Batterie EV al Top: Vi Svelo il Segreto del Bilanciamento di Potenza per un’Autonomia da Record!

Amici appassionati di tecnologia e motori, oggi voglio parlarvi di una di quelle innovazioni che potrebbero davvero cambiare le carte in tavola per il futuro dei veicoli elettrici (EV). Sappiamo tutti quanto sia cruciale l’autonomia e la durata delle batterie, vero? Bene, tenetevi forte, perché sto per raccontarvi di un nuovo metodo per il bilanciamento delle celle agli ioni di litio che promette faville!

Il Tallone d’Achille: Lo Squilibrio tra le Celle

Immaginate un pacco batterie di un’auto elettrica come una squadra di canottaggio. Se tutti remano all’unisono e con la stessa forza, la barca va che è una meraviglia. Ma se un rematore è più debole o si stanca prima, tutta la squadra ne risente. Ecco, nelle batterie succede qualcosa di simile. Un pacco batterie è composto da tante singole celle collegate in serie e/o parallelo. A causa di piccole differenze di produzione o di un impatto ambientale non uniforme, queste celle non sono mai perfettamente identiche. Col tempo, alcune si caricano o scaricano più velocemente di altre.

Questo squilibrio è un bel problema! Durante la carica, la cella più “debole” (o con capacità inferiore) raggiunge per prima il suo limite massimo, costringendo l’intero processo di carica a fermarsi, anche se le altre celle potrebbero immagazzinare ancora energia. Stessa storia durante la scarica: la cella più “fiacca” si esaurisce prima, e l’auto si ferma, lasciando inutilizzata l’energia residua nelle altre celle. Risultato? Capacità utilizzabile ridotta e prestazioni non ottimali. Un vero peccato, no?

Per risolvere questo, entra in gioco il Battery Management System (BMS), il cervello che monitora e gestisce le batterie, e con esso le tecniche di bilanciamento delle celle. Tradizionalmente, ci si è affidati a due approcci principali:

• Bilanciamento basato sulla tensione: Si cerca di portare tutte le celle alla stessa tensione. Semplice da implementare, ma la tensione non è sempre un indicatore fedele dello stato di carica (SoC), specialmente per alcune chimiche di batterie che hanno una curva di tensione molto piatta in un ampio range di SoC.
• Bilanciamento basato sullo SoC (State-of-Charge): Si mira a equalizzare la percentuale di carica di ogni cella. Più preciso della tensione, ma ha i suoi limiti. Se le celle hanno capacità diverse (magari a causa dell’invecchiamento), avere lo stesso SoC percentuale non significa avere la stessa quantità di carica effettiva o la stessa capacità di erogare potenza. Una cella al 50% con capacità ridotta avrà meno energia di una cella al 50% nuova di zecca. Questo può portare a stressare ulteriormente le celle più deboli, accelerandone l’invecchiamento.

L’Idea Geniale: Bilanciare la Potenza, non solo la Carica!

E qui arriva la novità che mi ha entusiasmato! Un gruppo di ricercatori ha proposto un algoritmo di bilanciamento attivo basato sullo Stato di Potenza (State-of-Power, SoP). In pratica, invece di guardare solo la tensione o la percentuale di carica, ci si concentra sulla capacità di ogni cella di erogare potenza (durante la scarica, come in accelerazione) o di accettare potenza (durante la carica o la frenata rigenerativa). Si parla quindi di Charging State-of-Power (CSoP) e Discharging State-of-Power (DSoP).

Pensatela così: invece di guardare solo quanta “benzina” (lo SoC) c’è in ogni singola cella, questo nuovo metodo guarda a quanta potenza ogni cella può effettivamente erogare o assorbire in un dato momento, tenendo conto del suo stato di salute (SoH) e della sua capacità reale. L’obiettivo è assicurare che ogni cella nel pacco batterie abbia lo stesso livello di potenza, evitando che una singola cella “freni” l’intero sistema.

Questo approccio è particolarmente furbo perché permette di sfruttare al massimo ogni singola cella, anche quelle un po’ più “attempate” o con capacità leggermente diverse, senza stressarle inutilmente. Il sistema BMS può così regolare il flusso di potenza del veicolo con uno sforzo di bilanciamento minimo, garantendo che ogni cella si carichi e scarichi completamente (entro i limiti di sicurezza, ovviamente!).

Come Funziona Questa Magia? Un Tuffo (Semplificato) nella Tecnica

Senza addentrarci in formule matematiche complesse, vi do un’idea di come funziona. Per prima cosa, è cruciale stimare accuratamente lo SoC e, di conseguenza, lo SoP di ogni cella. Per questo, i ricercatori hanno utilizzato un metodo avanzato chiamato Unscented Kalman Filter (UKF), noto per la sua robustezza e precisione anche in presenza di “rumore” o incertezze nelle misurazioni.

Poi, hanno modellato il comportamento della batteria usando un circuito equivalente chiamato 1-RC model. Questo modello, pur essendo relativamente semplice, riesce a catturare le dinamiche essenziali di una cella agli ioni di litio, come la resistenza interna e gli effetti di polarizzazione, senza appesantire troppo i calcoli.

Il sistema di bilanciamento attivo proposto utilizza convertitori DC-DC per trasferire l’energia. Durante la carica, se una cella ha un CSoP troppo alto rispetto alle altre (cioè, è “troppo forte” o si sta caricando troppo in fretta), l’energia in eccesso viene prelevata da quella cella e ridistribuita al resto del pacco (modalità Cell-to-Pack, CTP). Viceversa, durante la scarica, se una cella ha un DSoP troppo basso (è “troppo debole” o si sta scaricando troppo in fretta), riceve energia dal pacco batterie per riportarsi al livello delle altre (modalità Pack-to-Cell, PTC).

Il bello è che questo sistema può funzionare sia a livello di singole celle all’interno di un modulo (bilanciamento intramodulo) sia tra moduli diversi all’interno dell’intero pacco batterie (bilanciamento intermodulo).

La Prova del Nove: Simulazioni ed Esperimenti

Ovviamente, un’idea, per quanto brillante, deve essere messa alla prova. I ricercatori hanno prima costruito un modello di pacco batterie da 96 celle (simile a quello della Chevrolet Bolt EV) in ambiente MATLAB/Simulink. Hanno simulato cicli di carica a corrente costante e cicli di scarica utilizzando un profilo di guida realistico (il New European Driving Cycle, NEDC).

I risultati sono stati davvero incoraggianti! Confrontando il metodo basato su SoP con un pacco batterie senza bilanciamento e con uno che utilizzava il bilanciamento basato su SoC, si è visto che:

• La capacità utilizzabile del pacco batterie con il metodo SoP è aumentata del 16% rispetto al caso senza bilanciamento. Avete capito bene, il 16% in più di autonomia potenziale!
• Rispetto al bilanciamento basato su SoC, il metodo SoP ha migliorato la capacità di carica dell’1%.
• Un aspetto fondamentale è che il bilanciamento basato su SoP ha richiesto minori sforzi di bilanciamento, traducendosi in minori perdite di energia durante il processo. Questo perché interviene solo quando è strettamente necessario per mantenere l’equilibrio di potenza, non solo di carica percentuale.

Ma non si sono fermati alle simulazioni! Hanno anche allestito un esperimento reale con quattro celle agli ioni di litio (Panasonic NCR18650B), un microcontrollore e tutta l’elettronica necessaria per implementare l’algoritmo SoP. Anche in questo caso, i risultati hanno confermato la stabilità, la robustezza e la precisione del metodo proposto, mostrando come le celle venissero bilanciate efficacemente in base al loro DSoP durante la scarica.

I Vantaggi Concreti: Più Autonomia, Meno Sprechi

Quindi, cosa significa tutto questo per noi, utenti finali o futuri possessori di auto elettriche? Significa batterie che durano di più, sia come singola carica (più autonomia) sia come vita utile complessiva del pacco. Significa sfruttare al meglio ogni singola goccia di energia immagazzinata, riducendo gli sprechi.

Questo approccio basato sullo SoP è particolarmente promettente per le batterie che hanno già qualche anno sulle spalle e che iniziano a mostrare differenze di capacità tra le celle. Invece di “condannare” l’intero pacco a causa di poche celle meno performanti, questo sistema permette di gestirle in modo intelligente, massimizzando ancora la loro resa.

Inoltre, operare sempre entro la Safe Operating Area (SOA) di ogni cella, come fa questo algoritmo, contribuisce a preservarne la salute e a prevenire problemi come sovraccariche o scariche profonde eccessive, che sono nemiche giurate della longevità delle batterie.

Un Futuro Più Carico (e Bilanciato!) per le Nostre EV

Insomma, questo nuovo metodo di bilanciamento basato sullo Stato di Potenza mi sembra una vera e propria boccata d’aria fresca nel mondo delle batterie per EV. È un passo avanti significativo rispetto alle strategie tradizionali, perché guarda alla sostanza – la capacità effettiva di fornire e ricevere potenza – piuttosto che a parametri che possono essere fuorvianti.

Certo, la ricerca non si ferma qui. Si possono affinare ulteriormente i modelli delle batterie, includere stime dello Stato di Salute (SoH) ancora più precise e magari esplorare metodi di identificazione dei parametri delle celle online, che si adattino dinamicamente ai cambiamenti. Ma la strada intrapresa è quella giusta!

Non vedo l’ora di vedere queste tecnologie implementate su larga scala, perché rendere le batterie più efficienti, durature e performanti è la chiave per accelerare la transizione verso una mobilità davvero sostenibile. E chissà, magari la prossima volta che saliremo su un’auto elettrica, potremo ringraziare un algoritmo “SoP-er” intelligente per quei chilometri in più di autonomia!

Fonte: Springer