Nuovo sistema termico per batterie EV
Uno studio pionieristico condotto da ricercatori dell’Università di Jinan e dell’Università di Tsinghua ha presentato un innovativo sistema di gestione termica per le batterie degli veicoli elettrici (EV), progettato per affrontare una delle sfide più persistenti del settore: il mantenimento delle prestazioni ottimali in condizioni climatiche estreme. Il sistema, descritto nella rivista Energy Storage Science and Technology, introduce un approccio modulare e dinamico che si adatta alle variazioni stagionali, garantendo una protezione efficace sia contro il gelo invernale che contro il caldo torrido estivo. Questa soluzione, sviluppata da LIU Songyan e dal professor WANG Weiliang della Scuola Internazionale di Energia dell’Università di Jinan, in collaborazione con il professor LYU Junfu del Laboratorio Chiave di Scienza Termica e Ingegneria della Potenza dell’Università di Tsinghua, rappresenta un passo avanti significativo verso veicoli elettrici più affidabili, sicuri ed efficienti in ogni condizione ambientale.
Il rendimento e la longevità delle batterie agli ioni di litio, cuore pulsante degli EV moderni, sono estremamente sensibili alle fluttuazioni di temperatura. In climi rigidi, le basse temperature provocano un rapido calo della capacità, rendono difficoltoso il processo di ricarica e aumentano il rischio di danni permanenti, come la deposizione di litio metallico (lithium plating) all’interno delle celle. Questo fenomeno non solo riduce l’autonomia, ma può compromettere la sicurezza e la vita utile della batteria, rendendo il veicolo praticamente inutilizzabile senza un pre-riscaldamento prolungato e dispendioso in termini di energia. Al contrario, in climi caldi, le alte temperature possono innescare il temuto “thermal runaway”, una reazione a catena incontrollabile che porta al surriscaldamento, al fuoco o addirittura all’esplosione della batteria. I tradizionali sistemi di gestione termica (BTMS) spesso si trovano in una posizione di compromesso: un sistema ottimizzato per l’isolamento termico in inverno diventa un ostacolo per la dissipazione del calore in estate, e viceversa. Il nuovo sistema proposto affronta questo dilemma fondamentale con una soluzione elegante e meccanicamente semplice: un modulo di accumulo termico rimovibile.
Il concetto alla base del sistema è geniale nella sua semplicità. In inverno, un modulo composto da un materiale a cambiamento di fase (PCM) e da uno strato isolante in aerogel viene installato intorno al pacco batteria. Il PCM, scelto per fondersi e solidificarsi in un intervallo di temperatura compreso tra 10 °C e 21 °C, funge da serbatoio termico. Durante la guida, la batteria genera calore, che viene assorbito dal PCM, il quale si fonde e immagazzina questa energia sotto forma di calore latente. Quando il veicolo è parcheggiato in un ambiente freddo, il PCM inizia a solidificarsi, rilasciando lentamente il calore accumulato e mantenendo la temperatura della batteria ben al di sopra del punto di congelamento. L’aerogel, un materiale isolante estremamente efficace, riduce al minimo la perdita di questo calore prezioso verso l’ambiente esterno. I tubi termici integrati tra le celle della batteria e il PCM garantiscono un trasferimento di calore rapido e uniforme, prevenendo la formazione di punti caldi e massimizzando l’efficienza del sistema.
I risultati delle simulazioni computazionali condotte dal team di ricerca sono impressionanti. Quando una batteria viene scaricata a un tasso di 1C (una scarica standard) e poi lasciata inattiva in un ambiente a -20 °C, il sistema completo (PCM, aerogel e tubi termici) mantiene la temperatura della batteria al di sopra di 0 °C per oltre 14 ore. Per una scarica più intensa a 3C, questo tempo si estende a un massimo di 17 ore. In confronto, una batteria senza alcun sistema di gestione termica scende al di sotto di 0 °C in soli 1,5 ore. Questo aumento di otto volte nel tempo di mantenimento del calore è un risultato straordinario. La ricerca ha inoltre dimostrato che lo strato di aerogel è essenziale; rimuovendolo, il tempo di isolamento si riduce di 1,7 ore, confermando il suo ruolo cruciale nel design. Inoltre, il sistema mantiene un’eccellente uniformità della temperatura, con una differenza massima tra le celle inferiore a 5 °C, un parametro vitale per la longevità della batteria.
Questa capacità di mantenere il calore ha implicazioni dirette e profonde per l’utente finale. In pratica, significa che un conducente può parcheggiare il suo veicolo elettrico durante la notte in un clima gelido e essere certo di poterlo avviare la mattina seguente senza la necessità di un pre-riscaldamento attivo. Questo pre-riscaldamento non solo consuma energia preziosa della batteria, riducendo l’autonomia disponibile, ma richiede anche tempo, diminuendo la comodità d’uso. Eliminando la necessità di questo processo, il sistema migliora l’esperienza dell’utente, aumenta l’autonomia effettiva in climi freddi e protegge la batteria dai cicli di stress termico che accelerano il suo invecchiamento.
Il sistema dimostra la stessa efficacia in condizioni di calore estremo. Qui entra in gioco la caratteristica modulare. Il modulo di accumulo termico, vantaggioso in inverno, viene rimosso in estate. Questa azione elimina l’isolamento dell’aerogel, permettendo al calore generato dalla batteria di dissiparsi liberamente nell’ambiente. Per la refrigerazione, il sistema si basa su un secondo PCM (PCM1) con un punto di fusione più elevato (35-42 °C), sui tubi termici e su un sistema di raffreddamento ad aria forzata. Quando la batteria si riscalda durante la guida o la ricarica rapida, il PCM1 assorbe grandi quantità di calore fondendosi, agendo come un ammortizzatore termico. I tubi termici trasferiscono rapidamente il calore dalle celle al PCM, e un ventilatore aiuta a dissipare il calore residuo nell’aria esterna.
I risultati delle simulazioni di prestazione al caldo sono altrettanto convincenti. Quando viene scaricata a un tasso di 3C, una batteria senza alcun sistema di gestione termica raggiunge una temperatura massima di 73,2 °C, un livello pericolosamente alto che accelera il deterioramento chimico e aumenta il rischio di guasto. Con il nuovo sistema di gestione termica (senza il modulo invernale), la temperatura massima si riduce del 48%. Per tassi di scarica di 2C e 1C, le riduzioni sono rispettivamente del 42% e del 34%. Queste diminuzioni collocano saldamente la batteria all’interno del suo intervallo di funzionamento sicuro, anche sotto carichi pesanti.
Per ottimizzare ulteriormente il raffreddamento, i ricercatori hanno integrato delle alette di raffreddamento nel design. I risultati hanno mostrato che le alette migliorano significativamente la dissipazione del calore, specialmente a tassi di scarica più elevati. In una scarica a 3C, le alette hanno ridotto la temperatura massima di un ulteriore 6,7% rispetto allo stesso sistema senza alette. Questo effetto, che i ricercatori chiamano “effetto del tasso di scarica”, si intensifica con il carico, poiché una maggiore generazione di calore crea un gradiente termico più forte che spinge una convezione più efficace intorno alle alette. Anche se le alette hanno causato un leggero aumento nella differenza di temperatura massima tra le celle (a causa di un raffreddamento localizzato più intenso), questo aumento è stato marginale ed è stato considerato un compromesso accettabile per il beneficio generale di una temperatura massima più bassa.
L’eleganza del design risiede nella sua semplicità e flessibilità. È un sistema passivo in inverno, il che significa che non consuma energia dalla batteria per mantenere il calore, preservando così l’autonomia. È altamente efficiente in estate, utilizzando una combinazione di assorbimento del calore latente (PCM) e convezione forzata per mantenere le temperature sotto controllo. I materiali utilizzati, come il PCM, l’aerogel e i tubi in rame, sono disponibili sul mercato e possono essere integrati nei design dei pacchi batteria esistenti senza aumentare significativamente il loro volume, grazie alla sua costruzione sottile di soli 3 mm.
Oltre ai vantaggi tecnici, questo sistema ha il potenziale di trasformare il mercato dei veicoli elettrici. Una delle principali barriere all’adozione di veicoli elettrici in regioni con inverni severi è l’ansia per l’autonomia e l’affidabilità al freddo. Un sistema che garantisce che la batteria rimanga al di sopra di 0 °C per tutta la notte eliminerebbe questa preoccupazione, rendendo i veicoli elettrici un’opzione più attraente e pratica nel nord dell’Europa, in Canada o in parti dell’Asia. Allo stesso modo, in regioni calde, una gestione termica superiore può prolungare la vita utile della batteria e ridurre il carico sui sistemi di climatizzazione del veicolo, migliorando l’efficienza complessiva.
Il concetto di un modulo rimovibile apre anche nuove possibilità per la manutenzione e la personalizzazione. Potrebbe diventare una pratica standard che i proprietari o i meccanici cambino il modulo all’inizio della stagione invernale e lo rimuovano in primavera, simile al cambio degli pneumatici invernali. Questo non solo ottimizzerebbe le prestazioni, ma potrebbe anche diventare un servizio redditizio. Inoltre, i produttori potrebbero vendere veicoli con il modulo preinstallato per mercati specifici, offrendo una soluzione “clima freddo” o “clima caldo” fin dal momento dell’acquisto.
Anche se lo studio attuale si basa su simulazioni dettagliate utilizzando software di dinamica dei fluidi computazionale (CFD) come Star CCM+, i risultati sono sufficientemente robusti da giustificare una rapida transizione alla fase di prototipazione fisica. I prossimi passi logici includeranno la costruzione di un banco di prova per convalidare i risultati delle simulazioni in condizioni reali, inclusi cicli di guida dinamici, esposizione a temperature ambientali variabili e test di durata a lungo termine. L’integrazione con il sistema di gestione della batteria (BMS) del veicolo sarà anche essenziale, consentendo al BMS di monitorare le temperature e, potenzialmente, di avvisare il conducente quando è il momento appropriato per installare o rimuovere il modulo.
In conclusione, il sistema di gestione termica proposto da LIU Songyan, WANG Weiliang, PENG Shiliang e LYU Junfu rappresenta un salto qualitativo nella tecnologia delle batterie per veicoli elettrici. Risolvendo il dilemma fondamentale tra isolamento e raffreddamento attraverso un design modulare e riconfigurabile, affronta una limitazione critica delle soluzioni attuali. La sua capacità di mantenere le batterie al di sopra di 0 °C per fino a 17 ore a -20 °C e di ridurre le temperature massime di quasi la metà durante scariche ad alta potenza dimostra un potenziale trasformativo. Non solo migliora la sicurezza e prolunga la vita utile della batteria, ma aumenta anche significativamente la comodità e la fiducia dell’utente. Mentre l’industria automobilistica continua la sua transizione verso l’elettrificazione, innovazioni come questa, che combinano un’ingegneria solida con un’applicazione pratica, saranno fondamentali per sbloccare il potenziale completo della mobilità elettrica sostenibile.
LIU Songyan, WANG Weiliang, PENG Shiliang, LYU Junfu, Energy Storage Science and Technology, doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0369