Volt e kWh: cosa misurano in un’auto elettrica

Quando si parla di chilometri per litro di carburante siamo tutti a nostro agio in quanto sono parametri a noi familiari, ma che dire quando leggendo le specifiche di un'auto elettrica vediamo unità di misura diverse?

Un esempio sono volt e kWh: cosa misurano in un'auto elettrica? Con la diffusione sempre maggiore di veicoli a batteria, potreste infatti incontrare sempre di più termini che sono fondamentali per comprendere le prestazioni dell'auto e, in caso di acquisto, e consentirci di fare una scelta più oculata. Quindi non perdiamo altro tempo e andiamo a scoprire cosa significano, ricordandovi prima le differenze tra ricarica in corrente continua e in corrente alternata.

• Cosa misurano i Volt in un'auto elettrica
• Cosa misurano i kWh in un'auto elettrica

Per comprendere le auto elettriche, i tre termini basilari da cui partire sono tensione, corrente e potenza, grandezze fisiche dell'elettricità che ci consentono di chiarire cosa avviene sotto al cofano di un veicolo a batteria.

La corrente è definita come la velocità con cui l'elettricità (o carica) si muove attraverso una superficie, che in genere è un conduttore a forma di cavo, mentre per spingere la corrente lungo il filo ci vuole una certa energia, ovvero la tensione (elettrica). Ma qual la relazione tra queste due grandezze fisiche? Per questo entra in gioco la potenza elettrica, che è approssimativamente la corrente moltiplicata per la tensione.

Noterete subito che avere una potenza elevata può derivare da un'alta tensione, un'alta corrente o da un alto livello di entrambe.

Come si misurano queste grandezze? Grazie a specifiche unità di misura, proprio come le distanze si misurano in metri. Per la tensione si utilizzano i volt (V), in onore del fisico Alessandro Volta, che nel 1799 inventò la pila voltaica e a cui, nel 1880, l'International Electrical Congress dedicò l'unità di misura della forza elettromotrice.

La corrente è invece misurata in ampere (A), in onore del fisico André-Marie Ampère che per primo sviluppò i primi modelli matematici per la descrizione dei fenomeni dell'elettromagnetismo e a cui venne dedicata l'unità di misura per la corrente elettrica.

La potenza è invece espressa in watt (W), in onore dell'inventore James Watt che tanto contribuì allo sviluppo della macchina a vapore e che in un certo senso contribuì in modo fondamentale alla Rivoluzione Industriale.

Come regola generale, le unità di misura quando non sono accompagnate da una cifra vanno indicate con il nome per intero in minuscolo, mentre se associate a un valore si utilizza l'abbreviazione, con uno spazio tra la cifra e l'unità di misura. Quindi si scrive volt se isolato, mentre con una cifra si scrive 300 V. 

Torniamo alle auto elettriche, dove uno degli argomenti più importanti riguarda la ricarica della batteria. La metrica più comune utilizzata quando si discute della ricarica delle auto elettriche sono i kilowatt (abbreviati come kW, con la "k" minuscola). Questo perché i watt sono una misura della potenza, che è correlata alla tensione e alla corrente. Quindi ha senso dire che maggiore è l'uscita in kW di un punto di carica, più carica rimetterete nella vostra batteria in un tempo prestabilito.

Ma come abbiamo detto i watt sono il prodotto della tensione per la corrente, quindi a una elevata potenza corrisponde o un'elevata tensione, o un'elevata corrente o entrambe. Per fare un esempio, una ricarica a 22 kW corrisponde a una tensione di 400 V e a una corrente di 32 A. 

La tensione non si applica solo alla carica, ma anche al potenziale delle batterie. La tensione di una batteria rappresenta la quantità di potenziale elettrico che detiene, ovvero la differenza di potenziale elettrico tra il terminale positivo e quello negativo, ed è ovviamente misurata in volt.

Potenziale elettrico significa la differenza di carica tra due punti - in questo caso, i due terminali di una batteria. Uno è caricato positivamente, e l'altro è caricato negativamente. Una carica negativa significa semplicemente che c'è un eccesso di particelle caricate negativamente, o elettroni, sul terminale, mentre un terminale caricato positivamente ha una mancanza di quegli elettroni. La separazione fisica dei due terminali impedisce agli elettroni di viaggiare dal terminale caricato negativamente a quello caricato positivamente, e una volta che i due terminali sono collegati, tramite un circuito, per esempio, gli elettroni sono liberi di viaggiare lungo il percorso, passando dall'elettrodo negativo a quello positivo.

Questo movimento degli elettroni è chiamato corrente elettrica, che come abbiamo detto si misura in ampere.

Le batterie variano da poche centesimi di volt a molte centinaia di volt, a seconda delle dimensioni e della costruzione della batteria. Per semplificare, si può pensare a una batteria come a un tubo, dove la tensione è la pressione dell'acqua al suo interno. 

Abbiamo divagato, ma per una buona ragione. Nelle auto elettriche i pacchi batteria sono costituiti da centinaia di piccole batterie, non dissimili da quelle che utilizziamo per il telecomando (anche se in quel caso sono alcaline e nelle auto sono agli ioni di litio), che sono inserite in una configurazione in serie/parallela per raggiungere la tensione e la capacità desiderate nel pacchetto finale. Un pacchetto comune è composto da blocchi in serie di 18-30 celle parallele per ottenere una tensione desiderata. Ad esempio, un pacchetto nominale da 400V avrà spesso circa 96 blocchi (come nella Tesla Model 3).

Le tensioni nominali comuni nei veicoli in corrente vanno da 100V-200V per i veicoli ibridi/plug-in ibridi e da 400V a 800V e superiori per i veicoli solo elettrici. La ragione di questo è che le tensioni più elevate consentono di trasferire più potenza con meno perdite a parità di diametro (e massa) del cavo di rame, quindi aumentare la velocità di ricarica, il che significa un tempo di ricarica ridotto.

E il bello è che il quantitativo è proporzionale. Passare a 400 V a 800 V dimezza il tempo di carica. 

Ora che abbiamo spiegato cosa siano i kW nella ricarica e i volt nella batteria, possiamo passare ai kWh per definire la capacità di una batteria.

Cos'è un kWh? Un kilowattora non è il numero di kilowatt utilizzati in un'ora, ma è la quantità di energia consumata dall'esecuzione di un singolo apparecchio da 1.000 W, o mille elettrodomestici da 1 W, per un'ora.

Per esempio, ci vogliono 10 ore di illuminazione da una lampadina da 100 W per consumare 1 kWh di potenza.

Per fare un esempio, diciamo che abbiamo un pacco batteria da 10 kWh. Se avessimo un motore da 5 kW che alimenta le ruote, saremmo in grado di guidare per due ore (cioè 10 divisi per 5). Allo stesso modo, se avessimo il nostro motore elettrico da 5 kW più un sistema audio da 3 kW e un sistema di climatizzazione da 2 kW, saremmo in grado di guidare solo per un'ora (10 divisi per 5 + 3 + 2).

Quindi maggiore è il numero in kWh, maggiore sarà la capacità della batteria, di fornire una potenza impostata (in kilowatt) per un periodo di tempo (in ore). Le batterie EV di oggi vanno da 28,3 kWh della Dacia Spring a circa 200 kWh per i SUV più grandi (tipo Hummer).

Ma non tutte le specifiche della batteria sono le stesse, e non tutti i produttori spiegano cosa rappresentano le loro capacità della batteria.

Ci sono due metriche diverse:

• La capacità lorda o totale, ovvero la quantità totale di energia che la batteria può teoricamente contenere.
• La capacità netta o utilizzabile è la quantità di energia a cui l'auto può effettivamente attingere per spingersi.

La differenza è necessaria perché non si scarica mai una batteria di un'auto completamente, così come non si carica mai al 100%. Questi margini servono per evitare che le batterie si danneggino, e sono solo pochi punti percentuali, ma contano.

La confusione arriva quando i produttori citano una capacità della batteria senza dire se è lorda o netta. Ad esempio: la Porsche Taycan, il primo veicolo elettrico del marchio, era proposto con batterie da 93,4 kWh e 79,2 kWh. Ma erano le lorde, in quanto le capacità utilizzabili erano rispettivamente 83,7 kWh e 71,0 kWh.

C'è un ultimo punto da chiarire. Perché definiamo le batterie degli smartphone in mAh e le batterie delle auto in kWh? Perché gli ampereora dicono quanta corrente può fornire una batteria per un determinato periodo di tempo.

Ad esempio, un pacco batteria valutato a 2 Ah per un periodo di un'ora sarà in grado di fornire 2 ampere di elettricità per un'ora.

Quindi gli ampereora definiscono la capacità di una batteria, mentre i kilowattora definiscono l'energia. Ma se abbiamo tensioni diverse, è impossibile confrontare le capacità delle varie batterie, come avviene per le batterie delle auto (come abbiamo visto nel capitolo precedente). Mentre ciò non accade per gli smartphone. Ma se utilizziamo i kilowattora, abbiamo una misura direttamente proporzionale agli ampereora, includendo anche l'informazione della tensione. E ottenere così misure confrontabili a qualsiasi tensione.