Perché è meglio preferire una batteria più grande sull’auto elettrica

Non solo per l'autonomia ma anche per una maggior durata della batteria stessa e non solo. Ecco alcune nostre considerazioni

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Sembra tutto ovvio e facile quando si valuta la batteria di un’auto elettrica: più grossa è, meglio è. Insomma, “tanta roba”. E la ragione? Il 99% delle persone risponderà: “perché l’autonomia è maggiore”. Cosa senza dubbio vera, ma non è l’unica ragione, anzi, forse non è nemmeno la più importante: con lo sviluppo della rete di punti di ricarica ad alta velocità (aggiuntivi rispetto ai Supercharger, naturalmente), gli spostamenti a lungo raggio non sono un problema come i detrattori delle auto elettriche vorrebbero dipingerlo.

E allora quali altri motivi ci sono per preferire un battery pack di grande capacità?

Degrado inferiore a parità di chilometraggio

Il degrado è inferiore perchè a parità di chilometraggio percorso dal veicolo nel corso della sua “carriera”, un battery pack di maggiore capacità richiede un minor numero di cicli di ricarica completi rispetto a uno di minore capacità.

Supponiamo che la tecnologia, il formato e la formulazione elettrochimica delle celle al litio usate siano uguali per due diversi tagli di capacità del battery pack (di modo che la differenza di capacità del battery pack sia data da quante celle ci sono nel battery pack, e non dal tipo delle celle usate), e che preveda per ogni cella una vita tipica, minima garantita, di 1000 cicli di ricarica.

Supponiamo che il battery pack “piccolo” sia da 50 kWh e assicuri un’autonomia di 450 km, e che quello “grosso” sia da 75 kWh e ne assicuri una di 615 km. Allora per percorrere 300mila km, con il battery pack “piccolo” occorreranno circa 660 ricariche complete (o un maggior numero di ricariche parziali). Con il battery pack “grande” basteranno invece 487 cicli di ricarica completi.

È quindi ovvio che a parità di chilometraggio percorso, e di prassi di ricarica adottata, con il battery pack “grande” avrò un degrado inferiore.

Maggior chilometraggio raggiungibile nella vita dell’auto

Proseguendo con l’esempio ipotetico di prima, se entrambi i battery pack garantiscono di sopportare 1.000 cicli di carica-scarica completi, allora con il battery pack di maggiore capacità percorrerò evidentemente più strada: 450mila km con quello “piccolo” e 615mila km con quello “grande”.

Lunga vita alle celle!

Lunga vita, perchè a parità di potenza (a parità di prodotto corrente x tensione) erogata verso il motore, per una batteria più grande le singole celle sono sottoposte a uno stress minore, dato che essendocene un maggior numero rispetto a quelle contenute in un battery pack di capacità complessiva inferiore, la corrente che ogni cella deve erogare (e conseguentemente il suo riscaldamento, il rischio di formazione di dendriti sugli elettrodi, ecc.) è una frazione più piccola della corrente totale.

Maggior potenza di ricarica sopportabile a parità di stress imposto alle celle

Ogni cella di cui il battery pack è composto accetta una certa potenza di ricarica. La potenza di ricarica complessivamente sopportabile dal battery pack è data banalmente dal prodotto del numero di celle per la potenza di ricarica accettata da una singola cella. Poichè il battery pack di grandi dimensioni ha un maggior numero di celle rispetto a quello di minori dimensioni, sarà in grado di accettare – a parità di stress termico ed elettrico sulle celle – una maggiore potenza di ricarica. Nel caso delle Tesla Model 3, per esempio, la SR+ accetta al massimo una potenza di ricarica di 170 kW, mentre la Long Range può assorbire anche 250 kW. Valori che guarda caso rispecchiano in modo quasi esattamente proporzionale il rapporto di dimensioni dei battery pack dei due modelli.

Garanzia sul battery pack di maggiore chilometraggio

Viste le considerazioni qui sopra, non stupirà come la garanzia offerta da un produttore possa essere differenziata in base alla capacità della batteria. Prendiamo l’esempio di Tesla, che è probabilmente l’unica Casa a offrire garanzie differenziate per la batteria dei suoi modelli:

Fonte: https://www.tesla.com/it_IT/support/vehicle-warranty

Come mai la Model 3 Standard Range offre una garanzia più limitata, come chilometraggio, rispetto alle versioni Long Range e Performance? È forse una politica di marketing per premiare il cliente dei modelli di prezzo superiore? Naturalmente no: è semplicemente la conseguenza del fatto che la capacità del battery pack della Model 3 SR (circa 50 kWh utilizzabili) è inferiore rispetto a quella delle altre versioni (circa 75-79 kWh utilizzabili a seconda dell’anno di produzione). E un battery pack più piccolo, come abbiamo discusso e come vedremo anche qui sotto, a parità di chilometraggio e di stile di guida e di prassi di ricarica, è proporzionalmente più sollecitato di un battery pack grande, sia in ricarica, sia in accelerazione, sia in rigenerazione, e va inoltre ricaricato un maggior numero di volte. Non stupisce quindi che offra una garanzia con un minore chilometraggio (mentre la durata in anni è scorrelata dalla capacità e infatti è in entrambi i casi di 8 anni).

Va detto, per completezza, che le Model 3 sono prodotte in due diversi stabilimenti, con tecnologie di cella diverse fornite da fornitori diversi, ma che questo non ha cambiato i termini di garanzia sopra riportati, che non sono mai cambiati da quando abbiamo iniziasto a monitorarli.

Non stupirà a questo punto vedere che le Model S e X, con la loro batteria da ben 100 kWh, offrano una garanzia ancora più estesa: ancora una volta, non si tratta di marketing o di un favoritismo per attirare i clienti più facoltosi, ma della semplice realtà. (Inoltre rispetto alle Model 3 è diverso il tipo di cella elementare utilizzata)

Fonte: https://www.tesla.com/it_IT/support/vehicle-warranty

Nell’ultima ricognizione da noi svolta sulle condizioni di garanzia dei vari car maker sui battery pack delle auto elettriche oggi disponibili, risulta che Tesla è l’unica ad astenersi da politiche di garanzia “artificialmente uniformi” nel caso in cui uno stesso modello sia disponibile con due diversi tagli di batteria. Chi appiattisce o nasconde le differenze, lui sì che a nostro giudizio sta facendo marketing.

Maggior capacità di sfruttare appieno gli impianti di ricarica ultrafast.

E’ inutile che vengano installati impianti ultrafast capaci di 250 kW o 350 kW se poi le auto elettriche hanno batterie piccole che non possono accettare potenze molto superiori a 100 kW, nemmeno nella fase iniziale di ricarica.

Solo un’auto elettrica con un battery pack di grande capacità può, a parità di tecnologia di cella, sopportare potenze di ricarica maggiori, e ha quindi maggiori probabilità di poter accettare, almeno nella prima fase del processo di ricarica, quando lo stato di carica è ancora sotto il 20-30%, le elevate potenze che gli impianti superfast possono erogare.

Il modello di infrastrutturazione con colonnine ultrafast resterà elitario finchè le auto elettriche di massa non avranno tutte un battery pack in grado di accettare 200-300 kW in ricarica (almeno all’inizio del processo di ricarica), e con la tecnologia di cella attuale, questo è possibile solo per vetture con battery pack di grandi capacità.

Già che ci siamo, sfatiamo una buona volta il messaggio che una maggior velocità di ricarica si possa ottenere semplicemente adottando una architettura del battery pack a 800 Volt anzichè a 400 Volt. Il vantaggio degli 800V sta nella riduzione degli amperaggi, e conseguentemente nella riduzione della sezione dei cavi e delle dissipazioni per effetto Joule. Sicuramente è un bene non sprecare elettricità in calore lungo i cablaggi, ed è un bene ridurre il consumo di rame sia nelle auto sia nel cavo fra colonnina e auto, ma quello che conta per inquadrare la massima potenza di ricarica accettabile da una batteria è solo il numero di celle presenti e la potenza che ogni singola cella può accettare. Dopodichè, usando elementi al Litio la cui tensione sta nell’intorno di 3,7 Volt a seconda dello stato di ricarica, a seconda di come collego le celle in un modulo e i moduli fra loro, posso concettualmente costruire un battery pack, ad esempio, da 75 kWh (circa 4400 celle di tipo 21700) in modo tale che abbia qualunque tensione complessiva io desideri nell’intervallo compreso fra 3,7V (se ipoteticamente collego tutte le 4400 celle in parallelo) e 16280 Volt (se ipoteticamente collego tutte le 4400 celle in serie). Ovviamente questi due estremi non hanno senso per vari inconvenienti facilmente immaginabili, per cui tutte le architetture reali di battery pack si collocano nel mezzo, con schemi misti serie-parallelo, solitamente organizzati in moduli, portando a una tensione di battery pack che nel caso di gran lunga più comune è di 400 V e in certi casi (Taycan, e-Tron GT, Ioniq 5, Kia EV6), a 800 V. A patto che esista una colonnina adatta ai requisiti tensione/corrente del battery pack così architettato, tutti questi battery pack avranno la stessa velocità di ricarica, che è la velocità di ricarica di una singola cella. E naturalmente avranno tutti la stessa potenza di ricarica sopportabile, che sarà 4400 volte la potenza di ricarica sopportabile da una singola cella. Non si può convincere una singola cella a ricaricarsi più in fretta solo perchè la si è collegata alle sue “sorelline” in un modo diverso! La narrazione secondo cui “il battery pack a 800 V dimezza i tempi di ricarica” è viziata concettualmente. Certo che se le sole colonnine ultrafast installate sul territorio vengono progettate con architettura a 800 V, allora questo diventa il vincolo, ma è un vincolo del tutto esterno al battery pack e non intrinseco del battery pack. Gli stessi tempi di ricarica ottenibili con 800 V e un certo amperaggio sono ottenibili a tensione dimezzata (400V) e amperaggio raddoppiato. Il vantaggio dell’architettura 800 V è principalmente che i cavi possono restare relativamente sottili.

Minor stress imposto alle celle a parità di potenza di ricarica

Se carico a 100 kW un battery pack composto da, diciamo, 4400 celle, ogni cella sarà chiamata ad assorbire una potenza di ricarica di circa 22,7 W. Se ricarico alla stessa colonnina un battery pack composto da 3.000 celle, allora ogni cella dovrà reggere una potenza di ricarica non di 22,7 W, ma di 33.3 W: una potenza maggiore del 46%. Questo comporta una maggior sollecitazione termica ed elettrochimica di ogni singola cella del battery pack “piccolo”, che evidentemente si deteriorerà più rapidamente di quello “grande”, se vengono caricati entrambi alla stessa potenza.

Si potrebbe dire: allora per proteggere il battery pack piccolo lo caricherò a minor potenza. Ma qui si cade in contraddizione, in quanto in uno stesso viaggio di lunga distanza, proprio perchè il battery pack è piccolo devo fermarmi a ricaricarlo un maggior numero di volte. Quindi devo fare un maggior numero di soste; e quindi sarebbe desiderabile, almeno, poter caricare in fretta durante tali soste! Se invece a queste soste, già più numerose, oltretutto decido di limitare la potenza di ricarica perchè devo salvaguardare la longevità del battery pack, il risultato sarà che il tempo di viaggio totale aumenterà, perchè passerò complessivamente più tempo in ricarica.

Potrò essere tentato di caricare il battery pack piccolo usando un impianto fast con la stessa potenza che userei con un battery pack grande; in questo caso (ammesso che il sistema di ricarica della vettura lo consenta) il risultato sarà che il tempo di viaggio totale sarà all’incirca uguale, ma la vita utile del battery pack si sarà accorciata.

In ricarica, maggior tasso di recupero di autonomia

Abbiamo già osservato che a parità di tipo e tecnologia di celle elementari usate nel battery pack (e quindi, a parità di potenza di ricarica sopportabile dalla singola cella), la potenza di ricarica sopportabile dal battery pack nel suo complesso è direttamente proporzionale al numero di celle che esso contiene, e quindi alla capacità del battery pack. E la potenza di ricarica, in kW, è una misura di quanti kWh al minuto possono essere immagazzinati nella batteria. A sua volta, per un dato modello di auto elettrica, ogni kWh rappresenta un certo numero medio di km che possono essere percorsi. Ne segue che un battery pack di maggiori dimensioni è per sua natura strutturalmente in grado di recuperare km più velocemente durante la sosta di ricarica, rispetto a un battery pack più piccolo che adotti lo stesso tipo di celle.

I viaggi sono complessivamente più veloci

Con un battery pack di maggiore capacità, caricato al 100% prima di iniziare un viaggio, le soste di ricarica durante un viaggio, oltre a essere meno numerose (in quanto rispetto a un’auto uguale ma con battery pack più piccolo, la prima sosta di ricarica del viaggio potrà avvenire più tardi, e le successive soste di ricarica nello stesso viaggio saranno più distanziate fra loro), sono anche complessivamente più brevi in quanto come abbiamo visto il tasso di recupero chilometrico è più favorevole grazie alla maggiore potenza di ricarica supportata (a condizione, naturalmente, che lungo l’itinerario ci siano impianti fast di adeguata potenza e posti a distanze regolari, una condizione che oggi risulta soddisfatta solo per le Tesla grazie alla rete Supercharger).

La frenata rigenerativa può avere una maggiore intensità, aumentando l’efficienza e abbassando i consumi

Un battery pack più grande è in grado di sopportare una potenza di ricarica maggiore di un battery pack di capacità minore (che sia basato sulla stessa tecnologia di cella). Per la stessa ragione, il battery pack “grande” può sopportare anche una maggiore potenza di frenata rigenerativa. Di conseguenza, in un maggior numero di situazioni di guida non sarà necessario far intervenire i freni dissipativi per integrare la decelerazione rigenerativa, perchè sarà sufficiente alzare il piede dall’acceleratore per ottenere già la decelerazione che serve (one pedal driving). Questo significa che, coerentemente, si riduce il numero di situazioni di guida nelle quali si è costretti a sprecare energia frenando in modo classico. In conclusione, nel complesso delle situazioni di guida si avrà un maggiore recupero energetico, il che farà ridurre il consumo chilometrico medio e aumenterà l’autonomia (oltre al fatto di essere già di per sè maggiore solo per il fatto che il batttery pack ha una capacità maggiore rispetto al modello “piccolo”).

L’effetto della maggior potenza rigenerativa sopportabile si sente soprattutto alle alte velocità, alle quali la potenza meccanica disponibile per il recupero (..o per la dissipazione, se la quota recuperabile dal powertrain è inferiore al 100%) è maggiore. Abbiamo discusso approfonditamente il tema in un apposito articolo.

La frenata rigenerativa può agire in una maggior quantità di situazioni grazie alla minor sensibilità allo stato di carica della batteria

Quando la batteria di un’auto elettrica è completamente carica o vicina al 100% di carica, non soltanto è scarsa la sua capacità libera per accogliere energia proveniente dalla frenata rigenerativa, ma è anche minore la potenza di ricarica che può accettare.

Quindi, in tali condizioni di carica, la frenata rigenerativa sarà necessariamente meno intensa (minore potenza frenante) e meno prolungata/profonda (minore energia recuperata, come minor integrale della potenza frenante rispetto al tempo).

Di conseguenza, se le condizioni del traffico richiedono ugualmente una frenata intensa e prolungata/profonda, che la frenata rigenerativa in quelle condizioni di carica della batteria non potrà da sola assicurare, la frenata dovrà essere integrata dall’uso dei classici freni dissipativi, perdendo occasione di recupero, sprecando energia e in ultima analisi alzando i consumi.

Questo come concetto generale, qualunque sia la tecnologia di cella e la capacità del battery pack.

Tuttavia, se una certa frenata rigenerativa impegnativa (ad es. 130-0 km/h) richiede che la batteria possa sopportare, diciamo, 100 kW di potenza e abbia spazio per accogliere i circa 200 Wh di energia necessari, è chiaro che un battery pack di maggiori dimensioni sarà in grado di gestirla anche con uno stato di carica percentuale elevato, e più vicino al 100%, rispetto allo stato di carica che servirebbe invece avere con un battery pack più piccolo per poter gestire (sia come potenza, sia come energia) la medesima frenata.

Per quanto riguarda l’energia che è possibile accogliere, una batteria da 75 kWh quando si trova al 99% di SoC ha 750 Wh di capacità disponibile, mentre una da 50 kWh ha solo 500 Wh liberi. Per avere anch’essa 750 Wh liberi e disponibili per accogliere la rigenerazione, una batteria da 50 kWh dovrebbe trovarsi non al 99% ma al 98,5%.

Per quanto riguarda la potenza, tutti sappiamo (vedere ad esempio qui oppure qui) che le curve di ricarica delle batterie partono da valori di potenza assorbibile elevata quando lo SoC della batteria è vicino allo 0%, poi progressivamente calano all’avvicinarsi del 100%. In altre parole, più si è vicini al 100% di SoC, minore è la potenza di ricarica sopportabile dalla batteria. Ora, una frenata rigenerativa è anch’essa una forma di ricarica della batteria. La differenza è l’origine dell’energia: non fornita dalla rete elettrica attraverso la colonnina, ma fornita dall’energia meccanica del veicolo attraverso il motore, funzionante come generatore. Quanto più vicini siamo al 100% di SoC, tanto inferiore sarà la quota di potenza frenante che potrà essere indirizzata alla batteria e quindi rappresentare rigenerazione. Siccome sappiamo, come sopra discusso, che a parità di ogni altro fattore, fra due battery pack basati sullo stesso tipo di celle e che si trovano allo stesso SoC %, la potenza di ricarica accettabile è direttamente proporzionale al numero di celle e quindi alla capacità del battery pack, ne segue che un battery pack di capacità 75 kWh, rispetto a uno da 50 kWh basato sullo stesso tipo di celle, potrà o sopportare frenate rigenerative più intense a parità di SoC %, o, vista in un altro modo, potrà sopportare la stessa frenata rigenerativa anche trovandosi a un SoC più vicino al 100%.

In conclusione, il campo di utilizzazione percentuale (% di SoC) della batteria, a parità di intensità e profondità/potenza delle frenate rigenerative, è più ampio (in particolare il suo estremo destro è più vicino al 100% di SoC) se la capacità del battery pack è maggiore.

Le prestazioni possono essere maggiori

Per prestazioni maggiori occorre installare un motore più potente, oppure (come è sempre più comune fare, seguendo l’esempio di Tesla con i suoi modelli Dual Motor) installare non uno ma due motori, uno all’avantreno e uno al retrotreno, le cui potenze si sommano. Ma naturalmente la potenza elettrica per questi motori deve essere fornita in ultima analisi dalla batteria.

Ora, è arcinoto che alla salute delle batterie al litio (specie a quelle, oggi in uso, a elettrolita liquido) non fa bene, in generale, una carica “troppo” rapida: in funzione sia della sua potenza, sia della frequenza con cui la batteria vi è sottoposta, si può verificare un surriscaldamento con conseguente formazione di gas in pressione potenzialmente esplosivi, e possono formarsi dendriti sugli elettrodi, che possono portare a fenomeni di cortocircuito nella cella interessata, con conseguente danneggiamento del battery pack oppure (se l’elettronica di controllo e il progetto modulare del battery pack lo consentono) con esclusione definitiva dell’elemento danneggiato e conseguente riduzione della capacità del battery pack.

Ma alla batteria non fa bene nemmeno una scarica troppo rapida (e troppo frequentemente ripetuta nel tempo, o entrambe le cose insieme). E quando acceleriamo a fondo, stiamo esattamente sottoponendo per qualche secondo la batteria a una scarica molto intensa. In genere, molto più intensa della potenza di ricarica a cui normalmente la sottoponiamo quando la colleghiamo a una colonnina anche fast.

Di conseguenza, per preservare la salute e la longevità della batteria, i progettisti del powertrain elettrico non possono esimersi dal dimensionare i motori in modo tale che anche quando nelle accelerazioni vengono fatti lavorare a piena potenza, la loro fame di corrente non superi determinati livelli erogabili dalla batteria senza che questa si danneggi.

Se si vuole un’auto elettrica ad alte o altissime prestazioni, quindi, è inevitabile dotarla di una batteria di grande capacità, anche se questo può sembrare un controsenso dato che comporta un maggior peso, che di certo non favorisce le prestazioni (sarebbe preferibile un’auto leggera, naturalmente). Il problema è che a parità di tecnologia di cella, non solo la capacità, ma anche la massima potenza istantanea erogabile verso il motore (come pure quella sopportabile in ricarica) sono proporzionali alla dimensione del battery pack. Nelle auto a combustione interna si può scegliere di avere un motore molto potente e un serbatoio piccolo, appena sufficiente per completare la gara, o per arrivare al primo pit stop gomme. Con le auto elettriche invece no: non si può avere più potenza senza avere anche più capacità (e, purtroppo, anche più peso), a meno di non cambiare tecnologia di cella, scegliendo una formulazione più votata alla densità di potenza che alla densità di energia, oppure (per fare un esempio estremo) passare da celle elettrochimiche al Litio a supercondensatori. Questi ultimi infatti sono specialisti assoluti in densità di potenza, ma offrono una densità energetica ancora assai scarsa.

In futuro sarà ovvio abbinare supercondensatori a batterie, ottenendo sistemi di accumulo ibridi che coniugano i pregi di entrambi: capacità di cariche violente (rigenerazione molto intensa) o scariche violente (accelerazione, drag race..) senza danneggiare la batteria perché gestite dal supercondensatore, e contemporaneamente alta capacità e alta autonomia assicurate dalla batteria, la cui longevità migliora grazie alla “schermatura anti-shock” rappresentata dal supercondensatore, e la formulazione elettrochimica potrà concentrarsi maggiormente sull’aumento della densità di energia, a discapito della densità di potenza.


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1 COMMENTO

  1. Tutti motivi tecnici ovviamente assolutamente condivisibili, ma manca un’altra motivazione DEL MONDO REALE che secondo me è la più importante della mia esperienza di auto ricaricabili (5 modelli in 7 anni): caricando MENO VOLTE alle colonnine pubbliche si rischia di meno di trovarle occupate, abusate o spessissimo (per chi come me ha vissuto quasi esclusivamente con enelx fu eneldrive) non funzionanti.
    Se vedi caricare ogni 12kWh (od addirittura ogni 4.5kWh, ma era plugin…) devi farlo ogni giorno a volte due volte al giorno e la possibilità di trovare una colonnina rotta è alta (o come detto abusata, o anche legittimamente occupata).

    Ridurre le volte che devi farlo è un gran vantaggio, anche se fai solo 30 km al giorno.

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