Auto elettriche: cosa succede quando la batteria invecchia?

IL CUORE DELL’AUTOMOBILE

Le auto elettriche sono ‘strane’ rispetto a quelle con motore termico e una delle differenze principali è il fatto che il loro serbatoio non viene riempito con un carburante, liquido o gassoso che sia, ma con energia elettrica. Il riempimento e il consumo di questa energia non sembrano modificare esteriormente la batteria, ma in realtà essa perde gradualmente le sue prestazioni. Visto il costo e l’importanza di questo elemento, vero cuore dei veicoli elettrici, è logico domandarsi cosa succede alla batteria con l’uso e l’invecchiamento. 

Occorre prima di tutto ricordare che i battery pack delle automobili durano molto di più di quelli degli smartphone per vari motivi. Al primo posto c’è una sofisticata climatizzazione che mantiene a livello ottimale la temperatura, ma un ruolo importante è dato dalla grace capacity, quella capacità presente ma non usata che si palesa nella discrepanza fra la capacità usabile e quella nominale: la Volkswagen ID.4, per esempio, usa 77 kWh di una batteria capace di 82 kWh.

SACRIFICIO NECESSARIO

Questa riserva all’inizio non viene utilizzata e quindi l’auto elettrica si porta appresso una pesante batteria che non viene utilizzata totalmente. In pratica quando la batteria appare carica al 100% in realtà non lo è e lo stesso accade quando il misuratore dice ‘0%’. La grace capacity entra gradualmente in azione al degradarsi della batteria principale e quindi man mano che il processo va avanti la carica effettiva della batteria si avvicina sempre di più alla capacità reale residua. In pratica se la batteria nuova era di 100 kWh con una capacità sfruttabile di 80 kWh non si arrivava mai a caricarla al 100% effettivo ma man mano che la perdita di capacità va avanti il 100% si avvicinerà sempre di più alla capacità effettiva, nel frattempo scesa (sono numeri puramente indicativi) all’80%. 

Quindi l’autonomia è quasi invariata, dato che stiamo parlando di 80 kWh (questa volta sfruttati completamente), ma lo stress della ricarica aumenta perché per immagazzinare quei kWh occorre arrivare al 100% della capacità delle celle. A questo punto, come scrive Battery University, il degrado della batteria diventa più veloce sia perché le ricariche/scariche al 100% e allo 0% effettivi la sollecitano di più sia perché non esiste più una riserva da attivare per compensare la perdita di capacità.

LA COPERTA È CORTA

Un aggiornamento software può ripristinare un po’ di grace capacity diminuendo quindi il logorio della ricarica, ma a quel punto l’autonomia subisce un brusco calo anche se il degrado della batteria prosegue con lo stesso ritmo. Il grafico qui sopra è riferito a una Tesla con batteria da 85 kWh (probabilmente una Model S di qualche tempo fa, quel taglio di batteria non è più usato da tempo) e si nota subito l’azione della grace capacity che riesce a mantenere invariata l’autonomia fino a una percorrenza di 95.000 miglia (152.900 km, Fase 1). 

Nella Fase 2 si nota il degrado della batteria, che appare piuttosto lento perché fra le 95.000 e le 130.000 miglia di percorrenza (209.000 km) l’autonomia si abbassa di circa 13 miglia/21 km. La fase 3 illustra il repentino calo dell’autonomia - valutabile in un 10% - causato dal software che ripristina un po’ di capacità di riserva per impedire le ricariche al 100%. 

La scala dell’autonomia piuttosto compressa drammatizza visivamente l’entità della diminuzione che, ricordiamolo, avviene dopo più di 200.000 km. Tenendo presente la percorrenza media delle automobili italiane (circa 7.000 km/anno, qui i dati) scopriamo quindi che il più sostanzioso calo dell’autonomia avverrebbe dopo quasi 30 anni, un tempo ben superiore alla durata del veicolo.

COME INVECCHIANO LE BATTERIE?

L’invecchiamento della batteria è imputabile a vari fattori, descritti per esempio da una dettagliata ricerca che l’Università di Monaco ha condotto sulle celle 18650 con chimica nickel-alluminio-cobalto usatissime da Tesla. La conclusione è che l’invecchiamento di una batteria agli ioni di litio è un fenomeno complesso che dipende da fattori quali i livelli di carica, la velocità di ricarica, la profondità di scarica e la temperatura. 

Un SoC (State of Charge) superiore all'80% accelera la perdita di capacità mentre una scarica troppo profonda aumenta la resistenza interna. Questa quantità merita una spiegazione: quando la batteria riceve energia una parte di questa si perde anche perché la corrente di ricarica incontra una certa resistenza nel suo scorrere all’interno delle celle (questa perdita influisce anche sul vero costo della ricarica, qui per saperne di più). Lo stesso accade durante la scarica: la dissipazione di energia durante la carica/scarica si manifesta con un riscaldamento della batteria anche quando essa eroga energia. 

La potenza dissipata da una resistenza è data da R x i2, nella quale R è la resistenza, misurata in ohm (Ω), e i è l’intensità della corrente in Ampere. Al crescere di R aumenta quindi la potenza ‘persa’ nella resistenza interna della batteria, uno spreco che aumenta con il quadrato della corrente che scorre. Per misurare R è necessario collegare un carico dato che se la corrente i è nulla la resistenza non si paleserà. Dal grafico qui sopra si vede come l’aumento della profondità di scarica (61%, triangoli neri) ha un effetto negativo molto maggiore della tensione alla quale avviene la scarica.

STRATEGIE DI RICARICA

Una scarica violenta, quando i è molto alta, aumenterà quindi la potenza dissipata (cresce con il quadrato di i) e questo diminuirà l’autonomia, un calo tanto maggiore quanto più alta sarà la resistenza interna che nel grafico è indicata in milliohm. 

Un altro risultato della ricerca è che se si prevede di non usare l’auto elettrica per molto tempo è meglio lasciare la batteria carica fra 40 e il 50%: una batteria inerte ma troppo carica si degrada prima di una che lavora. 

Una altro fattore che prolunga la durata di una batteria agli ioni di litio è l’utilizzo a temperature miti, diciamo intorno a 25°C sia durante la ricarica sia nell’uso sia durante la guida, una condizione favorita dall’impianto di climatizzazione della batteria stessa. Sappiamo anche che è opportuno limitare le ricariche rapide, soprattutto se la batteria ha un livello di carica basso. 

Si è anche visto che le brevi cariche che avvengono con la frenata rigenerativa in pratica non danneggiano il battery pack. Un risultato inatteso della ricerca è che lasciar ‘riposare’ la batteria per diversi mesi a meno del 50% di carica può farle recuperare un po’ di capacità in un fenomeno ancora non ben compreso.