Negli ultimi due decenni, la tecnologia delle batterie agli ioni di litio si è conquistata una posizione di primo piano nel mercato automobilistico. Queste batterie consentono alle case automobilistiche di ridefinire il trasporto privato e commerciale riducendo o eliminando la necessità di combustibili fossili nei motori a combustione interna (ICE). Ma la tecnologia delle batteria dei veicoli elettrici (EV) continua a spingere oltre i limiti delle capacità delle batterie agli ioni di litio di garantire la massima alimentazione, longevità e sicurezza.
Esamineremo alcuni esempi di tecnologia delle batterie per veicoli elettrici attualmente disponibili sul mercato e analizzeremo le diverse dimensioni delle celle delle batterie integrate su vari sistemi EV.
Tipi di veicoli elettrici
Importanti produttori di veicoli elettrici come Tesla, Honda, BMW, Ford e Porsche creano auto elettriche diverse e innovative che utilizzano la tecnologia delle batterie agli ioni di litio. I veicoli elettrici alimentati completamente a batteria (BEV) si affidano esclusivamente all'alimentazione elettrica per il loro funzionamento, mentre i veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) e i veicoli elettrici completamente ibridi (FHEV) lavorano in combinazione con i motori a combustione interna (ICE) per generare e fornire alimentazione. Tutti questi tipi di veicoli richiedono batterie con livelli diversi di complessità e dimensioni differenti.
1. Veicoli elettrici alimentati completamente a batteria (BEV)
Tesla, attualmente il più grande produttore mondiale di veicoli elettrici, crea veicoli con sistemi di batterie fino a 110 kWh. Queste auto sono in grado di accumulare abbastanza corrente da alimentare una normale lampadina da 60 W per più di 76 giorni e far funzionare la Tesla Model S per 400 miglia (640 km). Il più recente gruppo batterie creato per le auto del marchio conterrà probabilmente diverse migliaia di celle agli ioni di litio 2170 prodotte proprio da Tesla.
Le celle agli ioni di litio 2170 di Tesla sono 10-15% più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle celle 18650 di Panasonic in dotazione sui modelli precedenti. La batteria da 100 kWh di Tesla, realizzata con celle 18650, contiene 8.256 celle (da 12 A h/cella), distribuite uniformemente su 16 moduli batteria. Questa cella è in grado di alimentare la Model S per oltre 300 miglia (480 km).
La nuova Porsche Taycan – la risposta di Porsche al veicolo elettrico ad alte prestazioni di Tesla, la Model S Performance – è dotata di una batteria da 93,4 kWh in grado di produrre 800 V, anziché i 400 V normalmente destinati alla maggior parte degli altri veicoli elettrici. La batteria della Taycan è composta da 33 moduli batteria da 12 celle ciascuno, per un totale di 396 celle agli ioni di litio in grado di accumulare ben 235,8 Wh per cella. Dato che la velocità di carica della batteria è limitata dalla corrente, la tensione più elevata prodotta da queste celle determina pesi inferiori per il sistema delle batterie e una ricarica più rapida. Tuttavia, questo sistema di batterie ad alta potenza presenta problematiche di progettazione peculiari e richiede una conversione della potenza e una protezione dalla corrente più avanzate per consentire il funzionamento dei sottosistemi di tutto il veicolo.
2. Veicoli elettrici ibridi plug-in e completamente ibridi
Il PHEV (veicolo elettrico ibrido plug-in) più popolare di Toyota, la Prius Prime, vanta un gruppo batterie da 8,8 kWh, che consente al veicolo di percorrere quasi 55 miglia per gallone (circa 23 km con un litro) in città. I conducenti possono caricare la batteria da 8,8 kWh a casa o in viaggio e, poiché la Prius Prime consuma più elettricità che benzina, è possibile risparmiare sui rifornimenti alla pompa. La Prius Prime è alimentata da cinque gruppi batteria, contenenti ciascuno 19 celle al litio (95 celle in tutto) che si combinano per generare una capacità totale di 8,8 kWh. In confronto, il modello Prius standard, il FHEV (veicolo elettrico completamente ibrido) più popolare al mondo, è dotato di una batteria molto più piccola, con solo due gruppi da 28 celle ciascuno (per un totale di 56 celle), che erogano una capacità complessiva di 0,745 kWh. In particolare, le densità di corrente del PHEV e del FHEV sono pari rispettivamente a 92,6 Wh/cella e 13,3 Wh/cella. Una batteria più grande e a maggiore densità di corrente è ideale per alimentare carichi di lavoro più elevati in tutto il veicolo. Per questo la Prius Prime si affida alla corrente elettrica molto più della Prius standard. Molti altri produttori offrono vari modelli con sistemi diversi di capacità della batteria e svariati metodi di utilizzo della batteria stessa.
Sistemi di gestione batteria nei veicoli elettrici: velocità, sicurezza e molto altro
Veicoli elettrici diversi richiedono capacità della batteria differenti, ma le batterie dei veicoli elettrici differiscono per molte altre caratteristiche, oltre alla capacità. Nella progettazione dei sistemi di batterie EV, gli ingegneri considerano anche molti altri fattori quali la velocità di carica, la capacità del ciclo di carica, il degrado, le caratteristiche chimiche e, naturalmente, la sicurezza. Le soglie di alimentazione e densità di corrente sono state raggiunte nella maggior parte delle applicazioni EV, ma i produttori di veicoli modificano costantemente le dimensioni di moduli e celle per ottimizzare i livelli delle prestazioni.
Indipendentemente dalle dimensioni delle celle e dei moduli delle batterie agli ioni di litio, i sistemi di batterie ad alta tensione che alimentano i veicoli elettrici hanno bisogno di sistemi di gestione delle batterie (BMS) progettati meticolosamente per garantire la massima alimentazione e sicurezza. I produttori di tecnologia BMS e di componenti chiave come Silicon Labs e Pulse Electronics sono fondamentali per far progredire la tecnologia delle batterie dei veicoli elettrici e la produzione di celle e moduli agli ioni di litio per il settore EV.