Norme globali carenti per batterie auto elettriche al freddo
Mentre i veicoli elettrici (EV) continuano a guadagnare terreno in tutto il mondo, un ostacolo persistente mina la fiducia dei consumatori: le prestazioni delle batterie agli ioni di litio in condizioni di freddo estremo. Nonostante i produttori pubblicizzino autonomie impressionanti raggiunte in condizioni ideali, i guidatori che vivono in regioni con inverni rigidi sperimentano una realtà molto diversa. Perdite di autonomia che superano il 40%, tempi di ricarica notevolmente più lunghi e una riduzione sostanziale della potenza sono esperienze comuni, rivelando un divario critico tra le specifiche dichiarate e le prestazioni reali su strada.
Questa problematica trova la sua origine principale nell’assenza di un quadro di test standardizzato e riconosciuto a livello globale per valutare le prestazioni delle batterie a basse temperature. Attualmente, il settore si basa su un patchwork di norme nazionali e internazionali, ognuna con metodologie diverse, intervalli di temperatura, punti di prova e criteri di accettazione. Questa frammentazione non solo rende difficili i confronti diretti tra tecnologie di batterie di diversi produttori, ma genera anche confusione tra i consumatori e rallenta l’adozione di veicoli elettrici in mercati con climi freddi.
Una recente revisione approfondita, pubblicata sulla rivista scientifica peer-reviewed Battery Bimonthly, fa luce su questo panorama complesso. Lo studio, guidato da Xingchun Sun, uno specialista in proprietà intellettuale ed esaminatore di brevetti presso il Centro di Cooperazione per l’Esame dei Brevetti (Beijing) dell’Ufficio Nazionale della Proprietà Intellettuale della Cina (CNIPA), offre un’analisi comparativa dettagliata dei principali standard di prova per le prestazioni a basse temperature utilizzati negli Stati Uniti, in Europa, in Giappone e in Cina. Il lavoro di Sun non si limita a documentare le differenze esistenti, ma identifica anche le lacune critiche che impediscono una valutazione completa e affidabile della capacità di una batteria di funzionare in climi invernali.
La chimica delle batterie agli ioni di litio è intrinsecamente sensibile al freddo. Con il diminuire della temperatura, le reazioni elettrochimiche all’interno delle celle rallentano drasticamente. Ciò provoca un aumento della resistenza interna, che a sua volta riduce la tensione disponibile e la capacità totale della batteria. Il risultato è una diminuzione diretta dell’autonomia, poiché la batteria non può erogare la stessa quantità di energia. Inoltre, il processo di ricarica diventa meno efficiente e più lento, poiché le reazioni di intercalazione del litio diventano difficoltose. In situazioni estreme, la batteria potrebbe addirittura non accettare alcuna carica se la temperatura è troppo bassa, un fenomeno noto come “blocco da freddo”.
La necessità di uno standard di prova standardizzato è evidente. Senza un protocollo comune, i risultati dei test eseguiti da diversi laboratori o secondo diversi standard non sono direttamente comparabili. Un produttore potrebbe affermare che la sua batteria soddisfa uno standard che prevede test a -20 °C, mentre un altro potrebbe soddisfarne uno che prevede test a -10 °C, creando una falsa sensazione di parità. I consumatori, privi di un punto di riferimento universale, sono costretti a prendere decisioni di acquisto basate su dati che potrebbero non rispecchiare la loro esperienza reale.
L’analisi di Sun rivela un panorama normativo globale che è al contempo diverso e incoerente. Tra gli standard internazionali, ISO 12405-4:2018 si distingue come uno dei più completi. Questo standard non valuta solo la capacità della batteria a temperature fredde (0 °C e -18 °C), ma esamina anche aspetti più dinamici come i tassi di carica e scarica, la durata in cicli in condizioni di freddo e, cosa cruciale, la potenza di avviamento a freddo. Quest’ultimo parametro è vitale, poiché misura la capacità della batteria di fornire un picco di potenza per l’avviamento del motore a temperature sotto zero, un requisito essenziale per la funzionalità quotidiana. Lo standard specifica test a diversi livelli di stato di carica (SOC), dal 90% al 20%, fornendo un’immagine più realistica delle prestazioni in diverse condizioni d’uso. Permette inoltre accordi tra produttore e cliente per eseguire test a temperature fino a -30 °C, rendendolo più adattabile alle regioni estreme.
In contrasto, lo standard IEC 62660-1:2018, pur ampiamente utilizzato, ha un approccio più limitato. Si concentra principalmente sul test della capacità delle singole celle a 0 °C e sulla valutazione della potenza a -20 °C e 0 °C con un SOC fisso al 50%. Sebbene sia utile per stabilire una linea di base, trascura la variabilità delle prestazioni lungo l’intero intervallo di carica e non affronta direttamente l’efficienza del processo di ricarica al freddo. Questa mancanza di profondità significa che una batteria conforme allo standard IEC 62660-1:2018 potrebbe comunque presentare carenze significative nel mondo reale che non vengono catturate dal test.
Negli Stati Uniti, lo standard SAE J1798-1:2020, sviluppato dalla Society of Automotive Engineers, si concentra sui moduli della batteria. Richiede test di scarica a -20 °C, con un periodo di stabilizzazione termica di almeno 16 ore. Questo approccio garantisce che l’intero modulo sia alla temperatura di prova, il che è cruciale per la precisione. Tuttavia, il suo campo di applicazione è limitato al livello del modulo, escludendo l’integrazione del sistema di gestione della batteria (BMS) e gli effetti del sistema di gestione termica del veicolo, che sono fattori determinanti nelle prestazioni finali dell’auto elettrica.
Il Giappone adotta un approccio diverso con lo standard JIS D 1303:2004, che si concentra esclusivamente sull’efficienza di ricarica a -20 °C. Questo approccio è altamente specifico e riflette l’importanza data all’infrastruttura di ricarica e alla convenienza dell’utente in Giappone. Tuttavia, la sua ristrettezza è evidente; non fornisce alcuna informazione sulla capacità di scarica, sulla potenza disponibile o sulla durata della batteria in cicli di freddo, rendendolo insufficiente come valutazione completa delle prestazioni invernali.
La Cina, il più grande mercato di veicoli elettrici al mondo, ha sviluppato un robusto sistema di normalizzazione nazionale. Standard come GB/T 31486—2015 e GB/T 31467—2023 stabiliscono requisiti chiari per la capacità di scarica a -20 °C, richiedendo che le batterie mantengano almeno il 70% della loro capacità iniziale. Questi standard sono adatti per la maggior parte delle regioni cinesi, ma non sono progettati per le condizioni estreme del nord del paese.
Qui entra in gioco lo standard locale DB22/T 3410—2022, sviluppato dalla provincia di Jilin. Questo standard è pionieristico e rappresenta uno degli approcci più rigorosi al mondo. È stato progettato specificamente per le “regioni gelide” dove le temperature possono scendere a -40 °C. I suoi requisiti sono esaustivi: test di prestazione a -20 °C, -30 °C e -40 °C; limiti minimi di SOC per il funzionamento in condizioni di freddo estremo; e requisiti rigorosi sulla durata in cicli, richiedendo che una batteria con un sistema di gestione termica attiva mantenga più dell’85% della sua capacità iniziale dopo 100 cicli a -40 °C. Inoltre, introduce un criterio innovativo limitando il consumo energetico del sistema di gestione termica a una media del 6% dell’energia totale della batteria, con un picco massimo del 30%. Quest’ultimo punto è cruciale, poiché evita che una grande parte dell’energia della batteria venga utilizzata semplicemente per mantenere il calore, preservando così l’autonomia per la guida.
Lo studio di Sun sottolinea che, nonostante la sua sofisticazione, anche lo standard DB22/T 3410—2022 presenta lacune. Non include test completi di potenza di avviamento a freddo né test dinamici di scarica attraverso diversi livelli di SOC, aspetti fondamentali per valutare le prestazioni reali del veicolo. Questo dimostra che nessuno standard individuale, per quanto avanzato, può coprire tutti gli aspetti delle prestazioni della batteria al freddo.
Le implicazioni di questa frammentazione sono profonde. Per i produttori di automobili, la mancanza di uno standard universale complica enormemente lo sviluppo di veicoli per mercati globali, poiché devono soddisfare più set di requisiti. Per i consumatori, l’assenza di dati di prova trasparenti e comparabili mina la fiducia e può scoraggiare l’acquisto di veicoli elettrici in climi freddi. Per i responsabili politici, questa situazione ostacola gli sforzi per promuovere l’elettrificazione del trasporto come soluzione praticabile in tutte le condizioni climatiche.
Sun sostiene che la soluzione risieda nella creazione di uno standard nazionale cinese che sintetizzi i migliori elementi degli standard esistenti. Uno standard del genere dovrebbe incorporare l’ampiezza di temperatura e la valutazione dinamica dello standard ISO 12405-4:2018, i rigorosi requisiti sulla durata in cicli e sull’efficienza termica dello standard DB22/T 3410—2022 e l’approccio sistemico dello standard GB/T 31467—2023. Così facendo, si creerebbe un quadro di valutazione molto più olistico che rispecchiasse fedelmente le condizioni di utilizzo del mondo reale e l’evoluzione della tecnologia delle batterie.
Questo standard nazionale non gioverebbe solo al mercato cinese, ma potrebbe anche servire da modello per l’armonizzazione internazionale. Man mano che il mercato dei veicoli elettrici matura, la necessità di protocolli di prova interoperabili diventa imperativa. Uno standard globale unificato favorirebbe una concorrenza equa, aumenterebbe la trasparenza e accelererebbe l’adozione di veicoli elettrici in tutto il mondo, indipendentemente dal clima.
La strada verso questa armonizzazione richiede una collaborazione senza precedenti tra organismi di normalizzazione internazionali, governi, produttori di automobili e fornitori di batterie. Richiede anche un’evoluzione nella filosofia dei test, passando da criteri semplici di “approvato/bocciato” a metriche di prestazione più sofisticate. I futuri standard potrebbero incorporare cicli di guida reali, valutare l’impatto del riscaldamento dell’abitacolo e del precondizionamento e misurare l’efficacia di diverse strategie di gestione termica.
Un’altra area promettente è l’integrazione dei dati operativi. I moderni sistemi di monitoraggio delle batterie generano enormi quantità di dati. Analizzando questi dati, è possibile sviluppare modelli che correlino i risultati dei test di laboratorio con le prestazioni reali sul campo. Questo approccio basato sui dati potrebbe portare a standard più predittivi e precisi, riducendo significativamente il divario tra la certificazione e l’esperienza dell’utente.
In sintesi, la standardizzazione delle prestazioni delle batterie al freddo non è un esercizio tecnico secondario; è una pietra angolare per il futuro della mobilità elettrica. Perché i veicoli elettrici siano una vera alternativa globale, devono funzionare in modo affidabile in tutte le condizioni climatiche. La creazione di standard di prova robusti, trasparenti e riconosciuti a livello globale è un passo essenziale per raggiungere questo obiettivo. Il lavoro di ricercatori come Xingchun Sun è fondamentale per guidare questa trasformazione, gettando le basi per un’era di mobilità elettrica veramente universale.
Xingchun Sun, Centro di Cooperazione per l’Esame dei Brevetti (Beijing) dell’Ufficio dei Brevetti, CNIPA, ha pubblicato questo analisi su Battery Bimonthly, Volume 54, Numero 6, dicembre 2024, DOI: 10.19535/j.1001-1579.2024.06.021.