Il momento è giusto e il posto giusto, e tutte le aziende cinesi di veicoli elettrici sono occupate.La Cina sembra essere diventata il centro dell’industria mondiale dei veicoli elettrici.
Infatti, in Germania, se la tua unità non dispone di pile di ricarica, potresti doverne acquistare una tu stesso.sulla porta di casa.Tuttavia, discutiamo sempre del motivo per cui così tante eccellenti case automobilistiche tedesche non riescono a produrre Tesla, e non è difficile trovare le ragioni ora.
Nel 2014, il professor Lienkamp dell’Università Tecnica di Monaco ha pubblicato un nuovo libro “Stato della mobilità elettrica 2014”, gratuito e aperto alla società, e ha affermato: “Sebbene i veicoli elettrici abbiano diversi difetti, non ho mai visto un’auto che possiede già una mobilità elettrica.Il conducente dell'auto, rientra nell'abbraccio dell'auto tradizionale.Anche l’auto elettrica più comune ti regala il piacere di guidare, che non ha eguali in un’auto a benzina”.Un'auto del genere può davvero far sì che il proprietario dell'auto non la rinnovi. Ributtarsi tra le braccia delle auto tradizionali?
Come tutti sappiamo, il cuore di un veicolo elettrico è la batteria.
Per un normale veicolo elettrico, secondo il test standard europeo, il consumo di energia per 100 chilometri è di circa 17 kWh, ovvero 17 kWh.Il Dr. Thomas Pesce ha studiato il consumo energetico dei veicoli compatti nella configurazione ottimale.Senza considerare il costo, il consumo energetico ottimale per 100 chilometri ottenuto utilizzando la tecnologia attualmente disponibile è leggermente superiore a 15kWh.Ciò significa che nel breve termine, cercando di ridurre il consumo energetico ottimizzando l’efficienza dell’auto stessa, anche senza considerare i costi aggiuntivi, l’effetto di risparmio energetico è relativamente piccolo.
Prendiamo come esempio la batteria da 85 kWh di Tesla.La distanza di guida nominale è di 500 km.Se attraverso vari sforzi si riduce il consumo energetico a 15 kWh/100 km, la distanza di guida può essere aumentata a 560 km.Pertanto, si può dire che la durata della batteria dell'auto è proporzionale alla capacità del pacco batteria e il coefficiente proporzionale è relativamente fisso.Da questo punto di vista, l’utilizzo di batterie con densità energetica più elevata (da considerare sia l’energia Wh/kg per unità di peso che l’energia Wh/L per unità di volume) è di grande importanza per migliorare le prestazioni dei veicoli elettrici, perché in veicoli elettrici, la batteria occupa gran parte del peso totale.
Tutti i tipi di batterie agli ioni di litio sono le batterie più attese e più utilizzate.Le batterie al litio utilizzate nelle automobili includono principalmente batterie ternarie al nichel cobalto litio manganato (NCM), batterie al nichel cobalto litio alluminato (NCA) e batterie al litio ferro fosfato (LPF).
1. Batteria ternaria al nichel-cobalto litio manganato NCMè utilizzato da molti veicoli elettrici all'estero per il suo basso tasso di produzione di calore, stabilità relativamente buona, lunga durata e densità di energia di 150-220 Wh/kg.
2. Batteria al litio alluminato di nichel-cobalto NCA
Tesla utilizza questa batteria.La densità energetica è elevata, pari a 200-260 Wh/kg, e si prevede che presto raggiungerà i 300 Wh/kg.Il problema principale è che solo Panasonic può produrre questa batteria al momento, il prezzo è elevato e la sicurezza è la peggiore tra le tre batterie al litio, che richiede un sistema di dissipazione del calore e di gestione della batteria ad alte prestazioni.
3. Batteria al litio ferro fosfato LPF Consideriamo infine la batteria LPF più utilizzata nei veicoli elettrici domestici.Il più grande svantaggio di questo tipo di batteria è che la densità energetica è molto bassa, che può raggiungere solo 100-120Wh/kg.Inoltre, LPF ha anche un elevato tasso di autoscarica.Niente di tutto ciò è desiderato dai produttori di veicoli elettrici.L’adozione diffusa di LPF in Cina è più simile a un compromesso fatto dai produttori nazionali per costosi sistemi di gestione e raffreddamento delle batterie: le batterie LPF hanno stabilità e sicurezza molto elevate e possono garantire un funzionamento stabile anche con sistemi di gestione delle batterie scadenti e una maggiore durata della batteria.Un altro vantaggio apportato da questa funzionalità è che alcune batterie LPF hanno una densità di potenza di scarica estremamente elevata, che può migliorare le prestazioni dinamiche del veicolo.Inoltre, il prezzo delle batterie LPF è relativamente basso, quindi è adatto all'attuale strategia di fascia bassa e di prezzo basso dei veicoli elettrici domestici.Ma se sarà sviluppata in modo vigoroso come la tecnologia delle batterie del futuro, c’è ancora un punto interrogativo.
Quanto dovrebbe essere grande la batteria di un’auto elettrica media?Si tratta di un pacco batteria con migliaia di batterie Tesla in serie e parallelo o di un pacco batteria costruito con poche batterie di grandi dimensioni BYD?Questa è una domanda ancora in fase di ricerca e al momento non esiste una risposta definitiva.Vengono qui presentate solo le caratteristiche del pacco batteria composto da celle grandi e celle piccole.
Quando la batteria è piccola, l'area totale di dissipazione del calore della batteria sarà relativamente grande e la temperatura dell'intero pacco batteria può essere controllata efficacemente attraverso un ragionevole design di dissipazione del calore per evitare che l'alta temperatura acceleri e sminuisca la durata della batteria.In generale, la potenza e la densità energetica delle batterie con capacità singola più piccola saranno maggiori.Infine, cosa più importante, in generale, minore è l’energia di una singola batteria, maggiore è la sicurezza dell’intero veicolo.Un pacco batteria composto da un gran numero di piccole celle, anche se una singola cella si guasta, non causerà troppi problemi.Ma se si verifica un problema all'interno di una batteria di grande capacità, il rischio per la sicurezza è molto maggiore.Pertanto, le celle di grandi dimensioni richiedono più dispositivi di protezione, il che riduce ulteriormente la densità energetica del pacco batteria composto da celle di grandi dimensioni.
Tuttavia, con la soluzione di Tesla, anche gli svantaggi sono evidenti.Migliaia di batterie richiedono un sistema di gestione delle batterie estremamente complesso e il costo aggiuntivo non può essere sottovalutato.Il BMS (Battery Management System) utilizzato sulla Volkswagen E-Golf, un sottomodulo in grado di gestire 12 batterie, costa 17 dollari.Secondo la stima del numero di batterie utilizzate da Tesla, anche se il costo dei BMS sviluppati internamente è basso, il costo dell'investimento di Tesla nei BMS è superiore a 5.000 dollari USA, pari a oltre il 5% del costo delle batterie intero veicolo.Da questo punto di vista non si può dire che una batteria grande non vada bene.Nel caso in cui il prezzo del BMS non sia stato ridotto in modo significativo, la dimensione del pacco batteria dovrà essere determinata in base al posizionamento dell'auto.
Essendo un'altra tecnologia fondamentale nei veicoli elettrici, il motore diventa spesso il fulcro della discussione, in particolare il motore Tesla, grande quanto un'anguria, con prestazioni da auto sportiva, che sono ancora più sorprendenti (la potenza di picco del motore della Model S può raggiungere più di 300 kW, la potenza massima la coppia è di 600 Nm e la potenza di picco è vicina alla potenza di un singolo motore di un'EMU ad alta velocità).Alcuni ricercatori dell’industria automobilistica tedesca hanno commentato quanto segue:
Tesla non utilizza quasi nulla tranne i componenti convenzionali (corpo in alluminio,motore asincrono per la propulsione, tecnologia del telaio convenzionale con ariasospensioni, ESP e un sistema frenante convenzionale con pompa del vuoto elettrica, celle per laptop ecc.)
Tesla utilizza tutte le parti convenzionali, carrozzeria in alluminio, motori asincroni, struttura convenzionale dell'auto, sistema frenante, batteria del laptop, ecc.
L'unica vera innovazione risiede nella tecnologia che collega la batteriacelle, che utilizzano fili di collegamento brevettati da Tesla, oltre alla batteriasistema di gestione che può essere flashato "over the air", il che significa che ilil veicolo non ha più bisogno di recarsi in officina per ricevere gli aggiornamenti software.
L'unica invenzione geniale di Tesla è nella gestione della batteria.Utilizzano uno speciale cavo per batteria e un BMS che consente la connessione wireless diretta senza la necessità di tornare in fabbrica per aggiornare il software.
In effetti, il motore asincrono ad alta densità di potenza di Tesla non è troppo nuovo.Nel primo modello Roadster di Tesla, vengono utilizzati i prodotti della Tomita Electric di Taiwan e i parametri non sono molto diversi da quelli annunciati dal Model S. Nella ricerca attuale, studiosi in patria e all'estero hanno progetti per motori a basso costo e ad alta potenza motori che possono essere rapidamente messi in produzione.Quindi, quando guardi a questo campo, evita la mitica Tesla: i motori di Tesla sono abbastanza buoni, ma non così buoni che nessun altro possa costruirli.
Tra i tanti tipi di motori, quelli comunemente utilizzati nei veicoli elettrici sono principalmente motori asincroni (detti anche motori a induzione), motori sincroni ad eccitazione esterna, motori sincroni a magneti permanenti e motori sincroni ibridi.Chi crede che i primi tre motori abbia una certa conoscenza sui veicoli elettrici avrà alcuni concetti base.I motori asincroni hanno un costo contenuto e un'elevata affidabilità, i motori sincroni a magneti permanenti hanno un'elevata densità di potenza ed efficienza, dimensioni ridotte ma prezzo elevato e un controllo complesso della sezione ad alta velocità..
Potresti aver sentito parlare meno di motori sincroni ibridi, ma recentemente molti fornitori di motori europei hanno iniziato a fornire tali motori.La densità di potenza e l'efficienza sono molto elevate e la capacità di sovraccarico è elevata, ma il controllo non è difficile, il che è molto adatto ai veicoli elettrici.
Non c'è niente di speciale in questo motore.Rispetto al motore sincrono a magneti permanenti, oltre ai magneti permanenti, il rotore aggiunge anche un avvolgimento di eccitazione simile al motore sincrono tradizionale.Un tale motore non solo ha l'elevata densità di potenza portata dal magnete permanente, ma può anche regolare il campo magnetico in base alle esigenze attraverso l'avvolgimento di eccitazione, che può essere facilmente controllato in ciascuna sezione di velocità.Un tipico esempio è il motore della serie HSM1 prodotto da BRUSA in Svizzera.La curva caratteristica HSM1-10.18.22 è come mostrata nella figura seguente.La potenza massima è di 220 kW e la coppia massima è di 460 Nm, ma il suo volume è di soli 24 litri (30 cm di diametro e 34 cm di lunghezza) e pesa circa 76 kg.La densità di potenza e la densità di coppia sono sostanzialmente paragonabili ai prodotti Tesla.Naturalmente il prezzo non è economico.Questo motore è dotato di convertitore di frequenza e il prezzo è di circa 11.000 euro.
Per quanto riguarda la domanda di veicoli elettrici, l’accumulo di tecnologia motoristica è sufficientemente maturo.Ciò che attualmente manca è un motore progettato specificamente per i veicoli elettrici, non la tecnologia per realizzare un motore del genere.Si ritiene che con la graduale maturità e sviluppo del mercato, i motori ad alta densità di potenza diventeranno sempre più popolari e il prezzo diventerà sempre più vicino alla gente.
Per quanto riguarda la domanda di veicoli elettrici, attualmente mancano solo motori appositamente progettati per i veicoli elettrici.Si ritiene che con la graduale maturità e sviluppo del mercato, i motori ad alta densità di potenza diventeranno sempre più popolari e il prezzo diventerà sempre più vicino alla gente.
La ricerca sui veicoli elettrici deve tornare all’essenza.L’essenza dei veicoli elettrici è un trasporto sicuro e conveniente, non un laboratorio tecnologico mobile, e non è necessariamente necessario utilizzare la tecnologia più avanzata e alla moda.In ultima analisi, dovrebbe essere pianificato e progettato in base alle esigenze della regione.
L’avvento di Tesla ha dimostrato che il futuro deve appartenere ai veicoli elettrici.Non si sa ancora come saranno i futuri veicoli elettrici e quale posizione occuperà la Cina nel settore dei veicoli elettrici in futuro.Questo è anche il fascino del lavoro industriale: a differenza delle scienze naturali, anche l’inevitabile risultato indicato dalle leggi delle scienze sociali richiede che le persone lo raggiungano attraverso ardui esplorazioni e sforzi!
(Autore: dottorando in ingegneria dei veicoli elettrici presso l'Università Tecnica di Monaco)
Orario di pubblicazione: 24 marzo 2022