Nuovo metodo ottimizza test batterie invernali
Il settore automobilistico è in piena transizione verso l’elettrificazione, e con la crescente popolarità dei veicoli elettrici (EV), aumenta anche la richiesta di prestazioni affidabili in ogni condizione climatica. Uno dei principali ostacoli percepiti dai consumatori è il calo di prestazioni in inverno. È un fenomeno familiare: dopo una notte gelida, un’auto elettrica può apparire più lenta, con una riduzione della potenza e dell’autonomia. Questa sensazione non è solo psicologica, ma ha radici profonde nella fisica e nella chimica delle batterie agli ioni di litio. A basse temperature, l’elettrolita diventa più viscoso, rallentando il movimento degli ioni di litio tra anodo e catodo. Questo aumento della resistenza interna causa una condizione nota come polarizzazione, dove la tensione della batteria crolla rapidamente sotto carico. Se la tensione scende al di sotto di una soglia critica, il sistema di gestione della batteria (BMS) interviene per limitare la potenza del motore, proteggendo le celle da danni irreversibili. Il risultato è un’esperienza di guida che può essere frustrante, con una risposta dell’acceleratore meno pronta e un’autonomia effettiva molto inferiore a quella dichiarata.
Per garantire che i veicoli siano sicuri e performanti anche in condizioni invernali estreme, i costruttori effettuano una rigorosa calibrazione e validazione del BMS. Un elemento centrale di questo processo è la definizione dello “State of Power” (SOP), ovvero la potenza massima che la batteria può erogare in un dato momento, in base alla sua temperatura, allo stato di carica (SOC) e alla sua salute. Tradizionalmente, questa calibrazione veniva eseguita direttamente sul veicolo durante costose campagne di test invernali in regioni artiche. Tuttavia, queste prove sono limitate dalla stagione, sono logististicamente complesse e rappresentano un collo di bottiglia nello sviluppo del prodotto. Un ritardo nel programma di test può posticipare il lancio di un modello di un intero anno.
Per superare questi limiti, l’industria ha adottato con sempre maggiore frequenza il metodo di simulazione ambientale del pacco batteria, noto come “Pack-in-the-loop” (Pack ESS). Questa tecnica prevede di posizionare un intero pacco batteria in una camera climatica e di collegarlo a un simulatore che riproduce il carico elettrico di un veicolo reale. Gli ingegneri possono quindi eseguire cicli di guida standardizzati e test di potenza a temperature precise, da -20 °C a 40 °C, senza dover aspettare la stagione giusta. Questo approccio offre un controllo, una ripetibilità e un’efficienza dei costi senza precedenti, rendendolo uno strumento fondamentale nello sviluppo degli EV moderni.
Il divario tra laboratorio e strada
Nonostante i suoi indubbi vantaggi, il metodo Pack ESS presenta un difetto critico: spesso non riesce a prevedere con precisione il comportamento reale del veicolo in condizioni invernali. Un team di ingegneri di GAC Aion New Energy Automobile Co., Ltd. ha incontrato questo problema durante lo sviluppo di un nuovo modello di EV. Dopo aver completato una calibrazione SOP completa in Pack ESS a -20 °C, -10 °C e 0 °C, hanno proceduto con una validazione sul veicolo reale in un ambiente invernale. Il protocollo di test era stato progettato per essere identico: il veicolo veniva guidato con un ciclo di guida predefinito a basse temperature fino a quando la batteria raggiungeva un SOC basso o si verificava un guasto per sottotensione.
I risultati sono stati allarmanti. Nel test Pack ESS, il pacco batteria è riuscito a completare 20 accelerazioni a pieno carico prima che il test terminasse. La tensione minima registrata sulle singole celle era di 2,37 V, ben al di sopra della soglia di guasto di 2,0 V. Tuttavia, quando lo stesso test è stato eseguito sul veicolo reale in un ambiente invernale, il BMS ha attivato un guasto per sottotensione dopo soltanto 16 accelerazioni. Le prestazioni del veicolo erano significativamente più deboli di quanto previsto dal test di laboratorio.
Questa discrepanza rappresentava un serio problema. Se il test Pack ESS era troppo ottimista, avrebbe potuto portare al lancio di un veicolo con prestazioni invernali inadeguate, causando insoddisfazione del cliente e potenziali problemi di sicurezza. D’altra parte, se gli ingegneri si fossero basati sul risultato più conservativo del test sul veicolo, avrebbero potuto limitare inutilmente la potenza del veicolo, riducendone l’appeal in condizioni normali. Il team aveva bisogno di capire perché i due test producevano risultati così diversi.
L’origine del problema: la storia termica ed elettrica
I ricercatori hanno avviato un’indagine sistematica, escludendo le variabili più ovvie. Lo stesso pacco batteria è stato utilizzato in entrambi i test. Il software e i parametri di calibrazione del BMS erano identici. Le camere climatiche utilizzate nel test Pack ESS erano di ultima generazione, con un controllo preciso della temperatura. L’unica variabile rimasta era la procedura di test stessa.
La loro attenzione si è concentrata sul concetto di polarizzazione della batteria. In termini elettrochimici, la polarizzazione è la deviazione della tensione della batteria dal suo stato di equilibrio quando scorre una corrente. Esistono tre tipi principali: polarizzazione ohmica, causata dalla resistenza interna dei materiali; polarizzazione per concentrazione, causata dalla lenta diffusione degli ioni nell’elettrolita; e polarizzazione per attivazione, causata dalla cinetica delle reazioni chimiche sulle superfici degli elettrodi. Quando una batteria viene caricata o scaricata, queste polarizzazioni si accumulano. Quando la corrente si interrompe, le polarizzazioni non scompaiono istantaneamente; si dissipano lentamente mentre il sistema torna all’equilibrio. Questo periodo di recupero è cruciale.
Il team ha utilizzato un modello di circuito equivalente di Thevenin del secondo ordine per analizzare il comportamento della batteria. Questo modello rappresenta la batteria come una sorgente di tensione in serie con una resistenza e due reti resistenza-condensatore in parallelo, ognuna corrispondente a un diverso tipo di polarizzazione. Analizzando i dati di carica e scarica a impulsi di singole celle della batteria, sono stati in grado di quantificare l’entità e il tasso di dissipazione della tensione di polarizzazione in diverse condizioni.
L’analisi ha rivelato diverse intuizioni chiave. In primo luogo, il grado di polarizzazione è direttamente correlato all’intensità della corrente. Una scarica a 1C (alta corrente) genera una polarizzazione significativamente maggiore rispetto a una scarica a 0,33C (bassa corrente). In secondo luogo, la quantità di polarizzazione residua dipende dalla durata del periodo di riposo dopo la carica o la scarica. Un periodo di riposo più lungo permette una maggiore dissipazione della polarizzazione, avvicinando la batteria al suo vero stato di equilibrio. In terzo luogo, la polarizzazione è più pronunciata a temperature più basse. A 15 °C, la tensione di polarizzazione dopo una scarica a 1C era quasi il 50% più alta che a 35 °C.
Con questa comprensione, i ricercatori hanno confrontato la fase di regolazione del SOC nel test Pack ESS con lo scenario del mondo reale. Nel protocollo Pack ESS standard, la batteria veniva caricata completamente a temperatura ambiente (25 °C). Successivamente veniva raffreddata alla temperatura obiettivo del test (ad esempio, -20 °C) e mantenuta per 8 ore per garantire la stabilità termica. Solo a quel punto la batteria veniva scaricata al 30% di SOC utilizzando un ciclo di guida simulato. Ciò significava che il processo di scarica, che genera una polarizzazione significativa, avveniva a temperatura ambiente, non alla bassa temperatura obiettivo.
Al contrario, un veicolo reale in una guida invernale sarebbe stato esposto all’ambiente freddo per un periodo prolungato. Se il conducente ricaricava il veicolo a casa e poi partiva immediatamente, l’intero processo, dalla ricarica alla guida, avverrebbe al freddo. La batteria verrebbe caricata a bassa temperatura, e la guida iniziale avverrebbe anch’essa a bassa temperatura, accumulando una quantità significativa di polarizzazione a bassa temperatura.
Questa differenza nella storia termica ed elettrica della batteria era la causa radice del divario nelle prestazioni. La batteria Pack ESS, essendo stata scaricata a temperatura ambiente, entrava nel test a bassa temperatura con un livello di polarizzazione relativamente basso. La sua tensione era più alta e poteva erogare più potenza prima di raggiungere il taglio per sottotensione. La batteria del veicolo reale, essendo stata caricata e parzialmente scaricata al freddo, entrava nel test con un livello di polarizzazione molto più alto. La sua tensione crollava di più sotto carico, portando a un guasto più precoce.
Perfezionare il protocollo di test
Armato di queste conoscenze, il team di GAC Aion ha intrapreso la ristrutturazione del protocollo di test Pack ESS per simulare meglio le condizioni del mondo reale. Hanno proposto quattro metodi alternativi, ognuno progettato per testare un aspetto diverso del processo di regolazione del SOC.
I primi due metodi si sono concentrati sulla durata del periodo di riposo dopo la scarica di regolazione del SOC. Il Metodo 1 prevedeva un riposo di 2 ore alla temperatura obiettivo, mentre il Metodo 2 lo estendeva a 8 ore. L’obiettivo era verificare come il decadimento della polarizzazione nel tempo influenzasse le prestazioni finali. I risultati sono stati chiari: il periodo di riposo più lungo nel Metodo 2 ha permesso una maggiore dissipazione della polarizzazione, risultando in una tensione iniziale più alta e una consegna di potenza più stabile durante il test. La batteria è riuscita a completare 3 accelerazioni a pieno carico prima che le prestazioni iniziassero a degradarsi, rispetto a soltanto 1 per il Metodo 1.
I successivi due metodi hanno affrontato la temperatura alla quale avveniva la regolazione del SOC. Il Metodo 3 seguiva l’approccio tradizionale: caricare la batteria al 30% di SOC a temperatura ambiente, quindi raffreddarla alla temperatura di test. Il Metodo 4 invertiva questa sequenza: raffreddare la batteria alla temperatura di test prima, quindi caricarla al 30% di SOC. Questo cambiamento era cruciale, poiché significava che il processo di carica, che genera anch’esso un proprio tipo di polarizzazione, ora avveniva a bassa temperatura.
I risultati sono stati drammatici. Il Metodo 3, l’approccio tradizionale, ha permesso alla batteria di completare 18 accelerazioni a pieno carico. Il Metodo 4, il nuovo approccio di carica al freddo, ne ha permesso 19. Ancora più importante, le curve di tensione e i profili di consegna della potenza del Metodo 4 corrispondevano strettamente a quelli osservati nel test del veicolo reale. La tensione minima della cella durante il test era quasi identica, e il punto in cui le prestazioni hanno iniziato a diminuire era lo stesso.
I ricercatori hanno concluso che la simulazione più accurata delle prestazioni invernali nel mondo reale si ottiene quando la batteria viene condizionata, sia caricata che scaricata, alla temperatura bassa obiettivo, e le viene concesso un periodo di riposo sufficiente per raggiungere uno stato stabile. Questo garantisce che il livello di polarizzazione della batteria rifletta con precisione ciò che sperimenterebbe in uno scenario di guida invernale reale.
Implicazioni per l’industria automobilistica
Questa ricerca ha implicazioni di vasta portata per l’intera industria dei veicoli elettrici. Dimostra che il diavolo sta nei dettagli quando si tratta di testare le batterie. Una differenza apparentemente minore nella procedura, come caricare una batteria a 25 °C invece che a -20 °C, può avere un impatto significativo sul risultato di un test critico di prestazione. Ciò sottolinea la necessità di protocolli di test standardizzati, basati sulla fisica, che siano validati con dati del mondo reale.
Per i costruttori di automobili, i risultati offrono una strada chiara verso uno sviluppo più affidabile e prevedibile. Adottando la metodologia Pack ESS perfezionata, possono avere una maggiore fiducia nel fatto che le loro calibrazioni basate sul laboratorio si tradurranno in prestazioni del mondo reale. Ciò riduce il rischio di sorprese dell’ultimo minuto durante la validazione invernale e consente un’ottimizzazione più aggressiva della dinamica del veicolo e dell’efficienza energetica.
La ricerca sottolinea anche l’importanza di comprendere l’elettrochimica fondamentale delle batterie. Mentre i veicoli elettrici diventano sempre più sofisticati, con caratteristiche come la frenata rigenerativa, la ricarica rapida e la gestione adattativa della potenza, le interazioni tra batteria e veicolo diventano sempre più complesse. Gli ingegneri che comprendono la scienza sottostante della polarizzazione, della resistenza interna e della dinamica termica sono meglio attrezzati per progettare sistemi che funzionino in modo affidabile in tutte le condizioni.
Infine, questo lavoro contribuisce all’obiettivo più ampio di migliorare la fiducia del consumatore nei veicoli elettrici. Una delle maggiori barriere all’adozione degli EV è l'”ansia da autonomia”, che si intensifica in inverno. Sviluppando metodi più accurati per validare e comunicare le prestazioni del veicolo in climi freddi, i costruttori possono fornire ai clienti informazioni più affidabili, aiutando a dissipare miti e a costruire fiducia nella tecnologia.
Lo studio di Zhen Wang, Xiaolong Zhou, Xiangsong Yu, Weiping Huang e Zuxiong Peng di GAC Aion New Energy Automobile Co., Ltd., pubblicato su Mechanical & Electrical Engineering Technology, DOI: 10.3969/j.issn.1009-9492.2024.02.056, rappresenta un progresso significativo nella metodologia di test delle batterie. È una testimonianza del potere dell’indagine scientifica rigorosa per risolvere problemi di ingegneria pratica e migliorare la qualità dei prodotti del mondo reale.