Soggetti:
- Introduzione
- Materiali e specifiche delle diverse batterie
- Batteria al piombo
- Nichel-cadmio (Ni-Cd)
- Nichel metallico idruro (Ni-MH)
- Ioni di litio (ioni di litio)
- Supercondensatore (supercondensatore)
- Bilanciamento delle celle della batteria
Introduzione:
L’auto ibrida o completamente elettrica ha batterie più grandi e pesanti rispetto alle auto con solo motore a combustione. Le auto ibride utilizzano tensioni elevate, che possono essere pericolose per la vita se le riparazioni vengono eseguite da personale non qualificato. Come esempio:
- Un motorino di avviamento in funzione consuma circa 1,2 kW (1200 Watt)
- Un'auto ibrida che funziona interamente con l'elettricità consuma circa 60 kW (60.000 Watt)
Gli interventi sulle auto ibride possono essere eseguiti solo da persone che hanno seguito una formazione specifica. È presente una rete di bordo a 12 volt per l'alimentazione degli accessori (come radio, ecc.) con la propria piccola batteria, ed è presente una rete di bordo ad alta tensione che funziona a 400 volt (a seconda della marca ). La tensione di 400 V viene convertita in 12 V da uno speciale convertitore DC/DC e carica la relativa batteria.
Le batterie per propulsione ibrida hanno requisiti elevati. Devono essere molto grandi capacità di memoria avere. Vengono immagazzinate grandi riserve di energia e vengono assorbite tensioni molto elevate quando si supporta il motore a combustione (ibrido) o quando si fornisce energia per la propulsione completa (BEV).
L'immagine sotto mostra un pacco batteria di una Toyota Prius. Questa batteria al nichel-metallo idruro (NiMH) contiene 28 moduli, ciascuno composto da 6 celle. Ogni cella ha una tensione di 1,2 volt. La tensione totale di questa batteria è di 201,6 volt.
Materiali e specifiche dei diversi tipi di batterie:
Durante lo sviluppo della trasmissione elettrica, viene fatta una scelta tra diversi tipi di batterie. Le caratteristiche, le prestazioni, le opzioni di costruzione e i costi giocano un ruolo importante. I tipi di batterie più comunemente utilizzati nei veicoli ibridi e completamente elettrici sono le batterie Ni-MH (nichel metallo idruro) e Li-ion (ioni di litio).
Oltre ai tipi Ni-MH e agli ioni di litio, si stanno sviluppando i condensatori elettrolitici, che chiamiamo "supercondensatori" o "supercondensatori".
La tabella mostra i materiali delle diverse batterie con le relative specifiche.
Batteria al piombo:
Nella tabella è citata anche la batteria al piombo (non vengono prese in considerazione le versioni gel e AGM). Poiché la batteria al piombo ha la massima durata con una scarica massima del 20%, soffre di solfatazione con l'invecchiamento e ha una densità e un contenuto di energia bassi, non è adatta per l'uso nei veicoli elettrici. Troviamo la batteria al piombo come batteria accessoria; Le utenze a bassa tensione come illuminazione, sistemi comfort (carrozzeria) e infotainment funzionano con una tensione di circa 14 Volt.
Nichel-cadmio (Ni-Cd):
In passato, Ni-Cd Le batterie soffrono di un effetto memoria e quindi non sono adatte all'uso nella propulsione elettrica: la carica e la scarica parziale avvengono costantemente. Le moderne batterie Ni-Cd non sono praticamente più colpite dall'effetto memoria. Il più grande svantaggio di questo tipo di batterie è la presenza della sostanza tossica cadmio. Ciò rende la batteria Ni-Cd estremamente ostile all'ambiente. L'uso di questa batteria è quindi vietato dalla legge.
Nichel metallico idruro (Ni-MH):
La batteria Ni-MH può essere caricata più velocemente di una batteria al piombo. Durante la carica si creano sia calore che gas, che devono essere rimossi. Le batterie sono dotate di sistema di raffreddamento e valvola di sfiato. Grazie alla sua lunga durata e all'elevata densità di energia e potenza, la batteria Ni-MH è adatta per l'uso nei veicoli elettrici. Tuttavia, questo tipo di batteria è sensibile al sovraccarico, alle scariche eccessive, alle alte temperature e ai rapidi sbalzi termici.
L'immagine sotto mostra la batteria Ni-MH di una Toyota Prius. Questo pacco batteria si trova nel bagagliaio, dietro lo schienale del sedile posteriore. Quando i sensori di temperatura rilevano una temperatura elevata, viene attivata la ventola di raffreddamento (visibile nella foto a destra accanto all'alloggiamento bianco). La ventola aspira l'aria dall'interno e la soffia attraverso i condotti dell'aria nel pacco batteria per raffreddare le celle.
Ioni di litio (ioni di litio):
A causa dell'elevata energia e densità di potenza della batteria agli ioni di litio (rispetto alla Ni-MH), una batteria agli ioni di litio viene solitamente utilizzata negli ibridi plug-in e nei veicoli completamente elettrici. La batteria agli ioni di litio funziona bene a basse temperature e ha una lunga durata. Si prevede che le proprietà miglioreranno nei prossimi anni grazie all'ulteriore sviluppo.
Nell'immagine successiva vediamo il pacco batteria (agli ioni di litio) di una BMW i3. Il coperchio è stato svitato e si trova dietro di esso. Una volta montato, il coperchio si chiude ermeticamente.
Il pacco batteria dell'i3 è montato sotto il veicolo. Lo spazio sul pavimento tra l'asse anteriore e quello posteriore è stato utilizzato il più possibile per fornire quanto più spazio possibile per il pacco batteria.
Nell'immagine vediamo gli otto blocchi separati con dodici celle ciascuno. Ogni blocco ha una capacità di 2,6 kWh, per un totale di 22 kWh. Per fare un confronto: l'attuale generazione i3 (2020) ha una batteria con una capacità di 94 Ah e una potenza di 22 kWh. Le dimensioni della batteria sono rimaste le stesse dalla sua introduzione nel 2013, ma le sue prestazioni (e quindi la sua autonomia) sono notevolmente migliorate.
Tesla utilizza nei modelli dal 2013 in poi (Modello S e Modello X) piccole celle della batteria che sono leggermente più grandi delle batterie AA standard che conosciamo dal telecomando del televisore. Le celle della batteria (18650 di Panasonic) sono lunghe 65 mm e hanno un diametro di 18 mm. I pacchi batteria più estesi contengono non meno di 7104 di queste celle.
Nelle immagini sottostanti vediamo le singole celle della batteria a sinistra e un pacco batteria contenente le celle 7104 a destra.
La batteria agli ioni di litio è composta da quattro componenti principali:
- il catodo (+) costituito da una lega di litio
- l'anodo (-) costituito da grafite o carbonio
- il separatore poroso
- l'elettrolita
Durante la scarica, gli ioni di litio si spostano attraverso l'elettrolita dall'anodo (-) al catodo (+), all'utenza e di nuovo all'anodo. Durante la carica gli ioni si muovono in direzioni opposte per poi passare dal catodo (+) all'anodo (-).
L'elettrolita contiene sali di litio per trasportare gli ioni. Il separatore garantisce il passaggio degli ioni di litio, mentre l'anodo e il catodo rimangono separati.
Le celle della batteria sono alloggiate in moduli collegati in serie. La seguente rappresentazione schematica mostra un pacco batteria che presenta forti somiglianze con quello di una Volkswagen E-UP! e Renault Zoe. Differisce solo il numero di celle: la batteria della E-UP! ha 204 celle e quella della Renault Zoë 192.
In questo esempio, la batteria è composta da due pacchi da sei moduli. Ogni modulo contiene due gruppi di 10 celle collegate in serie in parallelo.
- Collegamento in serie: la tensione della batteria aumenta. Con una tensione della cella (agli ioni di litio) di 3,2 Volt un modulo batteria fornisce (3,2 * 10) = 32 Volt.
Lo svantaggio del collegamento in serie è che in caso di cella difettosa la capacità dell'intero collegamento in serie diminuisce. - Collegamento in parallelo: la tensione rimane la stessa, ma la corrente e la capacità aumentano. Una cella difettosa non ha alcuna influenza sulle celle del circuito ad essa collegato in parallelo.
I produttori possono quindi scegliere di utilizzare più circuiti paralleli per modulo. Nei moduli della Volkswagen E-Golf quindi non (due in questo esempio), ma tre gruppi di celle sono collegati in parallelo.
Le celle agli ioni di litio hanno una durata di circa 2000 cicli di scarica e carica prima che la loro capacità venga ridotta a circa l'80% della capacità di carica iniziale.
Le tensioni di una cella agli ioni di litio sono le seguenti:
- tensione nominale: 3,6 volt;
- limite di scarica: 2,5 volt;
- tensione massima di carica: 4,2 volt.
La maggior parte dei sistemi di gestione della batteria (BMS) utilizza un limite inferiore di 2,8 volt. Se la cella viene scaricata oltre 2,5 volt, verrà danneggiata. La durata della vita della cellula si riduce. Anche il sovraccarico della cella agli ioni di litio ne riduce la durata, ma è anche pericoloso. Il sovraccarico della cella può renderla infiammabile. Anche la temperatura delle celle influisce sulla loro durata: a una temperatura inferiore a 0°C le celle potrebbero non essere più caricate. Una funzione di riscaldamento offre una soluzione in questo caso.
Condensatore supercodice (supercondensatore):
Nei paragrafi precedenti vengono menzionati diversi tipi di batterie, ciascuno con le proprie applicazioni, vantaggi e svantaggi. Uno svantaggio che chiunque abbia una batteria di questo tipo deve affrontare è il tempo di ricarica. La ricarica di una batteria può richiedere diverse ore. La ricarica rapida è un'opzione, ma questa è associata a più calore e forse anche a un invecchiamento (e danneggiamento) più rapido della batteria.
Attualmente sono in corso molte attività di ricerca e sviluppo sui supercondensatori. Li chiamiamo anche “supercondensatori” o “ultracondensatori”. L’uso dei supercondensatori potrebbe fornire una soluzione a questo:
- La ricarica è molto veloce;
- Possono rilasciare energia (scaricarsi) molto rapidamente, quindi è possibile un notevole aumento di potenza;
- Più durevole di una batteria agli ioni di litio grazie ad un numero illimitato di cicli di ricarica (almeno 1 milione) perché non si verificano reazioni elettrochimiche;
- In parte in relazione al punto precedente, un supercondensatore può essere completamente scaricato senza che ciò influisca negativamente sulla sua durata.
I supercondensatori sono condensatori con una capacità e una densità di energia migliaia di volte superiori rispetto ai condensatori elettrolitici standard. La capacità viene aumentata utilizzando uno speciale elettrolita (materiale isolante) che contiene ioni e quindi ha una costante dielettrica tra le piastre molto elevata. Un separatore (un foglio sottile) viene immerso in un solvente con ioni e posizionato tra le piastre. Le piastre sono generalmente realizzate in carbonio.
La capacità del condensatore mostrato è 5000 F.
I supercondensatori possono essere abbinati ad una batteria HV agli ioni di litio; In caso di breve accelerazione è possibile utilizzare l'energia dei condensatori al posto dell'energia della batteria HV. Con la frenata rigenerativa, i condensatori si caricano completamente in una frazione di secondo. Gli sviluppi futuri potrebbero anche rendere possibile la sostituzione della batteria agli ioni di litio con un pacchetto supercap. Purtroppo con la tecnologia attuale la capacità e quindi la densità di potenza sono troppo basse rispetto ad una batteria agli ioni di litio. Gli scienziati sono alla ricerca di modi per aumentare la capacità e la densità di potenza.
Bilanciamento delle celle della batteria:
Attraverso il bilanciamento passivo e attivo delle celle della batteria, ciascuna cella viene monitorata dall'ECU per mantenere uno stato di buona salute della batteria. Ciò prolunga la durata delle celle prevenendo scariche profonde o sovraccarichi. In particolare le celle agli ioni di litio devono rimanere entro limiti rigorosi. La tensione delle celle è proporzionale allo stato della carica. Le cariche delle celle devono essere mantenute il più possibile in equilibrio tra loro. Con il bilanciamento delle celle è possibile controllare con precisione lo stato di carica entro 1 mV (0,001 volt).
- Il bilanciamento passivo garantisce l'equilibrio dello stato di carica di tutte le celle della batteria scaricando parzialmente le celle con uno stato di carica troppo elevato (torneremo su questo più avanti nel paragrafo);
- Il bilanciamento attivo è una tecnica di bilanciamento più complessa che può controllare le celle individualmente durante la carica e la scarica. Il tempo di ricarica con il bilanciamento attivo è più breve rispetto al bilanciamento passivo.
Nell'immagine seguente vediamo un modulo batteria con otto celle.
Le otto celle sono cariche al 90%. La durata di vita di una cella diminuisce se viene caricata continuamente al 100%. Al contrario, la durata diminuisce anche se la batteria si scarica oltre il 30%: con uno stato di carica <30% la cella è profondamente scarica.
Lo stato di carica delle celle sarà quindi sempre compreso tra il 30% e il 90%. Questo viene monitorato dall'elettronica, ma non viene visto dal conducente del veicolo.
Il display digitale nel cruscotto indica 0% o 100% quando si raggiunge il 30% o il 90%.
A causa dell’età alcune cellule possono diventare più deboli di altre. Ciò ha una grande influenza sullo stato di carica del modulo batteria. Nelle due immagini successive vediamo lo stato di carica quando due celle hanno una capacità inferiore a causa dell'età. In queste situazioni le celle della batteria non sono bilanciate.
- Scarica più rapida a causa di celle difettose: le due celle centrali si scaricano più velocemente a causa della loro capacità inferiore. Per evitare scariche profonde, le altre sei celle del modulo non possono più rilasciare energia e quindi non possono più essere utilizzate;
- Non si carica completamente a causa di celle difettose: a causa della scarsa capacità delle due celle centrali, si caricano più velocemente. Poiché raggiungono il 90% più velocemente delle altre sei celle, non è possibile effettuare ulteriori ricariche.
È chiaro che le celle di capacità inferiore rappresentano il fattore limitante sia in fase di scarica (durante la guida) che in fase di ricarica. Per sfruttare in modo ottimale l'intera capacità della batteria e garantire una lunga durata.
Esistono due metodi di bilanciamento della batteria: passivo e attivo.
- Senza bilanciamento: quattro celle hanno tutte uno stato di carica diverso. La cella 2 è quasi vuota e la cella 4 è completamente carica;
- Passivo: le celle con maggiore capacità vengono scaricate fino al raggiungimento dello stato di carica della cella più debole (cella 2 nell'esempio). La scarica delle celle 1, 3 e 4 è una perdita.
Nell'esempio vediamo che i bicchieri vengono scaricati fino a raggiungere lo stato di carica della cella 2; - Attivo: l'energia delle celle piene viene utilizzata per riempire quelle vuote. Ora non c'è più alcuna perdita, ma il trasferimento di energia da una cellula all'altra.
Il principio di funzionamento del bilanciamento cellulare passivo e attivo è spiegato di seguito.
Bilanciamento passivo delle celle:
Nell'esempio vediamo quattro celle della batteria collegate in serie con un resistore commutabile (R) in parallelo. In questo esempio, il resistore è collegato a terra con l'interruttore. In realtà questo è un transistor o FET.
Nell'esempio vediamo che la cella 3 è caricata al 100%. Dai paragrafi precedenti sappiamo che questa cella si carica più velocemente perché è più debole delle altre tre. Poiché lo stato di carica della cella 3 è al 100%, le altre tre celle non vengono più caricate.
La resistenza che si trova in parallelo sulla cella 3 viene inclusa nel circuito di corrente tramite l'interruttore. La cella 3 si scarica perché il resistore assorbe la tensione non appena la corrente lo attraversa. La scarica continua finché la cellula non si trova al livello delle altre cellule; in questo caso il 90%.
Quando tutte e quattro le celle di questo modulo hanno lo stesso stato di carica, possono essere ulteriormente caricate.
Con il bilanciamento passivo delle celle si perde energia: è andata perduta la tensione assorbita dai resistori collegati in parallelo. Tuttavia, molti produttori utilizzano ancora oggi questo metodo di bilanciamento.
Bilanciamento cellulare attivo:
Naturalmente molto più efficiente è il bilanciamento cellulare attivo. L'energia della cella troppo piena viene utilizzata per caricare la cella vuota. Di seguito vediamo un esempio di bilanciamento delle celle attivo.
Nell'esempio vediamo due celle collegate in serie (3 e 4) con la loro tensione sopra (rispettivamente 4 e 3,9 volt). La cella 3 viene scaricata tramite il trasformatore. Il FET sul lato primario consente la scarica. Con questo viene caricata la bobina primaria del trasformatore. Il FET sul lato secondario accende la bobina secondaria del trasformatore. La corrente di carica ottenuta viene utilizzata per alimentare il trasformatore sotto un'altra cella. Anche il trasformatore sotto la cella 4 viene acceso e spento dai FET.
