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Il test della batteria di raffreddamento elettrica
Alla fine di questo mese, due nuove auto elettriche, la GM Volt e la Nissan Leaf, inizieranno ad apparire nei viali ecologici degli Stati Uniti.
Batteria inclusa: I tecnici caricano una batteria in una Chevrolet Volt di preproduzione.
La Nissan Leaf promette 73 miglia per carica elettrica, mentre la GM Volt ottiene 35 miglia per carica, sebbene abbia anche un motore a benzina di riserva per viaggi più lunghi. Ma GM e Nissan stanno adottando approcci diversi per garantire che le batterie di queste auto durino e rimangano al sicuro. Il modo in cui queste batterie si comportano nei prossimi anni suggerirà quale approccio è migliore e potrebbe modellare il design delle future auto elettriche e ibride plug-in, come promesso da tutte le principali case automobilistiche. Alcuni critici affermano che il design del pacco batteria Nissan, che utilizza un sistema di raffreddamento relativamente semplice, potrebbe consentire il surriscaldamento delle batterie, riducendo la durata della batteria e ponendo problemi di sicurezza.
Sia GM che Nissan utilizzano batterie agli ioni di litio (una tecnologia che è stata a lungo utilizzata nei laptop e nei telefoni cellulari) al contrario delle batterie al nichel-metallo idruro, che si sono dimostrate affidabili negli ibridi gas-elettrici come la Toyota Prius, ma che sono ingombranti e pesante.
Nella scelta degli ioni di litio rispetto all'idruro di nichel-metallo, GM e Nissan corrono un rischio perché tali batterie non si sono ancora dimostrate affidabili nel ruolo impegnativo di alimentare un'auto. Le batterie delle auto devono sopportare temperature estreme, forti scossoni e continue vibrazioni della strada e devono funzionare bene per circa un decennio. In alcuni rari casi, le batterie agli ioni di litio possono surriscaldarsi e prendere fuoco, un problema che ha richiesto massicci richiami di alcune batterie dei laptop. Le batterie necessarie per i veicoli elettrici devono anche immagazzinare molta più energia, quindi un incendio causato dalle batterie delle auto potrebbe essere particolarmente pericoloso.
Un altro svantaggio dell'utilizzo delle batterie agli ioni di litio è che perdono rapidamente la capacità di mantenere la carica. Dopo un paio di anni di utilizzo, non è insolito che immagazzinino la metà della potenza di quando erano nuovi. Le case automobilistiche vogliono batterie per auto che durino per tutta la vita di un veicolo, da otto a 15 anni circa.
Per affrontare questi problemi, GM e Nissan hanno apportato modifiche significative alle batterie agli ioni di litio che stanno utilizzando. Invece di usare l'ossido di litio e cobalto, il materiale preferito nelle batterie dei laptop a causa della sua elevata densità di energia, come elettrodo, usano l'ossido di litio e manganese, che immagazzina una quantità relativamente grande di energia, ma è più stabile, in parte a causa di la disposizione dei suoi atomi. In un elettrodo di ossido di manganese, gli atomi formano una struttura tridimensionale che mantiene la sua forma anche quando gli ioni di litio entrano ed escono dall'elettrodo mentre la batteria viene caricata e scaricata. La struttura meno stabile dei materiali degli elettrodi delle batterie convenzionali può essere danneggiata quando gli ioni di litio entrano ed escono, il che riduce la durata utile di una batteria.
GM e Nissan sono anche passati da una forma cilindrica per le batterie (le celle della batteria all'interno dei tipici pacchi per laptop sembrano grandi batterie AA) a una forma rettangolare piatta che consente di risparmiare spazio e consente anche al calore di fuoriuscire meglio. Il surriscaldamento può danneggiare le batterie, diminuendo la loro capacità di immagazzinare carica e, in alcuni casi, può portare a un fenomeno chiamato fuga termica, quando temperature elevate provocano reazioni chimiche che portano a ancora più calore, provocando infine un incendio.
Ma le differenze principali emergono quando si guarda al modo in cui GM e Nissan hanno progettato i loro pacchi batteria: la raccolta di celle della batteria, elettronica e controlli della temperatura che costituiscono la batteria completa. La differenza più grande è come le aziende scelgono di controllare la temperatura delle confezioni. Nissan ha optato per un design semplice, utilizzando una ventola per raffreddare le batterie. Dice che la forma piatta delle celle della batteria rende superfluo il raffreddamento aggiuntivo. Il design di GM è più complesso. Un liquido di raffreddamento trasporta il fluido oltre la superficie di ciascuna cella del pacco e verso un piccolo radiatore all'esterno del pacco.
I sistemi di raffreddamento a liquido possono allontanare il calore dalle celle della batteria più rapidamente rispetto al raffreddamento ad aria. Inoltre, il raffreddamento a liquido è molto più compatto, afferma Bill Wallace, direttore dei sistemi di batterie globali di GM. Puoi spostare molto più calore e spostarlo in modo molto più uniforme.
Wallace afferma che il raffreddamento a liquido è stato scelto per garantire che tutte le celle in un pacco si trovino entro due °C l'una dall'altra. Oltre a prevenire il sovraccarico, il controllo della temperatura è la manopola più importante che puoi girare in termini di miglioramento della durata della batteria, afferma.
Il raffreddamento a liquido è l'approccio scelto da Tesla Motors, che realizza un'auto sportiva elettrica utilizzando celle di batteria agli ioni di litio originariamente progettate per altre applicazioni. Il metodo di raffreddamento assicura che anche se alcune celle si surriscaldassero e prendessero fuoco, il resto no. In una recente telefonata sugli utili con gli investitori, Elon Musk, CEO di Tesla Motors, ha criticato il design Nissan, affermando che potrebbe causare temperature ovunque, che potrebbero degradare le prestazioni della batteria.
Poiché il freddo può limitare la quantità di carica che un pacco batteria può immagazzinare e causare danni alla batteria, il pacco batteria di GM ha anche un riscaldatore resistivo da 1.800 watt per evitare che il pacco batteria si raffreddi troppo. Nissan consiglia un pacchetto per il freddo che include un riscaldatore della batteria, ma questo non è di serie. E l'opzione non è disponibile per la prima Leaf che esce dalla catena di montaggio e non può essere aggiunta a un'auto in un secondo momento. Se il pacco foglia diventa troppo freddo o troppo caldo, entra in una modalità di potenza limitata, che limita l'accelerazione e la velocità massima.
Il Volt è anche progettato per mantenere una certa quantità di carica di riserva quando l'auto è nuova per aiutare a preservare la durata della batteria. Con l'invecchiamento della batteria, parte di questa capacità di riserva verrà rilasciata, il che aiuterà l'auto a mantenere la sua autonomia elettrica nel tempo. GM prevede che la capacità della batteria si riduca tra il 10 e il 30 percento durante la vita dell'auto (dagli otto ai dieci anni circa). Nissan non ha detto se utilizzerà un approccio simile, ma ha affermato che la capacità della batteria della Leaf diminuirà del 30% in 10 anni. Ha anche notato che l'esposizione a temperature elevate potrebbe ridurre la capacità della batteria più velocemente.