L’elemento fondamentale delle auto elettriche odierne sono le batterie, componenti che, ad oggi, rappresentano il cruccio dei vari costruttori, dato che l’elemento penalizzante delle vetture elettriche è soprattutto l’autonomia. Occorre pertanto creare delle batterie per auto elettriche che pesino poco e siano di dimensioni compatte, ma possano garantire un’autonomia soddisfacente per i clienti.
La densità energetica è la quantità di energia immagazzinata in un dato sistema per unità di volume o per unità di massa. Cioè una tipologia di batteria con maggiore densità di energia rispetto ad un’altra, a parità di “autonomia” del veicolo elettrico, sarà più leggera e occuperà un ingombro minore.
In passato le vetture elettriche montavano batterie al piombo con densità da 50 a 120 Wh per chilo. Le batterie al Litio meno recenti potevano arrivare a 150-170 Wh/kg. Per i modelli dotati di batterie al litio odierni si superano i 250 Wh/kg. Pertanto, le case costruttrici dichiarano un’autonomia che su alcuni modelli arriva addirittura a 550 Km, ma ovviamente questa può variare in base allo stile di guida adottato dal conducente.
Per un confronto tra diverse tipologie e modelli, le 2.170 celle utilizzate nel pacco batterie della Tesla Model 3 hanno una densità energetica di 247 Wh per chilo e 700 Wh per litro. In futuro Tesla si è posta l’obiettivo di raggiungere una densità energetica di 450 Wh per chilo e 1.300 Wh per litro. Si tratterebbe così di implementare l’autonomia delle auto elettriche del 60% in rapporto al volume e del 70% in rapporto al peso. La stessa Model 3, quindi, potrebbe percorrere oltre 1.000 km con un pieno, oppure percorrere gli stessi chilometri di oggi con una batteria che pesa meno della metà, tutto a vantaggio di efficienza, comfort e guidabilità.
La batteria di trazione non è formata da sole celle collegate in serie e in parallelo come fossero le batterie “stilo” di un giocattolo, ma dentro di essa troviamo dei circuiti per il riscaldamento e raffreddamento dei componenti, numerosi sensori e controlli per garantire sicurezza ed efficienza.
Per la prima volta nel 2009 la Mercedes-Benz ha visto l’inserimento integrato delle batterie agli ioni di litio all’interno del circuito di climatizzazione dell’auto, con il vantaggio di far funzionare sempre la batteria a una temperatura ottimale (15-35 °C) e di aumentare così la durata e il rendimento di esercizio. Oggi quasi tutte le batterie di trazione dei veicoli BEV sono inoltre collegate al circuito di raffreddamento dell’abitacolo e del motore, la regolazione termica mediante circolazione di liquido permette una ricarica rapida, un’autonomia ottimizzata e una maggiore durata in termini di vita degli accumulatori. Sotto stress le condizioni termiche della batteria arrivavano a toccare i 300 gradi, cioè con un alto rischio di incendiarsi, pertanto è importante un ottimo circuito di raffreddamento e uno di controllo, per ridurre la potenza erogata, se i sensori termici stanno per eccedere i limiti stabiliti dal costruttore. Lo stesso vale per il riscaldamento della batteria nei mesi invernali.
Importante sono le prove effettuate nei forni ad alta temperatura, dove la batteria non deve deformarsi, senza mai rilasciare ossigeno, prima causa degli incendi per gli accumulatori tradizionali. Non ultima è importante la forma: un buon design consente di ridurre lo spazio occupato fino al 50%, attraverso una disposizione delle celle in un contenitore piatto e sottile, da integrare dentro il pianale a differenza della classica forma a scatola.
La vita media di un accumulatore agli ioni di litio è generalmente definita con il numero di cicli carica-scarica completi per raggiungere una determinata soglia di guasto, in termini di perdita di capacità o aumento di impedenza. Generalmente i produttori definiscono il numero massimo di cicli carica-scarica che possono portare la batteria all’80% della capacità nominale; inoltre l’accumulatore presenta un degrado progressivo anche se non viene utilizzato, quindi il produttore nel definire la vita media del prodotto valuta anche il periodo passivo di stoccaggio. Il degrado della batteria durante la conservazione è influenzato anche dalla temperatura e dallo stato di carica: la combinazione di carica completa (100% dello stato di carica) e una temperatura elevata (oltre 50 °C) può causare un forte calo della capacità e la produzione di gas. Anche la velocità di ricarica è un fattore che può portare al degrado della batteria, pertanto occorre ricaricare alle reti superfast solo se strettamente necessario.
Le batterie delle auto elettriche non vengono mai caricate o scaricate completamente, quindi definire la durata della batteria attraverso cicli di scarica completi può essere fuorviante. Per evitare questa confusione i ricercatori a volte usano la definizione di “scarica cumulativa”, definita come la quantità totale di carica (in Ah) erogata dalla batteria durante tutta la sua vita, o cicli equivalenti che rappresentano la somma dei cicli “parziali” come frazioni di un ciclo completo di carica-scarica.
Allo stesso modo la durata o utilizzabilità di una batteria dipende anche dalle condizioni ambientali: a temperature molto alte o estremamente basse, le batterie perdono autonomia, per questo esistono sistemi di raffreddamento o riscaldamento delle stesse. La durata delle batterie non è eterna: il decadimento delle batterie dipende da numerosi fattori, anche se si stanno progettando batterie che durano per molti anni. Inoltre, la garanzia delle batterie delle auto elettriche è di solito molto estesa, 7 o 10 anni almeno. La garanzia comprende la sostituzione, se la capacità della batteria è scesa al di sotto del rendimento minimo del 70-80%.
Un dato meno incoraggiante è invece quello dell’autoscarica: le batterie ricaricabili agli ioni di litio, così come altri tipi di batterie ricaricabili, si scaricano gradualmente anche se non forniscono corrente e restano inutilizzate, questo comportamento di “autoscarica” viene generalmente dichiarato dai produttori ed è tipicamente pari all’1,5–2% al mese, più circa il 3% assorbito dal circuito di sicurezza.
Quanto costa la sostituzione del pacco batterie delle auto elettriche? Ben sicuro non poco, ma dipende dai modelli di vetture, dalla capacità e degli elementi contenuti all’interno del pacco. Ad esempio, una batteria di una Smart EQ da 17 kWh ha un costo di circa 8.000 euro, quella di una Nissan Leaf da 40 kWh si tocca i 9.000 euro, Ma se andiamo su vetture premium come la Jaguar I Pace o la Mercedes EQC da 80 kWh parliamo di rispettivamente 30.000 e 40.000 euro, IVA inclusa.
Le citycar full electric sono è dotate di batterie di media capacità di circa 50 kWh, da 220-250 litri di volume e di 300-350 kg di peso, che permettono un’autonomia fino a 300-350 km secondo il nuovo protocollo di omologazione WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) e di 400-450 km in base al precedente NEDC (New European Driving Cycle).
Le modalità di carica sono flessibili e adatte alle diverse situazioni quotidiane. Sono possibili tre modalità di ricarica di una batteria:
• da una presa domestica classica o, per una ricarica completa in 16-20 ore, da una presa potenziata con il cavo di ricarica fornito in dotazione;
• da una wallbox (ecco la proposta di IrenGo): permette una ricarica completa in 5-7 ore nella versione trifase (11 kW) o in 7-9 ore in monofase (7,4 kW);
• da una colonnina di ricarica pubblica dedicata: la regolazione termica della batteria permette infatti di utilizzare dei caricatori da 100 kW e di raggiungere l’80% della ricarica in 30-40 minuti.
Alcune vetture potrebbero esser dotate di sistema wireless di ricarica delle batterie, recentemente sviluppato, per veicoli plug-in ibridi e i veicoli elettrici. Il sistema può ricaricare un veicolo parcheggiato su un induttore integrato nella superficie della piazzola di sosta, rendendo il processo di ricarica più semplice, conveniente e wireless: senza il collegamento fisico a nessun dispositivo. E’ questo il futuro della ricarica?
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