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    La macchina elettrica non parte? Tutta colpa della batteria!

    L’auto elettrica è un concentrato di tecnologia che deve la sua efficienza a centinaia di parametri meccanici, termici ed elettrici. Come su tutti i veicoli ICE (Internal Combustion Engine), sono sempre presenti le sospensioni, il servosterzo, l’impianto frenante ma al posto del motore a scoppio e del circuito di scarico troviamo il powertrain elettrico, composto da: un’unità di ricarica, un inverter, una batteria agli ioni di litio e un propulsore. Sebbene si tratta di meno parti mobili se paragonanti ad un veicolo con motore a combustione, sono altrettanto complesse quando si entra nei dettagli tecnici.

    Il cuore di ogni auto elettrica: il pacco batteria

    Quando si parla di auto elettriche, la principale preoccupazione che spesso viene menzionata nei commenti è legata all’affidabilità del pacco batteria. Sono in molti a ritenere che l’acquisto di una vettura alla spina, sia nuova che usata, potrebbe rilevarsi una scommessa rischiosa, in particolare modo a causa del degrado delle celle. Il futuro acquirente teme che il pacco batteria da 400 o 800 volt si possa degradare rapidamente ed erroneamente fa un paragone con la piccola batteria Li-Ion presente nel suo smartphone, la quale perde facilmente la carica dopo un breve periodo di tempo.

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    Il pianale è formato dal pacco batteria power pack con moduli contenenti celle a sacchetto | elettronauti It

    I moduli che compongono il pacco batteria sono tecnologie e chimiche complesse, con sistemi di gestione che regolano attentamente certi fattori come la limitazione durante la carica, garantiscono che il sistema funzioni sempre a una temperatura sicura e ottimale.

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    Componenti principali del pacco batteria | elettronauti It

    Contiene da poche decine a diverse migliaia di celle che a loro volta sono composte da più elementi come: gli elettrodi, il separatore, l’elettrolita, i collegamenti elettrici, i contenitori, svariati moduli e schede elettroniche di controllo. A volte è anche presente un circuito di raffreddamento (ad aria o mediante un liquido specifico), che permette di migliorare il bilanciamento delle celle, gestendo al meglio le condizioni di temperatura e pressione interna al pacco batteria. Anche il carter di protezione deve essere progettato a tenuta stagna e resistere a qualsiasi tipo di impatto.

    La batteria ausiliaria: l’elemento vitale

    La tua auto elettrica o ibrida plug-in è azionata da una sofisticata batteria agli ioni di litio, ma da qualche parte troverai anche una batteria al piombo da 12 volt! Purtroppo, molte volte ci si dimentica di menzionare l’unità secondaria che funge da seconda fonte di alimentazione, garantisce il funzionamento ininterrotto di tutte le funzioni ausiliarie dell’auto che lavorano in bassa tensione come: l’aria condizionata, l’impianto di infotainment, le serrature elettriche, i tergicristalli, i fari e l’illuminazione esterna ed interna, tutte le centraline ECU (moduli con processore), i sedili riscaldanti, i specchietti laterali, il portello di ricarica, il servosterzo, le ventole, le valvole e pompe del circuito del refrigerante, gli airbag, il servofreno e i pretensionatori delle cinture di sicurezza, i sistemi del pilota automatico, le porte USB, il clacson, l’HomeLink Tesla, le sospensioni pneumatiche… chi più ha più ne metta. 

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    Se la batteria ausiliaria è scarica usare un booster piuttosto dei classici cavi onde evitare che picchi di tensione possano creare danni da sovratensioni | elettronauti It

    Il veicolo elettrico è controllato da un sistema informatico e quando si accende per la prima volta, entra in un processo di avvio proprio come un laptop e durante questo periodo, tutta l’elettronica è alimentata dalla batteria ausiliaria a 12V. Tutte le centraline del veicolo sono alimentate dalla bassa tensione, così come i relè di potenza che separano l’alimentazione dal pacco batterie ad alta tensione dal resto della rete ad alta tensione presente a bordo del veicolo.

    Come si comporta una batteria da 12V su una full elettrica?

    La batteria da 12 volt di un’auto elettrica si ricarica continuamente, non viene ricaricata da un alternatore come un’auto termica che funziona solo a motore acceso e si ricarica mediante un convertitore DC/DC (da corrente continua a corrente continua). La batteria a 12V viene caricata nello stesso momento in cui si carica la batteria di alta tensione ma sempre alla medesima tensione. La tensione di ricarica per le batterie si attesta tra i 14.16V per le batterie EFB (Enhanced Flooded Battery) e 14.46V per le AGM (Absorbed Glass Mat Heavy Duty), e la cosa interessante è che il convertitore DC/DC rimane in funzione in modo permanente. Se vi ponete la domanda sul perché abbiamo bisogno di questa batteria da 12 volt la risposta è semplicemente perché nel momento in cui il veicolo utilizza questa corrente in bassa tensione per alimentare tutti gli utilizzatori, ci sono delle fluttuazioni che il convertitore DC/DC non può necessariamente stabilizzare e quindi la batteria da 12 volt funge da batteria tampone.

    Una tecnologia vetusta che genera solo problemi

    La batteria di trazione fa l’oggetto di tutte le attenzioni da parte dei costruttori, e viene installata sulla macchina solo dopo una serie di test che vengono effettuati in laboratori qualificati che ne confermano l’affidabilità.

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    Ecco cosa succede quando la batteria da 12 v è scarica | elettronauti It

    Ciò nonostante, come se fosse una palla al piede, le auto alla spina si portano dietro anche la classica batteria al piombo-acido da 12 volt, la stessa che viene montata sulle auto a motore a scoppio per consentire l’avviamento erogando centinaia di ampere per pochi istanti. Si tratta di una composizione chimica superata che non tiene una tensione costante, perde rapidamente potenza, può subire la solfatazione, non è immune ai corto circuiti e inoltre, alzando il carico a cui viene sottoposta, si riduce la sua capacità effettiva, il sovraccarico può causare una deformazione delle piastre rendendo difficili o impossibili future cariche e ciliegina sulla torta, la batteria subisce i cicli di carica e scarica che nelle auto elettriche sono più frequenti.

    Realizzato appositamente per le auto elettriche

    Se per Sandy Munro, il super-tecnico americano, il fatto che una piattaforma BEV disponga di un frunk è indice di una progettazione sensata e cioè nata esclusivamente per il mondo delle auto elettriche. Anche la batteria ausiliaria ha bisogno di evolvere e di fare uno step per dissociarsi dall’auto termica e non riproporre le medesime problematiche.

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    Sandy munro esamina il frunk e fornisce alcune prospettive preliminari | elettronauti It

    Purtroppo molti costruttori poco seri, invece di proporre funzionalità adeguate, ci offrono dispositivi alquanto incoerenti come per esempio il suono replicato di un motore tradizionale a cilindri. Sicuramente un tale dispositivo è scaturito dal pensiero di un reparto marketing che non sa minimamente che cos’è il piacere di guida. Ma bando alle ciance e soffermiamoci al titolo dell’articolo, con l’avvento dell’informatizzazione, la classica batteria ausiliaria al piombo a scarica lenta, soffre di più delle condizioni di utilizzo del veicolo e non è più durevole di quella che viene montata sulle auto termiche moderne. Ecco spiegate le ragioni che ci portano a ritenerla la causa numero uno dei guasti che si possono presentare durante tutto il ciclo di vita dell’auto.

    Soluzioni e innovazioni utili

    In modo preventivo il gruppo Hyundai e KIA, ha considerato l’avviamento di emergenza di un’auto ibrida e ha deciso di collegare i suoi sistemi a bassa tensione alla batteria agli ioni di litio, consentendo in questo modo di avviare i veicoli quando si preme il pulsante: “12V Batt Reset”.

    Hybrid – Emergency Charge Button | Elettronauti.it

    Questa brillante iniziativa è particolarmente utile nel caso degli ibridi plug-in, che spesso conservano il maggior numero possibile di punti in comune con i loro tradizionali cugini a combustione interna.

    Dal 2022, Tesla ha deciso di montare sui suoi modelli (S, 3, X, Y), un piccolo accumulatore Li-Ion composto da celle prismatiche, tensione operativa 15.5V15.8V, capacità 6.9 Ah, peso 12.2 kg. Viene fornito da CATL ed è progettato per supportare un’ampia gamma di temperature, l’elettronica di ricarica permette di monitorare lo stato della batteria. Tesla ha incluso un hardware aggiuntivo nella batteria per aiutare a rilevare quando la batteria sta per esaurirsi. Se la batteria arriva entro 3-4 settimane dalla fine, Tesla ti avverte con un messaggio chiaro che la batteria da 12 V deve essere sostituita

    Il professor John D. Kelly del Dipartimento di tecnologia automobilistica alla WSU (Weber State University) ci mostra la batteria agli ioni di litio da 16 Volt | Elettronauti.it

    Comfort zone: “Abbiamo sempre fatto così

    Sembra che quando si tratta di costruire un’auto, l’esperienza sia importante, e per più di un secolo le auto a benzina sono state perfezionate senza mai ottenere dei risultati ottimali, infatti pochi sono i motori che riescono a superare i 300.000 km senza parlare dei problemi legati all’elettronica di bordo. Dunque, ci si può chiedere perché continuare a mantenere nel circuito di bassa tensione delle auto elettriche, una ormai superata chimica al piombo-acido che per peso e dimensione è 3 volte superiore ad una versione agli ioni di litio, con una durata di vita e profondità di scarica molto breve che espone a guasti più che prevedibili? La risposta è molto semplice: generare introiti (rendita passiva), sia per il marchio che per il fornitore di pezzi di ricambio. Il che illustra in modo tangibile la differenza di filosofia e tecnologia tra Tesla e i produttori tradizionali.

    Il futuro della bassa tensione

    La potenza elettrica richiesta dalle automobili moderne è in costante aumento fino al punto da raggiungere i limiti di questa architettura. Questo limite era già stato raggiunto con la tecnologia precedente, negli anni ’60 con la generalizzazione dei motori ad alte prestazioni, i motorini di avviamento sempre di più grandi ed energivori, non avevano la potenza sufficiente e il mondo automobilistico è stato costretto a passare da 6 volt a 12 volt. Ai giorni nostri, nuovi modi di progettare lo sterzo o la frenata senza collegamento meccanico, impongono un drastico aumento della potenza disponibile in bassa tensione e chi dice potenza dice intensità e surriscaldamento dei cavi, provocando cortocircuiti che possono in certi casi portare a conseguenze disastrose.

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    48 v è il futuro della bassa tensione e tesla ha chiesto che altre case automobilistiche si uniscano a loro per effettuare il passaggio | elettronauti It

    I team di Elon Musk hanno fatto un importante annuncio sull’argomento durante la conferenza dell’Investor Day del 1° marzo 2023, i futuri modelli Tesla passeranno ben presto a 48 Volt e la batteria da 12 volt sarà dunque sostituita. L’utilizzo di una tensione più elevata è sinonimo di più potenza ma per una intensità uguale e permette di ridurre le dimensioni dei cavi riducendo il riscaldamento ma anche la perdita di energia.

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    Per un certo periodo conviveranno i sistemi a basa tensione da 12 v e 48 v mediante un inverter | elettronauti It

    L’industria automobilistica passerà gradualmente al nuovo standard a 48 V dal momento che la direzione è inevitabile ma è impensabile passare a breve termine a causa del volume di prodotti a 12 V che vengono tuttora utilizzati nei veicoli. Pertanto la soluzione a breve termine è quella di far convivere i sistemi a 12 e 48 volt mediante un inverter DC/DC.

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    La macchina elettrica non parte Tutta colpa della batteria | elettronauti It

    La nuova architettura avrà enormi vantaggi, i costi di progettazione e produzione saranno più contenuti dal momento che meno cavi significa meno connessioni durante l’assemblaggio nella produzione in serie. La diminuzione del peso, la possibilità di far passare più potenza nello stesso cavo che probabilmente non sarà più composto da fili ma si farà largo uso di circuiti stampati semirigidi (flessibili). L’auto sarà più semplice, più leggera, più economica da produrre e più affidabile.

    Riflessione personale

    Spesso i cari detrattori delle auto alla spina, puntano il dito sul pacco batteria per qualsiasi problematica. In molti casi essa non è la fonte ma eventualmente una conseguenza di un problema a monte legata ad una architettura elettrica che deve essere completamente rivista. Concludo questo articolo con una frase che disse Renzo Arbore in un famoso spot televisivo degli anni ’80 per una marca di birra: “meditate Gente, meditate“.


    Usare tecnologie legate alle piattaforme ICE per realizzare delle BEV mantenendo gli errori del passato non è indice di efficienza e voi che ne pensate?

    Fonte

     


    Alan Murarotto
    Alan Murarotto
    tecnico meccatronico, formatore automotive, professionista della mobilità. Aiuto i lettori a districarsi nel labirinto delle dinamiche che governano la transizione energetica, dalla burocrazia agli aspetti legati alla guida di veicoli elettrici e non solo, con accenni tecnici per una visione a 360°.

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