EV
Audi e-Tron
Ford-Mahindra Aspire EV
Volkswagen ID 3
Jaguar I-Pace
Porsche Taycan 4S
I dettagli disponibili sono tabulati qui sotto:
Tabella 9
Veicoli elettrici in arrivo in India nel 2020
(http://overdrive.in/news-cars-auto/cars-coming-to-india-in-2020-electric-vehicles/)
| EV (Wh consumati/km) | Prezzo | Tipo di batteria | Capacità di kWh | Capacità utilizzabile | Motori | Coppia | Accelerazione | Velocità massima | Gamma km | Osservazioni |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tata Nexon EV (100 Wh/km) | Rs. 15 a 17 L | Li-ion | 30.2 | Motore AC a magnete permanente | 129 CV e 245 Nm ruote anteriori | Da 0 a 100 km/h in 9,9 s | NA | > 300 km con una carica completa | ||
| GM ZS EV (129 Wh/km) | Li-ion | 44,5 batteria raffreddata a liquido | 143PS/350Nm motore che guida le ruote anteriori | 345 | Caricabatterie a bordo. Carica completa in 6-8 ore; anche il caricatore da 50 kW deve essere installato | |||||
| Audi e-tron (220 Wh/km) | Li-ion | 96 | 86.5 | Motori posteriori e anteriori | 436 | |||||
| Ford-Mahindra Aspire EV | Rs 6 a 7 L | Li-ion | Motore dell'asse posteriore | 300+ | ||||||
| Volkswagen ID 3 (136 Wh/km) (138 Wh/km) (140 Wh/km) | < 30000 Euro | Li-ion | 45 (versione base) | 330 (WLTP) | 290 km in 30 minuti di carica (100 kW DC) | |||||
| Rs. ~ 23,85 L prima di tasse e imposte | Li-ion | 58 (Mid-spec) | 205PS e 310Nm | 160 | 420 | |||||
| Li-ion | 77 (Spec. più in alto) | 550 | ||||||||
| Jaguar I-Pace (180 Wh/km) | Li-ion | 90 | 2 motori | 400 CV e 696 Nm di coppia | 0-100 km/h in 4,8 s | 320 | >500 | 80% Ch 90 minuti | ||
| Porsche Taycan 4S (195 Wh/km) | Li-ion | 79.4 | Doppio motore 800 V | 435 CV, 530 CV su over-boost, e 640 Nm. | Da 0 a 100 km/h in 4s. | 250 | 407 | |||
| Li-ion | 93.4 | 463 |
