Le tecnologie chiave per i veicoli elettrici – I pacchi batteria

A causa delle crescenti preoccupazioni legate al notevole contributo di auto e camion alimentati con combustibili fossili al riscaldamento globale, l’industria automobilistica ha reagito proponendo veicoli sempre più “elettrificati” e decidendo di adottare, apparentemente quasi all’unanimità, un unico tipo di batteria per questo tipo di veicoli: quella agli ioni di litio (Li-Ion). Quando il mercato delle batterie ricaricabili per uso domestico, una volta appannaggio delle batterie NiCd (nichel-cadmio) e successivamente delle batterie niMH (Nickel-Metal-Hydride), ha iniziato ad adottare le batterie agli ioni di litio, si è assistito a una profonda trasformazione del mondo dell’elettronica portatile. La densità di energia delle batterie a ioni di litio può variare da 100 a 250 Wh/kg: si tratta di valori all’incirca doppi e quadrupli rispetto a quelli delle batterie NiMH e NiCd rispettivamente. I combustibili fossili, dal canto loro, sono caratterizzati da una densità di energia pari a circa 12.000 Wh/Kg. A fronte di questa evidente disparità, non va comunque dimenticato il fatto che la potenza elettrica può essere convertita in movimento in maniera più efficiente rispetto alla combustione di combustibili fossili e l’utilizzo delle tecnologia di frenata rigenerativa permette di ricaricare la fonte di energia, operazione questa impossibile da effettuare nei veicoli alimentati a benzina o diesel.

Batterie agli ioni di litio

Ioni di litio è un termine generico utilizzato per indicare un’ampia gamma di sostanze chimiche che comprendono litio-ossido di manganese (LMO – Lithium Manganese Oxide), litio-ossido di titanio (Lithium Manganese Titanate, con catodo a base di manganese e anodo in titanato di litio) e nanofostati di litio, solo per citarne alcuni.

Ciascun tipo di batteria si pone l’obiettivo di ottimizzare la densità di energia, bilanciandola con la sicurezza della cella in condizioni di funzionamento pericolose, costi e prestazioni in termini di potenza erogata. Tutte le sostanze chimiche menzionate, e molte altre ancora, vengono utilizzate nei modelli di veicoli elettrici (EV) al momento disponibili.

La batteria di un veicolo elettrico è intrinsecamente un sistema complesso, formato da diversi componenti che vengono comunemente chiamati cella, modulo e pacco. La cella è l’unità elementare che funziona e assomiglia a qualsiasi batteria cilindrica o piatta presente nei tipici prodotti di consumo come giocattoli e dispositivi portatili. Solitamente le celle a ioni di litio sono caratterizzate da una tensione di circuito aperto compresa tra 3,2 e3,7 V e una tensione di ricarica compresa tra 3,6 e 4,2 V in funzione della chimica utilizzata.

I moduli sono formati da più celle contenute in una struttura metallica che serve da protezione contro urti, vibrazioni e calore mentre il pacco, a sua volta, è l’insieme di più moduli: qui è dove il livello di complessità aumenta in modo significativo. In un’auto elettrica le celle devono essere protette in caso di incidente. Gli elevati livelli di energia immagazzinata potrebbero causare incendi o esplosioni nel caso in cui  un incidente dovesse provocare un corto circuito. Dal punto di vista elettrico, il pacco richiede la presenza di un sistema per la gestione della batteria (BMS – Battery Management System). Questo sistema effettua il monitoraggio dello stato di carica della batteria, teoricamente fino al livello di ogni singola cella, la temperatura di funzionamento e la velocità di scarica. Queste informazioni vengono condivise con gli altri sistemi presenti a bordo dei veicoli elettrici al fine di fornire informazioni circa lo stato della batteria al guidatore attraverso il cruscotto.

Capacità della batteria

I pacchi batteria sono disponibili con diversi valori di capacità, in funzione delle caratteristiche del veicolo (dimensioni, peso, uso previsto). Non può certamente sorprendere il fatto che esista una correlazione diretta tra capacità e autonomia di un veicolo elettrico con batteria completamente carica. Twizzy, il due posti prodotto da Renault, ospita una batteria da 6,1 kWh e garantisce un’autonomia di 90 km. Il modello Leaf ZE1 di Nissan, invece, con una batteria da 40 kWh assicura un’autonomia che si attesta intorno ai 250 km.

Si vuole ora esaminare la prospettiva dal punto di vista del conducente. Facendo un parallelo con uno smartphone, è chiaro che utilizzare un veicolo elettrico fino a quando la batteria non segnali una percentuale di carica a una sola cifra può risultare rischioso. I veicoli elettrici visualizzano quindi la capacità della batteria sotto forma di autonomia residua (km) invece che in termini di effettivo livello di carica. Per il guidatore si tratta senza dubbio di un’informazione più utile rispetto al livello percentuale di carica. Oltre a ciò la capacità della batteria si riduce col trascorrere del tempo in funzione di numerosi parametri quali numero di cicli di ricarica, modalità di carica e scarica e temperature alla quale viene caricata e immagazzinata.

Secondo quanto riportato da Tesla, per aumentare la durata delle batterie è necessario evitare che le celle presenti nei pacchi batteria raggiungano la tensione di picco durante la carica e la tensione minima durante la scarica. Inoltre sarebbe opportuno mantenere velocità di ricarica inferiori a C/2 (ovvero alla metà della velocità di carica/scarica specificate). Tesla prevede anche un sistema di pre-riscaldamento del pacco batteria per assicurare che non si possa verificare la ricarica a temperature inferiori a 0 °C.

Grazie a questi approcci, i produttori prevedono di essere in grado di supportare almeno 6.000 cicli di ricarica o 10 anni di funzionamento. A questo punto vi è da considerare il problema dello smaltimento. Fortunatamente le batterie agli ioni di litio sono meno pericolose per l’ambiente rispetto alle soluzioni precedentemente adottate una volta terminata la loro vita utile. Senza dimenticare che il litio è un metallo raro, per cui è prevedibile una notevole attenzione relativamente alle operazioni di recupero e riciclaggio. Tuttavia, a causa della volatilità dei prezzi di mercato, è presumibile che i Governi debbano prevedere lo stanziamento di fondi per il supporto di programmi di riciclaggio. Oltre a ciò, anche se le celle potrebbero non fornire più le prestazioni richieste per consentirne l’uso in un veicolo elettrico, le stesse celle, i moduli o persino i pacchi batteria potrebbero rivelarsi utili in altri contesti applicativi. L’accumulo di energia, a livello di rete oppure domestico, permetterebbe di utilizzare questi sistemi di potenza per parecchi decenni , invece che per pochi anni.

 

Continuate a seguirci per scoprire le tecnologie alla base della rivoluzione introdotta dalle auto elettriche nel nostro prossimo blog: il gruppo propulsore elettrico

Mark Patrick, Mouser Electronics

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