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Autonomia e velocità di ricarica: i segreti della messa a punto delle batterie

20.6.2022
Autonomia e velocità di ricarica: i segreti della messa a punto delle batterie

Autonomia e velocità di ricarica sono due caratteristiche fondamentali per le batterie di ogni auto elettrica. Ma più è elevata la densità energetica, più i tempi per ‘fare il pieno’ si allungano: come si raggiunge l’equilibrio?

Ogni veicolo elettrico deve dare il meglio di sé nell'uso quotidiano, e in questo senso una grande attenzione è rivolta a due aspetti: da un lato l'autonomia, dall’altro le performance di ricarica della batteria agli ioni di litio. Per cercare le migliori soluzioni possibili, Audi sviluppa e mette alla prova le celle e gli altri componenti degli accumulatori nel proprio test center di Gaimersheim, in Baviera.

Il livello di carica di ogni cella è indicato da tre colori: nero, rosso e oro. Durante la ricarica, gli ioni di litio migrano verso l'anodo di grafite e questa cambia colore in base al proprio stato. Quando la cella è scarica, la grafite è di colore nero; quando la carica è parziale, diventa rossa; quando è completamente carica, cambia ancora colore diventando dorata. "Ciò ci permette di vedere e valutare il livello d’energia accumulata", spiega Bernhard Rieger, Responsabile R&D presso l’Audi Battery Technology Center di Gaimersheim.

Gli elettrodi nelle batterie agli ioni di litio

Gli elettrodi non si ricaricano in modo uniforme, la velocità di ricarica aumenta o diminuisce a seconda del numero di ioni di litio presenti. Questo si traduce in un gradiente dello stato di carica. In condizioni ideali, l’intero elettrodo dovrebbe avere lo stesso colore, ma ciò è possibile solo con componenti estremamente sottili, in grado d’immagazzinare una quantità minima d’energia.

Quando si tratta di celle agli ioni di litio, l'aspetto più importante è una gestione estremamente precisa del flusso di corrente, per evitare di sovraccaricare l'anodo nelle parti dorate, situazione che ne comporterebbe un invecchiamento precoce” specifica Rieger. “L'obiettivo è garantire il funzionamento ottimale delle celle agli ioni di litio per ottenere la maggiore autonomia e le migliori prestazioni di ricarica possibili. Una volta soddisfatte le esigenze primarie per quanto riguarda l'autonomia, il focus si sposta sulla velocità di ricarica”.

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Autonomia e velocità di ricarica: l'arte del compromesso

In altre parole, i tecnici dell'Audi test center di Gaimersheim hanno obiettivi contrastanti, come spiega ancora Rieger: “Abbiamo un determinato pacchetto a nostra disposizione, in cui dobbiamo inserire quanta più energia possibile, ma vogliamo anche essere in grado di ricaricarlo il più velocemente possibile”. Il contrasto è dato dal fatto che maggiore è la densità di energia, più tempo occorre per la ricarica. Il target dei tecnici, quindi, è aumentare la densità energetica mantenendo costanti i tempi di ricarica. Il punto di partenza è la capacità di ricarica.

A oggi sono due i modelli Audi presi come riferimento per questi aspetti specifici: Audi e-tron GT e Audi e-tron. La prima dispone di una batteria da 93 kWh che in condizioni ideali si può ricaricare dal 5% all'80% in soli 22,5 minuti, con potenze fino a 270 kW in DC. La seconda, lanciata nel 2019, è ancora oggi considerata il punto di riferimento per la propria curva di ricarica, caratterizzata da una grande rapidità nel raggiungere il picco (150 kW in DC) e da una notevole costanza nel mantenerlo.

Batterie: durata e sicurezza

"Lavoriamo per abbinare tempistiche di ricarica ultra fast a elevati livelli d’efficienza e durata” racconta Rieger. A Gaimersheim viene messo alla prova l'intero sistema batteria, inclusi l'elettronica, la gestione termica e i componenti periferici ad alta tensione.

I nostri sistemi sono progettati fin dal primo giorno pensando alla ricarica rapida, perché è molto difficile intervenire successivamente. Solo un pacco batterie perfettamente bilanciato in cui ogni dettaglio è stato curato sin dalla prima fase potrà raggiungere le proprietà desiderate”. Le celle delle batterie devono soddisfare anche gli standard di durata e sicurezza più elevati: con questo obiettivo, sia le celle, sia il sistema batteria nel proprio complesso vengono sottoposti a numerosi test nella struttura di Gaimersheim.

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L'importanza dei test sulle batterie

A partire dalle prime fasi di sviluppo, ogni veicolo elettrico passa attraverso una lunga serie di prove di durata e di ricarica rapida condotti su centinaia di celle. Queste ultime vengono testate con diversi profili di ricarica all'interno di camere climatiche che hanno temperature comprese tra -30 e 60 °C. "I nostri test e controlli iniziano circa quattro anni prima dell'avvio della produzione, per darci il tempo di apportare modifiche ove necessario" specifica Rieger.

Le celle vengono anche esposte a temperature elevate per circa un anno, in modo da valutarne l'invecchiamento e simulare un ciclo di vita complessivo dell'auto di 15 anni. Inoltre, grazie agli speciali banchi prova di Gaimersheim si possono ricostruire in breve tempo scenari che equivalgono a circa 300.000 chilometri di percorrenza. A questi si aggiungono i crash test e le prove di sovraccarico, ma si possono anche simulare diversi scenari d’impiego per ottimizzare la strategia operativa dei componenti e la gestione termica.

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Messa a punto ottimale per le batterie

Il risultato di tutte queste procedure è la migliore messa a punto possibile delle batterie destinate alle Audi. Il lavoro prosegue anche successivamente: i risultati più aggiornati dei test sulle celle vengono inviati direttamente ai modelli di batteria virtuali, così da poterne osservare gli effetti sul veicolo.

A Gaimersheim si trova anche una struttura per la costruzione di prototipi di batterie, partendo da zero e arrivando fino alla produzione pre-serie. "Qui disponiamo delle attrezzature necessarie per mettere a punto il concept e la strategia operativa delle celle, così da ottenere caratteristiche ideali per le vetture 100% elettriche Audi” sottolinea Rieger.

Fonte: AUDI AG

VGI | U.O. Responsabile: VP | Data di creazione: data dell’articolo | Classe 9.1

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