MOBILITÀ SOSTENIBILE: VEICOLI ELETTRICI ED IBRIDI - Caratteristiche tecniche e funzionamento del powertrain elettrico

Flashcards sulle caratteristiche tecniche e il funzionamento del powertrain elettrico, inclusi concetti introduttivi, carica elettrica, corrente continua e alternata, sistemi trifase e architettura del sistema elettrico.

Cos'è la materia, in generale?

Un aggregato di molecole dove, a sua volta, ogni molecola è costituita da atomi.

Da cosa è costituito ciascun atomo?

Particelle elementari dotate di massa e, generalmente, di carica elettrica.

Quale modello viene utilizzato per descrivere la costituzione di un atomo?

Utilizza il modello dell’atomo di Bohr.

Quali sono le particelle che costituiscono un atomo secondo il modello di Bohr?

Elettroni (caricati negativamente) e nucleo (carico positivamente).

Come si dispongono gli elettroni satelliti quando sono numerosi?

Non si dispongono sulla stessa orbita ma in orbite diverse, formando anelli o cortecce.

Cosa succede a un atomo elettricamente neutro a cui vengono sottratti uno o più elettroni satelliti?

È elettrizzato positivamente.

Quando un corpo è elettrizzato negativamente?

Quando possiede un certo numero di elettroni in eccesso.

Da cosa è data la carica elettrica o quantità di elettricità di un corpo?

L’eccesso di cariche elettriche di una specie (positive o negative).

Quali sono le due azioni significative che è possibile ottenere ai fini pratici con le cariche elettriche?

La possibilità di realizzare facilmente il trasferimento delle cariche da un punto all'altro (materiali conduttori) e la possibilità di impedire lo spostamento delle cariche stesse (materiali isolanti).

Da cosa è composta naturalmente la carica elettrica?

La somma algebrica delle cariche elettriche elementari (elettroni e protoni) posseduti dal corpo.

Quali sono le due tipologie di cariche elettriche?

Positive e negative.

Cosa fanno le cariche di segno uguale?

Si respingono.

Cosa fanno le cariche di segno opposto?

Si attraggono.

Cosa sono i conduttori?

Corpi che si lasciano facilmente attraversare dalle cariche elettriche e sono capaci di guidarle secondo determinati percorsi utili.

Da cosa sono caratterizzati i materiali conduttori al loro interno?

Sono caratterizzati dalla presenza di un certo numero di elettroni liberi, totalmente svincolati dai rispettivi nuclei.

Cosa sono gli isolanti?

Corpi attraverso cui l'elettricità non può trasmettersi e propagarsi.

Quali elementi vengono opportunamente trattati tramite il processo di drogaggio per essere utilizzati come semiconduttori?

Silicio e germanio.

Come si suddividono i materiali magnetici a seconda del tipo di interazione?

Diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici.

Cos'è la corrente elettrica?

Moto ordinato di cariche elettriche attraverso un mezzo fisico.

Come è definita la corrente convenzionale (direzione positiva della corrente)?

Il movimento di cariche positive.

Qual è l'unità di misura della corrente?

L'Ampere (A).

Come può essere considerato un generatore elettrico?

Sistema capace di separare e mettere in movimento degli elettroni liberi presenti nei conduttori di cui è formato.

Cos'è il potenziale elettrico di un punto?

Il valore dell’energia potenziale posseduta dalla carica unitaria dislocata in un determinato punto.

Cos'è la differenza di potenziale (o tensione elettrica)?

Misura della forza che spinge le cariche elettriche a muoversi in un circuito elettrico.

Cosa stabilisce la legge di Ohm?

La corrente elettrica che attraversa un conduttore è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore.

Cosa riguarda la differenza tra corrente continua (CC) e corrente alternata (CA)?

La variazione nel tempo dell'intensità e della direzione della corrente elettrica.

Qual è la caratteristica della corrente continua?

Ha un valore costante nel tempo e non cambia direzione.

Da cosa è generata la corrente alternata?

Alternatori.

Qual è la forma d’onda più comune della corrente alternata?

Sinusoidale, con una frequenza di 50 Hz in Europa.

Da cosa è generata la corrente continua?

Tensione continua.

Da cosa è generata la corrente alternata?

Tensione alternata.

Come viene comunemente descritta la tensione sinusoidale?

Valore efficace (RMS, Root Mean Square), pari a Vrms=Vmax/radice(2).

Come è rappresentata la tensione monofase?

Un'unica onda sinusoidale.

Da cosa è composto un sistema monofase dal punto di vista del circuito?

Conduttore di fase (marrone) e uno di neutro (blu).

Qual è la tensione in un sistema trifase?

400 V tra le fasi.

Cosa sfrutta un sistema trifase?

Sfrutta tre fasi sfasate di 120° tra loro.

Qual è un vantaggio delle linee trifase rispetto a quelle monofase?

Richiedono minore quantità di materiale conduttore (rame o alluminio) rispetto alle linee monofase per trasmettere la stessa quantità di potenza.

Quali sono alcuni esempi di utilizzatori monofase?

Elettrodomestici come televisori, frigoriferi, lavatrici e impianti di illuminazione.

Quali sono alcuni esempi di utilizzatori trifase?

Motori elettrici industriali, pompe, compressori, forni industriali, macchine utensili e ascensori.

Come funziona l'impianto elettrico di casa?

Funziona, come per l’intero sistema elettrico, in corrente alternata con frequenza di 50 Hz.

Come è organizzato un sistema elettrico per l’energia, come quello italiano?

Produzione (centrali elettriche), trasmissione (rete ad alta tensione) e distribuzione (rete a media e bassa tensione).

Qual è la tensione di uscita tipica delle centrali elettriche?

10-30 kV.

Quali sono i livelli di tensione utilizzati nella sezione di trasmissione dell'energia elettrica?

380 kV e 220 kV.

In quali sezioni è divisa la fase di trasmissione?

Primaria e secondaria.

Qual è il livello di tensione per la distribuzione primaria?

20 kV (in Italia, ma può variare tra 6 e 35 kV in altri Paesi).

Qual è la tensione nella distribuzione secondaria?

400 V (trifase) / 230 V (monofase per utenze domestiche).

A cosa è composto principalmente il sistema di propulsione elettrica (powertrain)?

Alle batterie, al convertitore, al motore elettrico e al sistema di trasmissione.

Cosa utilizza spesso un veicolo elettrico dal punto di vista costruttivo?

Una piattaforma dedicata (skateboard) che integra il pacco batteria sotto il pianale.

Quali materiali leggeri vengono utilizzati in un veicolo elettrico per compensare il peso delle batterie?

Alluminio e compositi.

Quali sono i parametri che possono essere definiti per tutti i sistemi di accumulo?

Energia specifica, potenza specifica, densità di energia, densità di potenza ed efficienza.

Cos'è il grafico di Ragone?

Strumento utilizzato per visualizzare il compromesso tra energia immagazzinata e potenza erogata in dispositivi di accumulo energetico.

Attraverso quali processi elettrochimici una batteria immagazzina e rilascia energia elettrica?

Il processo di carica e di scarica.

Quali sono i quattro elementi principali di ogni cella di una batteria?

Anodo (elettrodo negativo), catodo (elettrodo positivo), elettrolita e separatore.

Dove sono utilizzate le batterie al piombo (Pb-acid)?

Utilizzate in veicoli elettrici leggeri e modelli più vecchi.

In quali auto sono utilizzate le batterie al nichel-metallo idruro (Ni-MH)?

Toyota Prius e Honda Insight (entrambe ibride).

In quali auto sono utilizzate le batterie agli ioni di litio (Li-ion)?

Tesla Model 3, Tesla Model S, Volkswagen ID.4, Hyundai Kona Electric.

In quali auto sono utilizzate le batterie al litio ferro fosfato (LiFePO₄)?

Tesla Model 3 (versioni base in Cina), BYD Han EV, MG4 Electric.

Quali sono le forme delle celle nelle batterie?

Cilindrica, prismatica o pouch (a sacchetto).

Qual è la struttura delle batterie per gli EVs?

Celle, moduli e pacchi batteria.

Quali sono le grandezze elettriche prestazionali delle celle?

Tensione nominale, capacità nominale, energia immagazzinata, ciclo di vita e State of Charge.

Cos'è la tensione nominale di una cella?

Il valore medio della tensione che la cella fornisce durante il normale funzionamento.

Cos'è la capacità nominale di una cella?

La quantità di carica elettrica che la batteria può fornire o accumulare.

Cos'è l'energia immagazzinata di una cella?

Rappresenta la quantità totale di energia elettrica che la batteria può fornire o accumulare.

Cos'è il ciclo di vita delle batterie?

Numero di cicli di carica e scarica che la batteria può completare prima che la sua capacità si riduca a un valore non più accettabile.

Da cosa dipende il numero di cicli di carica/scarica che le celle ricaricabili possono sostenere?

Tipo di batteria, profondità di scarica, temperatura di utilizzo e velocità di carica/scarica.

Cos'è il State of Charge (SOC)?

Rappresenta il livello di carica residua rispetto alla sua capacità totale.

Cosa fa il sistema di gestione della batteria (BMS)?

Monitora costantemente lo stato di carica (SoC), la temperatura e le prestazioni delle celle.

Cosa fanno i sistemi di raffreddamento nel pacco batteria?

Mantengono la temperatura operativa ottimale, prevenendo surriscaldamenti.

Cosa fa il rivestimento protettivo del pacco batteria?

Assicura l'integrità fisica del pacco batteria e lo protegge da urti e agenti esterni.

Come funziona un supercondensatore?

Accumula carica elettrica attraverso un processo elettrochimico.

Qual è uno svantaggio dei supercondensatori?

Bassa densità energetica.

In quali configurazioni è sempre più utilizzata la combinazione tra supercondensatore e batteria negli veicoli elettrici?

Alte prestazioni, come l'accelerazione rapida o il recupero energetico durante la frenata.

Da cosa sono generalmente costituite le macchine elettriche?

Materiali conduttori, isolanti e magnetici.

In che modo può avvenire la conversione delle macchine elettriche rotanti, ovvero in ambedue i sensi?

Da motore o da generatore (o freno).

Cosa sono i dati di targa di un motore elettrico?

Le informazioni tecniche fondamentali riportate sulla targa metallica fissata al motore.

Quali sono le parti fondamentali di un motore elettrico?

Statore e rotore.

Cosa fa il carico meccanico?

Determina il momento torcente richiesto per mantenerlo in movimento.

Quali sono i tipi di motori in corrente alternata utilizzati nei veicoli elettrici?

Motori asincroni (o a induzione), motori sincroni e motore a riluttanza commutata.

Qual è la struttura di rotore maggiormente diffusa per i motori asincroni?

Gabbia di scoiattolo.

Sulla base di cosa si distinguono i motori IPMSM e SPMSM?

Sulla disposizione dei magneti permanenti sul rotore (internamente o sulla sua superficie).

Quali veicoli utilizzano motori a riluttanza commutata (SRM)?

Land Rover Defender Electric e Tesla Model 3.

Di cosa si occupa l’elettronica di potenza?

Conversione e controllo dell’energia elettrica mediante dispositivi elettronici a semiconduttore.

Quali sono i principali dispositivi a semiconduttore?

Diodo, tiristore, MOSFET e IGBT.

Quali sono le tipologie di convertitori esistenti?

Raddrizzatore, inverter, chopper e convertitore AC-AC.

Cos'è un convertitore elettronico di potenza?

Trasforma l’energia elettrica modificandone tensione, corrente o frequenza, utilizzando componenti a semiconduttore.

Cos'è il sistema di trasmissione?

L'insieme dei componenti che trasmettono la potenza generata dal motore alle ruote motrici di un veicolo.

Qual è il compito principale della trasmissione?

Adattare la potenza e la coppia del motore alle condizioni di guida, bilanciando velocità e forza.

Quali sono i principali elementi della trasmissione dei BEVs?

Riduttore a rapporto fisso e differenziale (se presente).

Di cosa è dotato il veicolo in configurazioni parallele?

Trasmissione manuale, automatica o a doppia frizione.

Qual è il compito dell'inverter?

Ha il compito di adattare le caratteristiche della tensione e della corrente per alimentare il motore elettrico nel modo più efficiente possibile.

Cosa fa il motore elettrico?

Trasforma l’energia elettrica in energia meccanica e genera coppia e rotazione.

Qual è uno degli elementi chiave del controllo del powertrain di un veicolo elettrico?

Vehicle Control Unit.

Attraverso cosa interagisce il pilota con il sistema?

Acceleratore.

Durante una frenata, cosa succede con il motore dell'auto?

Le macchine elettriche hanno un funzionamento reversibile: possono funzionare da motori o da generatori.

Quali sono le principali unità di controllo che gestiscono la logica di funzionamento del powertrain?

Vehicle Control Unit (VCU), Powertrain Control Unit (PCU), Motor Control Unit (MCU), Inverter Control (ICU), Battery Management System (BMS), Transmission Control Unit (TCU) e Power Management Unit (PMU).

Cos'è la Vehicle Control Unit (VCU)?

È il "cervello" principale del sistema di controllo del veicolo e coordina il funzionamento di tutti i sottosistemi.

Cos'è la Powertrain Control Unit (PCU)?

Coordina la gestione del motore elettrico e della trasmissione.

Cos'è l'Inverter Control Unit (ICU)?

È responsabile della gestione dell’inverter per garantire che il motore riceva l’alimentazione corretta in termini di ampiezza della tensione e frequenza.

Cos'è la Motor Control Unit (MCU)?

È responsabile specificamente del controllo del motore elettrico.

Qual è il compito el Battery Management System (BMS)?

Monitorare e controllare il funzionamento della batteria.