{"id":3131,"date":"2020-11-23T11:29:12","date_gmt":"2020-11-23T11:29:12","guid":{"rendered":"https:\/\/aluminiumandalloys.com\/?p=3131"},"modified":"2020-11-23T11:38:18","modified_gmt":"2020-11-23T11:38:18","slug":"auto-elettriche","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.publiteconline.it\/ael\/auto-elettriche\/","title":{"rendered":"L\u2019alluminio per i contenitori delle batterie nelle auto elettriche"},"content":{"rendered":"\n
Il pacco batteria \u00e8 uno degli elementi pi\u00f9 delicati e costosi di un\u2019auto elettrica. Il contenitore in alluminio garantisce leggerezza e resistenza agli urti, uniti all\u2019elevata conduzione termica necessaria per il sistema di gestione della temperatura della batteria<\/h2>\n\n\n\n
L\u2019auto elettrica sembra destinata a essere il futuro dell\u2019industria automobilistica mondiale. In realt\u00e0 ci sono ancora diversi ostacoli che rallentano il completo successo di questa tecnologia. I principali freni a questo sviluppo sono essenzialmente legati ai costi di produzione delle batterie e alla loro successiva sostituzione, ai tempi di ricarica delle auto totalmente elettriche, ai costi della ricarica che possono essere paragonati ai costi del GPL, allo smaltimento delle batterie a fine ciclo e infine dal fatto che ancora la maggior parte dell\u2019energia elettrica prodotta proviene da combustibili fossili. Tutti questi punti di criticit\u00e0 sono per\u00f2 in parte superabili, ed \u00e8 molto importante al riguardo la spinta della Comunit\u00e0 Europea e quella dei governi locali che, grazie agli incentivi, sta permettendo un rapido aumento delle vendite di auto a trazione \u201cpulita\u201d. <\/p>\n\n\n\n
Figura 1: Previsione globale vendite auto al 2030 per tipo di propulsione<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Gli aspetti negativi passano infatti in secondo piano rispetto all\u2019esigenza di contenere le emissioni di CO2<\/sub> nella nostra atmosfera. Tra tutti i materiali utilizzati per la fabbricazione delle auto elettriche, l\u2019alluminio ha da diversi anni aumentato la propria penetrazione, perch\u00e9, al di l\u00e0 del fattore alleggerimento, assicura riduzione dei costi di assemblaggio, garanzia di completo riciclaggio a fine ciclo vita, durabilit\u00e0 e resistenza agli agenti atmosferici e alla corrosione, semplicit\u00e0 di montaggio, minori costi di manutenzione e altro ancora. Le previsioni di vendita delle auto elettriche, per convenzione suddivise in BEV (Battery Electric Vehicle), vale a dire a propulsione esclusivamente elettrica e HEV (Hybrid Electric Vehicle), cio\u00e8 le auto ibride, segnalano un trend di aumento notevole. Al di l\u00e0 dell\u2019imprevedibile stop del 2020, dovuto alla pandemia Covid-19, le auto elettriche dovrebbero rappresentare nel 2030 una quota di mercato superiore al 30% del totale. Allo stato attuale il contenuto dei vari prodotti in alluminio utilizzati nei diversi segmenti delle auto nel mondo \u00e8 riassunto nella figura 2, tratta da uno studio di DuckerFrontier pubblicato a fine 2019.<\/p>\n\n\n\n
Figura 2: Contenuto alluminio per segmento di automobile in EU (Source: DuckerFrontier, 2019)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
I dati, elaborati analizzando un grande numero di modelli attualmente in produzione, riportano i valori medi di contenuto di alluminio per auto suddivisi nelle quattro principali categorie di utilizzo: laminati (rolling), estrusi (extrusions), getti di fonderia (casting) e forgiati (forging). Come si pu\u00f2 vedere i getti di fonderia (componenti del motore e i cerchi in lega in particolare) rappresentano largamente il formato pi\u00f9 utilizzato, con circa 116 kg per auto e un totale di quasi 2.000 kt prodotte in EU nel 2019. Lo sviluppo delle auto elettriche, che utilizzano una maggiore quantit\u00e0 di metallo leggero, permetter\u00e0 di incrementare l\u2019utilizzo medio di alluminio per auto, come riportato nella previsione della figura 4.<\/p>\n\n\n\n
Figura 3: Contenuto medio di alluminio per auto e per categoria di componente utilizzato nel 2019 (fonte: elaborazione dell\u2019autore da dati DuckerFrontier ed European Aluminium)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Da questi dati previsionali si pu\u00f2 immediatamente notare l\u2019incremento dell\u2019impiego degli estrusi e dei laminati, con una sostanziale stabilit\u00e0 per i forgiati. I getti di fonderia dovrebbero ridurre la propria quota percentuale, proprio a causa dell\u2019introduzione dei motori elettrici, che utilizzano metallo in quantit\u00e0 inferiori rispetto al tradizionale blocco motore della trazione a combustibile. Diamo quindi un\u2019occhiata in particolare alle batterie e al loro alloggiamento.<\/p>\n\n\n\n
Figura 4: Previsione del contenuto medio di alluminio per auto e per categoria di componente utilizzato nel 2025 (fonte: elaborazione dell\u2019autore da dati DuckerFrontier ed European Aluminium) <\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
L\u2019alluminio nelle auto elettriche<\/h3>\n\n\n\n
Gli involucri delle batterie per veicoli elettrici (battery cases, chiamati anche telai, alloggiamenti o pacchi batteria) hanno uno scopo piuttosto semplice: trattenere e proteggere i moduli batteria. Naturalmente, sono disponibili in varie forme e dimensioni e possono essere facilmente adattati alle diverse particolarit\u00e0 dei moduli batteria. Proprio come altre parti di automobili, gli involucri delle batterie sono un\u2019arena per una serie di materiali che si disputano la supremazia: l\u2019alluminio, l\u2019acciaio ad alta resistenza, la fibra di carbonio e il magnesio. Mentre molte custodie sono attualmente realizzate in acciaio (o una combinazione di alluminio e acciaio), a lungo andare l\u2019alluminio sembra avere il sopravvento, soprattutto grazie alla sua leggerezza e alle caratteristiche tecniche favorevoli. I produttori di automobili si aspettano che i costi del sistema delle batterie, che ora rappresentano tra il 30 e il 50% del costo totale di un\u2019auto elettrica, sia destinato a diminuire in futuro.<\/p>\n\n\n\n
Schema del pacco batteria di un veicolo elettrico<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Le caratteristiche richieste ai contenitori per le batterie<\/h3>\n\n\n\n
La conduttivit\u00e0 termica \u00e8 di fondamentale importanza per gli involucri delle batterie, perch\u00e9 devono fornire capacit\u00e0 di trasferimento termico (come nel sistema di frenata di un\u2019auto) per mantenere la batteria fresca o tenerla calda quando fa freddo. Pertanto, la struttura costruttiva pu\u00f2 influire in modo significativo sulle prestazioni e sul ciclo di vita dei moduli batteria, poich\u00e9 le variazioni di temperatura da modulo a modulo in un pacco batteria potrebbero comportare una riduzione delle prestazioni. Allo stesso tempo, il materiale deve avere una resistenza meccanica e agli urti in grado di proteggere i moduli batteria da danni, cos\u00ec come per altre parti di un veicolo. I propulsori elettrici ibridi (HEV) sono generalmente pi\u00f9 impegnativi di quelli dei veicoli elettrici a batteria, perch\u00e9 generano pi\u00f9 calore, e per questo motivo devono avere un sistema di gestione termica. Il sistema di gestione termica deve essere compatto e leggero, facilmente installabile nel veicolo, affidabile ed economico. Per controllare la temperatura di un pacco batteria nell\u2019intervallo di temperatura ottimale, \u00e8 necessario ridurre il calore dai moduli durante la stagione calda e aumentarlo durante la stagione fredda. La gestione e il controllo termico degli involucri delle batterie possono essere ottenuti tramite sistemi ad aria o a liquido per l\u2019isolamento o l\u2019accumulo termico con approcci attivi o passivi o una combinazione di entrambi i sistemi. L\u2019insieme di questi requisiti fa dell\u2019alluminio il materiale ideale per questo impiego, in virt\u00f9 delle sue note capacit\u00e0 di veloce conduttore di energia termica.<\/p>\n\n\n\n
L\u2019involucro batterie prodotto da Novelis<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
Esempi di progettazione e tecniche costruttive di contenitori per batterie<\/h3>\n\n\n\n
Un buon design degli involucri della batteria utilizza gli estrusi di alluminio per semplificare il processo di assemblaggio e il fissaggio dei singoli moduli della batteria. Gli estrusi permettono inoltre un migliore assorbimento di energia in caso d\u2019incidente, rispetto ad altri materiali e processi. I grandi involucri possono influire sull\u2019intera architettura della carrozzeria. In alcuni modelli, gli involucri delle batterie sono grandi quanto l\u2019intero pianale dell\u2019auto. Ci\u00f2 significa che devono essere integrati con cura nella struttura dell\u2019auto e devono interagire con il corpo dell\u2019auto. Alcuni tra i principali produttori di alluminio per l\u2019industria automobilistica hanno sviluppato i propri gruppi di custodie per batterie con sistemi di gestione termica, come, tra gli altri, Constellium, Novelis e Hydro. Gli involucri delle batterie di Constellium, sono prodotti da leghe di alluminio ad alta resistenza e progettati per sopportare urti e allo stesso tempo raffreddare i singoli moduli utilizzando un innovativo design e sofisticate tecniche di giunzione. Per la parte inferiore e superiore degli involucri sono stati utilizzati laminati in leghe delle famiglie 3xxx, 5xxx e 6xxx, per la loro buona conduttivit\u00e0 termica e resistenza alla corrosione, nonch\u00e9 per la facile formabilit\u00e0. Altro pregio dell\u2019involucro in alluminio, \u00e8 la capacit\u00e0 di creare uno schermo elettromagnetico naturale, che contribuisce a bloccare le interferenze con altri sistemi elettrici o elettronici del veicolo.<\/p>\n\n\n\nSchema del sistema di propulsione di un\u2019auto elettrica (Jaguar I-Pace)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
La struttura della custodia prodotta da Constellium \u00e8 costituita da elementi in alluminio estruso tubolari. La cavit\u00e0 \u00e8 riempita con un materiale a cambiamento di fase, una sostanza che assorbir\u00e0 e rilascer\u00e0 energia termica durante il congelamento o la fusione. \u00c8 un materiale simile alla cera che funge da sistema di raffreddamento passivo per una batteria, le cui propriet\u00e0 consentono al materiale di trattenere il calore o di \u201csciogliersi\u201d per allontanare il calore dalla batteria. Schermando la batteria da temperature estreme, la struttura del contenitore aiuta a prolungarne la durata utile. La soluzione scelta da Novelis per la fabbricazione della custodia prevede l\u2019utilizzo di laminati in lega di alluminio riciclato della serie Advanz\u2122, una soluzione che \u00e8 anche in grado di assicurare la protezione necessaria contro gli urti e l\u2019intrusione di detriti stradali o pietre. La lega utilizzata ha alta formabilit\u00e0 e al contempo ha una buona resistenza alla rottura e ottime propriet\u00e0 di assorbimento di energia. Il vano \u00e8 progettato per ospitare moduli batteria da 90 kWh, dimensione utilizzata nei pick-up elettrici o in SUV di grandi dimensioni; il design \u00e8 comunque adattabile anche a batterie di dimensioni diverse. Utilizzando lamiere anzich\u00e9 estrusi o getti di fonderia, la soluzione permette di ottenere un buon contenimento dei costi. Novelis ha progettato e fornito la lega Advanz riciclata, in particolare per il modello di Jaguar Land Rover I-PACE in vendita nel Regno Unito. I laminati in alluminio riciclato impiegati nell\u2019auto sono prodotti negli stabilimenti Novelis di Sierre, in Svizzera, e Nachterstedt, in Germania.<\/p>\n\n\n\n
In collaborazione con Audi, Hydro Aluminium ha sviluppato il sistema di alloggiamento della batteria per l\u2019Audi e-tron, il primo modello completamente elettrico del costruttore tedesco. La vettura monta un pacco batterie da 95 kWh di capacit\u00e0 e tensione nominale di 396 Volt, costituito da 36 moduli di celle agli ioni di litio,\u00a0che si presentano come alloggiamenti in alluminio a forma di parallelepipedo. Sono 12 le celle \u201cpouch\u201d contenute in ogni modulo e sono dotate di un rivestimento esterno flessibile in materiale plastico rivestito di alluminio, capaci di garantire una lunga durata a fronte di una maggiore densit\u00e0 di potenza ed energia. Un altro compito dell\u2019alluminio nella nuova e-tron \u00e8 di custodire la batteria e proteggerla nella parte inferiore tramite un\u2019apposita lamiera. Per la produzione di profilati per l\u2019automotive, Hydro ha utilizzato, tra le altre, anche la nuova lega ad alta resistenza HS 400 AlMgSi, presentata in dettaglio nel numero 1-2019 di A&L.<\/p>\n\n\n\nLa nuova Jaguar I-PACE completamente elettrica<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
Il mercato futuro degli estrusi in alluminio per l\u2019auto elettrica<\/h3>\n\n\n\n
Bloomberg New Energy Finance stima che la quantit\u00e0 di estrusi di alluminio raggiunger\u00e0 80 kg per veicolo elettrico nei prossimi anni, molto pi\u00f9 di quanto previsto da Ducker, come riportato nel grafico della figura 5, inclusa anche la quantit\u00e0 richiesta per gli involucri delle batterie. Contando il mercato cinese, entro il 2040, il quantitativo totale di estrusi di alluminio richiesto per i veicoli elettrici potrebbe superare i tre milioni di tonnellate.<\/p>\n\n\n\n
Figura 5: Previsione della crescita mondiale del consumo di estrusi al 2026 (fonte: Geoff Scamans, Innoval Technology and Brunel University)<\/figcaption><\/figure><\/li>
Figura 6: Valori storici medi delle emissioni di CO2 e obiettivi di CO2 stabiliti per le nuove autovetture in UE. Tutti i valori di CO2 si riferiscono a misurazioni secondo il New European Driving Cycle (NEDC) (fonte: ICCT)<\/figcaption><\/figure><\/li><\/ul><\/figure>\n\n\n\n
Per questo motivo, un gran numero di nuove presse di estrusione dovr\u00e0 essere installato in tutto il mondo per soddisfare la crescente domanda, e in parallelo dovranno aumentare le capacit\u00e0 di trattamento termico e finitura richieste per fornire agli estrusi di alluminio per autoveicoli le caratteristiche di qualit\u00e0 e prestazioni richieste. La competizione sui metalli sostenibili continuer\u00e0 tra alluminio e acciaio, soprattutto perch\u00e9 la differenza di prezzo tra i due diminuisce se le custodie in alluminio sono realizzate con alluminio riciclato. Le leghe di alluminio estruso sono una scelta ottimale e sostenibile per la selezione negli involucri delle batterie, soprattutto se opportunamente associate alle strutture dei veicoli che in precedenza lo hanno ridotto a favore del pi\u00f9 economico acciaio. Il consumo di alluminio nei veicoli elettrici dovrebbe accelerare nei prossimi anni anche perch\u00e9 Covid-19 ha di fatto accelerato il passaggio a una ripresa economica pi\u00f9 ecologica e sostenibile. Le auto elettriche, con l\u2019alluminio e la sua leggerezza, consentiranno la riduzione delle emissioni di CO2<\/sub> nell\u2019aria, e questo sar\u00e0 un fattore determinante e da tenere nella massima considerazione per il nostro futuro \u201cgreen\u201d.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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