Batteria per veicoli elettrici

I disegni del pacco batterie per i veicoli elettrici (EV) sono complessi e variano ampiamente in base al produttore e all’applicazione specifica. Tuttavia, tutti incorporano una combinazione di diversi semplici sistemi di componenti meccanici ed elettrici che svolgono le funzioni di base richieste dal pacco.

Le celle della batteria effettiva possono avere chimica, forme fisiche e dimensioni diverse, come preferito dai vari produttori di pacchi. I pacchi batteria incorporano sempre molte celle discrete collegate in serie e in parallelo per raggiungere la tensione totale e i requisiti di corrente del pacco. I pacchi batteria per tutti i veicoli elettrici possono contenere diverse centinaia di celle individuali. Ogni cella ha una tensione nominale di 3-4 volt, a seconda della sua composizione chimica.

Per facilitare la produzione e l’assemblaggio, la grande pila di celle è in genere raggruppata in pile più piccole chiamate moduli. Diversi di questi moduli saranno collocati in un singolo pacco. All’interno di ogni modulo le celle sono saldate insieme per completare il percorso elettrico del flusso di corrente. I moduli possono anche incorporare meccanismi di raffreddamento, monitor di temperatura e altri dispositivi. Nella maggior parte dei casi, i moduli permettono anche di monitorare la tensione prodotta da ogni cella della batteria nello stack utilizzando un sistema di gestione della batteria (BMS).

Lo stack di celle della batteria ha un fusibile principale che limita la corrente del pacco in condizioni di corto circuito. Una “spina di servizio” o “disconnessione di servizio” può essere rimossa per dividere lo stack di batterie in due metà elettricamente isolate. Con la spina di servizio rimossa, i terminali principali esposti della batteria non presentano alcun pericolo elettrico ad alto potenziale per i tecnici di servizio.

Il pacco batterie contiene anche relè, o contattori, che controllano la distribuzione della potenza elettrica del pacco batterie ai terminali di uscita. Nella maggior parte dei casi ci saranno almeno due relè principali che collegano la pila di celle della batteria ai terminali di uscita positivi e negativi principali del pacco, che poi forniscono alta corrente al motore di azionamento elettrico. Alcuni progetti di pacchi includeranno percorsi di corrente alternativi per la precarica del sistema di azionamento attraverso una resistenza di precarica o per alimentare un bus ausiliario che avrà anche i propri relè di controllo associati. Per ragioni di sicurezza questi relè sono tutti normalmente aperti.

Il pacco batteria contiene anche una varietà di sensori di temperatura, tensione e corrente. La raccolta dei dati dai sensori del pacco e l’attivazione dei relè del pacco sono realizzati dall’unità di monitoraggio della batteria del pacco (BMU) o dal sistema di gestione della batteria (BMS). Il BMS è anche responsabile delle comunicazioni con il veicolo al di fuori del pacco batterie.

RicaricaModifica

Le batterie dei BEV devono essere ricaricate periodicamente. I BEV più comunemente si ricaricano dalla rete elettrica (a casa o utilizzando un punto di ricarica in strada o in negozio), che è a sua volta generato da una varietà di risorse nazionali, come il carbone, l’energia idroelettrica, il nucleare, il gas naturale, e altri. Anche l’energia domestica o di rete, come i pannelli solari fotovoltaici, il vento o il microidro possono essere utilizzati e sono promossi a causa delle preoccupazioni relative al riscaldamento globale.

Con alimentazioni adeguate, una buona durata della batteria si ottiene di solito a tassi di ricarica non superiori alla metà della capacità della batteria per ora (“0.5C”), impiegando quindi due o più ore per una carica completa, ma una ricarica più veloce è disponibile anche per batterie di grande capacità.

Il tempo di ricarica a casa è limitato dalla capacità della presa elettrica domestica, a meno che non vengano fatti lavori di cablaggio elettrico specializzati. Negli Stati Uniti, in Canada, in Giappone e in altri paesi con elettricità a 110 volt, una normale presa domestica fornisce 1,5 kilowatt. Nei paesi europei con elettricità a 230 volt possono essere erogati tra i 7 e i 14 kilowatt (monofase e trifase 230 V/400 V (400 V tra le fasi), rispettivamente). In Europa, l’allacciamento alla rete a 400 V (230 V trifase) è sempre più popolare poiché le case più nuove non hanno l’allacciamento al gas naturale a causa delle norme di sicurezza dell’Unione Europea.

Tempo di ricaricaModifica

Le auto elettriche come Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3, ecc. possono ricaricare le loro batterie all’80% nelle stazioni di ricarica rapida entro 30 minuti. Per esempio, una Tesla Model 3 Long Range in carica su una Tesla Versione 3 Supercharger da 250 kW è passata dal 2% di stato di carica con 6 miglia (9,7 km) di autonomia all’80% di stato di carica con 240 miglia (390 km) di autonomia in 27 minuti, che equivale a 520 miglia (840 km) all’ora.

ConnettoriModifica

La potenza di carica può essere collegata all’auto in due modi. Il primo è una connessione elettrica diretta conosciuta come accoppiamento conduttivo. Questo potrebbe essere semplice come un cavo di rete in una presa resistente alle intemperie attraverso cavi speciali ad alta capacità con connettori per proteggere l’utente dalle alte tensioni. Lo standard moderno per la ricarica dei veicoli plug-in è il connettore conduttivo SAE 1772 (IEC 62196 Tipo 1) negli Stati Uniti. L’ACEA ha scelto il VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Tipo 2) per la diffusione in Europa, che, senza un fermo, significa inutili requisiti di potenza extra per il meccanismo di chiusura.

Il secondo approccio è noto come ricarica induttiva. Una speciale “paletta” viene inserita in una fessura sull’auto. La paletta è un avvolgimento di un trasformatore, mentre l’altro è incorporato nell’auto. Quando la paletta è inserita, completa un circuito magnetico che fornisce energia al pacco batterie. In un sistema di ricarica induttivo, un avvolgimento è attaccato alla parte inferiore dell’auto, e l’altro rimane sul pavimento del garage. Il vantaggio dell’approccio induttivo è che non c’è possibilità di folgorazione perché non ci sono conduttori esposti, anche se interblocchi, connettori speciali e rilevatori di guasti a terra possono rendere l’accoppiamento conduttivo quasi altrettanto sicuro. La ricarica induttiva può anche ridurre il peso del veicolo, spostando più componenti di ricarica fuori bordo. Un sostenitore della ricarica induttiva della Toyota sosteneva nel 1998 che le differenze di costo complessivo erano minime, mentre un sostenitore della ricarica conduttiva della Ford sosteneva che la ricarica conduttiva era più efficiente in termini di costi.

Punti di ricaricaModifica

A partire da aprile 2020, ci sono 93.439 località e 178.381 stazioni di ricarica EV in tutto il mondo.

Autonomia prima della ricaricaModifica

L’autonomia di un BEV dipende dal numero e dal tipo di batterie utilizzate. Anche il peso e il tipo di veicolo, così come il terreno, il tempo e le prestazioni del conducente hanno un impatto, così come lo hanno sul chilometraggio dei veicoli tradizionali. Le prestazioni della conversione dei veicoli elettrici dipendono da una serie di fattori, tra cui la chimica della batteria:

• Le batterie al piombo-acido sono le più disponibili e poco costose. Tali conversioni hanno generalmente un’autonomia da 30 a 80 km (da 20 a 50 miglia). I veicoli elettrici di produzione con batterie al piombo sono in grado di percorrere fino a 130 km (80 miglia) per carica.
• Le batterie NiMH hanno un’energia specifica più alta di quelle al piombo; i prototipi di veicoli elettrici offrono fino a 200 km (120 miglia) di autonomia.
• I nuovi veicoli elettrici equipaggiati con batterie al litio forniscono 320-480 km (200-300 miglia) di autonomia per carica. Il litio è anche meno costoso del nichel.
• Le batterie nichel-zinco sono più economiche e più leggere delle batterie nichel-cadmio. Sono anche più economiche di (ma non così leggere come) le batterie agli ioni di litio.

La resistenza interna di alcune batterie può essere significativamente aumentata a bassa temperatura, il che può causare una notevole riduzione dell’autonomia del veicolo e della durata della batteria.

Trovare l’equilibrio economico tra autonomia e prestazioni, capacità della batteria e peso, e tipo di batteria e costo sfida ogni produttore di EV.

Con un sistema AC o un sistema DC avanzato, la frenata rigenerativa può estendere l’autonomia fino al 50% in condizioni di traffico estremo senza arresto completo. Altrimenti, l’autonomia è estesa di circa il 10-15% nella guida in città, e solo in modo trascurabile nella guida in autostrada, a seconda del terreno.

I veicoli elettrici (compresi gli autobus e i camion) possono anche utilizzare rimorchi con gruppo elettrogeno e rimorchi a spinta per estendere la loro autonomia quando lo desiderano senza il peso aggiuntivo durante il normale uso a breve raggio. I rimorchi a cestello scaricati possono essere sostituiti da quelli ricaricati durante il tragitto. Se affittati, i costi di manutenzione possono essere rinviati all’agenzia.

Alcuni BEV possono diventare veicoli ibridi a seconda del rimorchio e dei tipi di energia e di propulsione dell’auto.

RimorchiModifica

La capacità della batteria ausiliaria trasportata nei rimorchi può aumentare l’autonomia complessiva del veicolo, ma aumenta anche la perdita di potenza derivante dalla resistenza aerodinamica, aumenta gli effetti di trasferimento del peso e riduce la capacità di trazione.

Scambio e rimozione

Un’alternativa alla ricarica è lo scambio di batterie scariche o quasi scariche (o moduli di estensione dell’autonomia) con batterie completamente cariche. Questo si chiama battery swapping e si fa nelle stazioni di scambio.

Le caratteristiche delle stazioni di scambio includono:

1. Il consumatore non è più preoccupato del costo del capitale della batteria, del ciclo di vita, della tecnologia, della manutenzione o dei problemi di garanzia;
2. Lo scambio è molto più veloce della ricarica: l’attrezzatura per lo scambio delle batterie costruita dalla ditta Better Place ha dimostrato scambi automatici in meno di 60 secondi;
3. Le stazioni di scambio aumentano la fattibilità dello stoccaggio distribuito di energia attraverso la rete elettrica;

Le preoccupazioni sulle stazioni di scambio includono:

1. Potenziale di frode (la qualità della batteria può essere misurata solo su un ciclo di scaricamento completo; la durata della batteria può essere misurata solo su cicli di scaricamento ripetuti; coloro che partecipano alla transazione di scambio non possono sapere se stanno ricevendo una batteria usurata o di efficacia ridotta; la qualità della batteria si degrada lentamente nel tempo, quindi le batterie usurate saranno gradualmente forzate nel sistema)
2. Non volontà dei produttori di standardizzare l’accesso alla batteria / dettagli di implementazione
3. Preoccupazioni per la sicurezza

RiempimentoModifica

Le batterie a flusso di zinco bromo possono essere ricaricate utilizzando un liquido, invece di essere ricaricate da connettori, risparmiando tempo.

Ciclo di vita delle batterie EVModifica

Down-cycling delle batterie EV a fine vitaModifica

Le batterie dei veicoli elettrici che sono in fase di fine vita (avendo una capacità di potenza ridotta e non essendo più adatte ad alimentare i veicoli elettrici) possono essere riutilizzate per applicazioni di seconda vita come l’uso in gruppi di alimentazione e-bus, backup per grandi edifici, l’uso nell’immagazzinamento di energia domestica, la stabilizzazione dell’alimentazione per i generatori solari ed eolici, l’alimentazione di backup per le stazioni base di telecomunicazione e i centri dati, l’alimentazione di carrelli elevatori, scooter elettrici e biciclette, ecc. Il riutilizzo delle batterie automobilistiche in applicazioni di seconda vita richiede una particolare competenza nella logistica inversa. Alexander Kupfer, responsabile dello sviluppo di prodotti sostenibili/economia circolare all’Audi, afferma che sarebbe necessario sviluppare “un’interfaccia di connessione comune attraverso la quale queste batterie automobilistiche possano essere controllate da un sistema di gestione dell’accumulo stazionario”. Questo tipo di interfaccia fornirebbe un meccanismo di comunicazione con il sistema di controllo dello stoccaggio indipendente dal produttore della batteria. L’interfaccia dovrebbe essere sviluppata insieme ai fornitori di stoccaggio.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) ha suggerito che le utility potrebbero acquistare batterie usate per scopi di backup e livellamento del carico. Dichiarano che mentre queste batterie usate potrebbero non essere più utilizzabili nei veicoli, la loro capacità residua ha ancora un valore significativo.

Durata di vitaModifica