Auto elettriche, una nuova tecnologia prolunga la vita delle batterie del 20%

A cura di Roberto Zonca

Una soluzione sviluppata in Svezia consente di isolare le celle deteriorate e sfruttare quelle ancora efficienti. Secondo le simulazioni, la sostituzione degli accumulatori potrebbe slittare di oltre un anno

LA NOTIZIA IN BREVE – Basta una sola cella deteriorata per limitare le prestazioni di tutte le altre presenti in una batterie per auto elettriche, e questo anche quando queste conservano una buona capacità di accumulo. È un problema che i costruttori conoscono bene e che potrebbe trovare una soluzione grazie alla tecnologia della riconfigurazione dinamica. Il principio prevede l’impiego di interruttori elettronici capaci di modificare i collegamenti interni, escludendo gli elementi più deboli e recuperando parte dell’energia altrimenti inutilizzabile. Le simulazioni condotte dalla Chalmers University of Technology indicano benefici particolarmente interessanti per le auto elettriche ad alta autonomia e i camion, con un possibile prolungamento della vita delle batterie superiore al 20%. L’elettronica aggiuntiva comporterebbe un aumento iniziale dei costi di circa il 9%, che potrebbe essere compensato dalla maggiore durata e dal valore residuo degli accumulatori. La tecnologia ha già superato alcune prove sperimentali, ma deve ancora dimostrare la propria convenienza nella produzione automobilistica di serie.

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L’APPROFONDIMENTO – Un team di ingegneri svedesi ha trovato il modo per aumentare sensibilmente la durata delle batterie delle auto elettriche. Secondo i ricercatori della Chalmers University of Technology, che hanno visto i risultati del proprio lavoro pubblicati sulla pagine della rivista scientifica Nature Communications, sarebbe possibile prolungare la vita degli accumulatori di almeno 14 mesi, semplicemente isolando le celle deteriorate e continuando a sfruttare quelle ancora efficienti. I risultati dello studio indicano che, nelle condizioni più favorevoli, la durata delle batterie potrebbe aumentare di oltre il 20%.

Una sola cella debole può compromettere l’intera batteria

Le batterie delle auto elettriche contengono centinaia o migliaia di celle agli ioni di litio collegate tra loro per alimentare il motore. Queste celle, però, non invecchiano tutte allo stesso modo. Alcune conservano a lungo una buona parte della capacità originale, altre si deteriorano più rapidamente. A fare la differenza contribuiscono in misura non sempre identica la temperatura, le sollecitazioni elettriche e le piccole differenze di produzione.

Il problema riguarda specificatamente le celle collegate in serie. Quando una di queste raggiunge il limite minimo di tensione, il sistema elettronico deve interrompere la scarica per evitare danni. Basta quindi una sola cella deteriorata per limitare di molto le prestazioni dell’intero gruppo, e ciò accade anche quando le altre risultano essere pienamente funzionanti. Molti costruttori conoscono il problema, e cercano di contenere gli squilibri attraverso i Battery Management System (BMS), dispositivi elettronici che controllano tensione, temperatura e stato di carica degli accumulatori. Nelle batterie convenzionali, tuttavia, i collegamenti fra le celle rimangono sostanzialmente fissi. Di conseguenza, il sistema non può aggirare liberamente un elemento deteriorato per sfruttare la capacità residua degli altri.

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Come funziona la batteria che aggira le celle deteriorate

Ora gli ingegneri della Chalmers hanno studiato una diversa architettura elettrica, basata su interruttori elettronici controllati via software. Il sistema analizza le condizioni delle celle e nel caso in cui una di queste dovesse avere un calo di prestazioni modificare i collegamenti così da salvaguardare le prestazioni complessive dell’accumulatore. La tecnologia, che prende il nome di dynamic battery reconfiguration (letteralmente riconfigurazione dinamica della batteria), interviene quando viene rilevato un degrado eccessivo della cella, escludendola temporaneamente dal percorso della corrente.

Albert Škegro, primo autore dello studio e ricercatore del Dipartimento di Ingegneria elettrica della Chalmers, ha spiegato il principio ricorrendo a un paragone. Immaginiamo un gruppo di escursionisti legati alla stessa corda: tutti devono procedere alla velocità del più lento e fermarsi quando quest’ultimo non riesce più a camminare. La nuova architettura permette invece al gruppo di proseguire anche quando uno dei componenti rimane indietro.

Benché il principio risulti essere intuitivo la sua applicazione lo è molto meno. Il software effettua controlli continui e riconosce istantaneamente le celle che limitano le prestazioni. In frazioni di secondo è sempre il software a decidere poi se e quali collegamenti modificare. Nella configurazione più avanzata, ogni singola cella dispone di un proprio interruttore. I ricercatori hanno però esaminato anche soluzioni capaci di intervenire su gruppi di celle, più semplici da integrare in un accumulatore destinato alla produzione automobilistica.

Quattordici mesi di vita in più: i risultati delle simulazioni

Per misurare i benefici della nuova architettura, i ricercatori della Chalmers University of Technology hanno simulato l’invecchiamento degli accumulatori in differenti condizioni di utilizzo. Fondamentale è stato poi il confronto tra il comportamento delle batterie convenzionali e quello dei sistemi riconfigurabili. Uno degli scenari prende in esame un’automobile elettrica dotata di una batteria da 80 kWh, con una percorrenza annuale di 12.000 chilometri. Il modello considera una vita operativa del veicolo di 18,8 anni e ipotizza la sostituzione dell’accumulatore tradizionale dopo circa dieci anni. Con la nuova architettura, la batteria raggiungerebbe lo stesso limite di degrado approssimativamente 14 mesi più tardi. Al momento della sostituzione conserverebbe inoltre un valore residuo maggiore, grazie alla possibilità di utilizzare più a lungo le celle ancora efficienti.

I dieci anni rappresentano un’ipotesi adottata per il confronto. Le batterie delle auto elettriche possono continuare a funzionare anche oltre questa soglia, con una capacità che diminuisce progressivamente. Allo stesso modo, i 14 mesi aggiuntivi dipendono dalle caratteristiche e dalle condizioni di utilizzo considerate nella simulazione. I margini di miglioramento più elevati interessano gli accumulatori ad alta tensione, nei quali numerose celle lavorano in serie. È il caso delle automobili elettriche con grande autonomia e dei camion, particolarmente sensibili alle differenze di prestazione fra i singoli elementi.

In alcune configurazioni ideali, con il controllo individuale delle celle, il prolungamento della vita operativa supera il 20%, ma si tratta del risultato massimo osservato nelle condizioni favorevoli studiate, mentre l’impiego di sistemi meno sofisticati potrebbe ridurre il beneficio.

La ricerca, pubblicata l’8 luglio e presentata dall’università l’8 ottobre di quest’anno, porta la firma di Albert Škegro, Torsten Wik e Changfu Zou della Chalmers, insieme a Bo Bijlenga di PHINIA e Alexander Bessman di Scania. La presenza di due aziende del settore automobilistico fra gli autori testimonia l’interesse industriale per una tecnologia che, almeno per ora, ha dimostrato i propri vantaggi soprattutto attraverso simulazioni.

Batterie più costose, ma quanto si potrebbe risparmiare?

Per ottenere questo prolungamento della durata, i costruttori dovrebbero installare interruttori, circuiti e dispositivi di controllo aggiuntivi, con un inevitabile aumento dei costi di produzione. Secondo le stime dei ricercatori, l’elettronica supplementare inciderebbe per circa il 9% sul prezzo del pacco batteria, una spesa che potrebbe essere ampiamente compensata dalla maggiore longevità degli accumulatori e dal loro valore residuo più elevato. Il vantaggio economico emergerebbe soprattutto nel lungo periodo, grazie alla possibilità di rinviare la sostituzione della batteria.

Nello scenario economico analizzato, il punto di pareggio si colloca intorno al 12% di maggior costo iniziale. Superata questa soglia, la convenienza, benché non scompaia, diminuisce. I risultati più favorevoli emergono invece quando il sovrapprezzo rimane inferiore a circa il 7%, la capacità della batteria supera i 50 kWh e la percorrenza annua resta sotto i 12.150 chilometri.

Le percentuali dipendono dalle ipotesi utilizzate dai ricercatori, comprese quelle relative al prezzo dei componenti e alla vita residua del veicolo. Cambiando queste condizioni, può cambiare anche il vantaggio economico. Per un automobilista, ritardare la sostituzione della batteria significa rimandare una spesa potenzialmente di diverse migliaia di euro. Per un’azienda di trasporti, che gestisce decine o centinaia di mezzi elettrici, il beneficio potrebbe incidere in misura ancora maggiore sui costi operativi.

La possibilità di utilizzare più a lungo le celle avrebbe conseguenze dirette e importanti anche sul consumo delle materie prime. Un accumulatore efficiente per un periodo più lungo permette di sfruttare per più tempo litio, rame e gli altri materiali impiegati nella sua costruzione. Potrebbe inoltre trovare più facilmente una seconda destinazione d’uso nei sistemi di accumulo energetico, per esempio quelli collegati agli impianti fotovoltaici. Oggi il riutilizzo delle batterie può richiedere interventi di selezione, smontaggio e ricomposizione dei moduli. Con l’implementazione di un’architettura capace di isolare gli elementi più degradati si potrebbe recuperare una porzione maggiore dell’accumulatore senza intervenire su ogni singola cella.

Quando arriveranno le nuove batterie?

La riconfigurazione dinamica degli accumulatori non nasce con lo studio della Chalmers. Università e aziende stanno sperimentando da tempo sistemi simili. Esistono già prototipi di ricerca e applicazioni industriali sperimentali, ma la tecnologia esaminata dagli ingegneri svedesi non viene ancora utilizzata nelle automobili o nei camion prodotti in serie. Il passaggio alla produzione richiederà prove che ne certifichino l’affidabilità e sicurezza. Un altro aspetto riguarda poi la manutenzione. Più componenti rappresentano una sfida perché all’aumentare degli elementi cresce inevitabilmente il rischio di guasto, con possibili conseguenze sui costi di riparazione. La maggiore durata delle celle dovrà quindi compensare anche le eventuali spese associate alla nuova architettura.

Roberto Zonca

Roberto Zonca è giornalista professionista, attivo nell’informazione digitale dal 2000. Ha lavorato per oltre venticinque anni nella redazione di Tiscali News, testata considerata tra le esperienze storiche del giornalismo online italiano, nata nella stagione pionieristica del web e cresciuta insieme alla trasformazione digitale del Paese. Oggi dirige GiornaleTecnologico.net.