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Le batterie non sono tutte uguali
Spesso si sente dire, scherzosamente, che le auto elettriche non siano altro che dei giocattoli a pile, ed in un certo senso è vero: in modo semplicistico le batterie hanno in entrambe i casi la funzione di accumulare energia, in forma di energia chimica. Sono composte da svariati materiali che a seconda delle loro proprietà vengono accoppiati per formare un anodo ed un catodo. Anodo e catodo (polo negativo e polo positivo) sono separati da sostanze che permettono uno scambio di ioni e, collegandoli esternamente attraverso un conduttore (filo di rame ad esempio), avviene una reazione chimica che “trasferisce” elettroni da un lato all’altro attraverso il collegamento, mentre internamente, l’anodo si consuma “perdendo” elettroni, sciogliendosi in ioni ed il catodo si ingrossa (il materiale precipita) usando gli ioni da cui è circondato insieme agli elettroni “ricevuti”. Questo è vero per tutte le batterie, ma le similitudini finiscono qui.
Nella realtà dei fatti le batterie delle auto elettriche funzionano con lo stesso principio noto da migliaia di anni ma hanno molte funzioni all’interno di un veicolo e incorporano tecnologie che non ci si aspetta.
Innanzitutto le batterie per auto elettriche oltre ad essere il “serbatoio” dell’auto sono spesso un organo strutturale, visto il peso e l’ingombro quasi tutti i produttori utilizzano dei battery pack che costituiscono il vero e proprio pianale della vettura, creando anche dei vantaggi, in quanto si abbassa il centro di gravità e si dona rigidità all’auto. Inoltre le batterie sono dotate di sistemi di climatizzazione in modo da tenere sotto controllo la temperatura per favorire longevità, efficienza e sicurezza. A livello di materiali utilizzati le batterie per auto elettriche non hanno nulla a che vedere con la classica “pila” (ad esempio polimeri di litio).
I battery pack sono composti da numerose celle singole in modo da settorializzare l’accumulatore e rendere possibile l’utilizzo parziale del pacco e l’eventuale manutenzione. Grazie a questa divisione, le case automobilistiche possono introdurre la “grace capacity“, cioè l’elettronica dell’auto gestirà le batterie a livello di cella non utilizzandole mai tutte insieme. Ciò comporta che i battery pack inizialmente abbiamo una capacità ben superiore a quella effettivamente utilizzabile. Questo vuol dire che un veicolo con una batteria usabile di 100 kWh, avrà una capacità reale di 120kWh ad esempio.
A cosa serve la “grace capacity”?
In un certo senso doversi portare dietro del peso inizialmente inutile è uno svantaggio che si traduce in maggiori consumi e minore autonomia. La grace capacity però è fondamentale per mantenere costante nel tempo la performance della batteria, un po’ come la riserva in auto a combustione, e questo vantaggio vale il peso extra.
La grace capacity fa si che la batteria non venga mai utilizzata al massimo, stressandola di meno, garantendo cicli di carica e scarica meno profondi, alternando l’utilizzo delle celle, aumentando la longevità del pacco. Inoltre con l’andare del tempo la batteria perderà capacità di accumulo, e per mantenere una performance costante, la grace capacity verrà ridotta. Ciò vuol dire che con l’andare del tempo la capacità reale diminuirà e sarà sempre più vicina alla capacità utilizzata nella marcia lasciando l’autonomia invariata “consumando” la riserva di partenza.
In poche parole una batteria da 100 kWh, avrà inizialmente una capacità reale di 120kWh (20kWh di grace capacity), con il tempo la capacità reale scende a 110kWh, il cliente potrà sempre utilizzare 100kWh ma la batteria sarà più vicina al suo utilizzo massimo. Esaurita la grace capacity, la performance comincerà a peggiorare, perchè si andrà ad intaccare la batteria utilizzabile e non più la riserva, inoltre il degrado della batteria diventa più veloce sia perché le ricariche/scariche al 100% e allo 0% effettivi la sollecitano di più sia perché non esiste più una riserva da attivare per compensare la perdita di capacità.
Questa soluzione permette di percorrere circa 150.000km senza avere una diminuzione dell’autonomia.
Un aggiornamento software può ripristinare un po’ di grace capacity diminuendo quindi il logorio della ricarica, ma a quel punto l’autonomia subisce un brusco calo salvaguardando però la longevità delle celle.
Inoltre la grace capacity viene utilizzata anche per non scaricare mai completamente la batteria, anche quando l’autonomia è a zero, perchè scariche troppo “profonde” danneggiano le celle.
Come mai le batterie invecchiano?
L’invecchiamento della batteria è imputabile a vari fattori, quali i livelli di carica, la velocità di ricarica, la profondità di scarica, i materiali utilizzati e la temperatura.
Ad esempio una carica superiore all’80% della capacità reale accelera l’invecchiamento (ecco perchè viene introdotta la grace capacity). Un altro fattore che influenza la longevità è dato dalla profondità di scarica (quanto più lo 0% di autonomia si avvicina allo 0% di carica residua reale).
Durante i cicli di utilizzo anodo e catodo si consumano e si “rigenerano” alternativamente, ed ogni volta che lo fanno non tutto il materiale torna alla forma originaria, parte dei poli rimane ossidata creando con il tempo uno strato di composti non reattivi che hanno un effetto di riduzione della capacità (c’è meno materiale reattivo utilizzabile) e di aumentata resistenza interna, cioè un aumento dell’energia dissipata sia in fase di carica che di scarica, comportando una minore efficienza ed un maggior consumo, quindi minore autonomia. Inoltre una resistenza per sua natura converte energia in calore, quindi oltre che essere una perdita di energia utilizzabile comporta anche un riscaldamento delle batterie con conseguente ulteriore perdita di efficienza e spreco di energia dovuto alla più intensa refrigerazione necessaria. La potenza dissipata cresce al quadrato al variare della corrente (W=RxI2), in pratica più la scarica è violenta o più si ricarica velocemente, più questo effetto sarà percepibile e dannoso. Gli studi dimostrano però che, a differenza di quanto si pensasse, la ricarica delle batterie in fase di frenata non danneggia le celle data l’intensità relativamente bassa.
Come prolungare la vita del battery pack
Considerando quanto appena detto è quindi consigliato evitare scariche violente e profonde in quanto più la scarica è veloce, più si crea surriscaldamento, perdite ed aumento di resistenza interna, più una scarica è profonda, più la batteria tende a formare composti non reattivi che possono anche danneggiare fisicamente la batteria e farle prendere fuoco (i cristalli formati possono portare a corto circuito).
Le batterie inoltre si scaricano anche quando non utilizzate ma soprattutto si rovinano allo stesso modo di cariche e scariche violente e profonde. Se l’auto non viene utilizzata per tanto tempo, è consigliato, per dare elasticità alle celle e ridurre il degrado, lasciare la batteria carica al 50% durante il periodo di stoccaggio. Una batteria inutilizzata e carica al massimo si degrada molto velocemente, ben più velocemente di un battery pack utilizzato sovente ed in modo corretto.
Il problema della resistenza interna è molto importante durante la fase di ricarica rapida (la potenza dissipata cresce con il quadrato della corrente). Per aumentare la longevità delle batterie è consigliato utilizzare le ricariche rapide il meno possibile in quanto stressano molto la batteria.
Un altro fattore importante è la temperatura. L’ideale durante l’utilizzo e la ricarica è mantenere una temperatura di circa 25 °C, questo è possibile grazie alla climatizzazione dedicata presente nei modelli recenti, ma temperature esterne estreme o ricariche troppo veloci potrebbero portare ad un surriscaldamento e conseguente danneggiamento delle celle.
Anche il freddo estremo non fa bene alle batterie! Temperature basse influiscono meno sulla longevità, ma aumentano momentaneamente le resistenze interne, sfavorendo i processi chimici. Inoltre lo sbrinamento dei vetri ed il mantenimento della temperatura dell’abitacolo con i sistemi di condizionamento aumentano l’utilizzo di energia non dedicato al movimento dell’auto. Tutto ciò comporta una diminuzione dell’autonomia effettiva perchè viene utilizzata più energia per operare il veicolo e ci sono più dispersioni, anche se la capacità reale non è diminuita. A lungo andare però questi cicli più violenti e la maggior resistenza interna danneggeranno le celle. In questo caso è consigliato acquistare optionals come il riscaldamento del parabrezza o dei sedili e del volante perchè consumano molto di meno e sono più efficienti del climatizzatore e se possibile ricaricare il veicolo in un ambiente chiuso.
In conclusione
Come tutto nella vita, perchè duri nel tempo, un battery pack ha bisogno di essere curato e mantenuto nel tempo. Va usato correttamente rispettando le indicazioni del produttore insieme ai nostri consigli. Dedicando un minimo di attenzione all’uso e manutenzione non si avranno problemi di cali di performance prima che sia necessario cambiare auto.
In questo modo però si pone un altro problema: come si svaluta un’auto elettrica? Questo è un aspetto che approfondiremo in un altro articolo ma lo stato del pacco batteria sarà fondamentale per stabilire il valore di rivendita dell’auto elettrica usata.
Una delle soluzioni adottate dal mercato al momento per ovviare a tutti i problemi posti sopra è il noleggio a lungo termine, perchè oltre a non doversi preoccupare della longevità della batteria, non si dovrà vendere l’auto alla fine del suo utilizzo, quindi non ci sono preoccupazioni riguardo alla svalutazione, si è liberi di scegliere l’auto desiderata senza vincoli!
