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Batteria auto elettrica: cos’è e come funziona, tutto quello che devi sapere
Redazione AutoScout24 · 22/06/2023 · Lo leggi in 11 minuti
Il mercato delle auto elettriche è in continua espansione. Sebbene i numeri siano ancora ridotti a dispetto del mercato automobilistico mondiale, soprattutto in Europa e in particolare in Italia, la loro diffusione è in costante crescita.
Se delle EV ormai conosciamo tanto, la batteria dell’auto elettrica è ancora un’incognita per il grande pubblico e per gran parte degli automobilisti. Si tratta ovviamente di un grosso limite, in quanto proprio la batteria dell’auto elettrica è la componente più importante da conoscere, per saperla trattare come si deve senza incorrere in brutte sorprese. Se infatti il motore elettrico delle vetture a zero emissioni è già più compatto, più leggero e più efficiente di un equivalente propulsore termico, la batteria dell’auto elettrica deve ancora fare parecchia strada per non costringere a compromessi e limitazioni i proprietari di auto elettriche.
Per capire come mai è proprio la batteria a ridurre la possibile diffusione e successo dell’auto elettrica, dobbiamo obbligatoriamente sapere cos’è e come funziona la batteria di un’auto elettrica. “Casa” dell’energia elettrica indispensabile per spostare un’automobile a zero emissioni, le batterie pensate per l’alimentazione di un’automobile elettrica non sono tutte uguali. Possono infatti cambiare i materiali con le quali sono realizzate, le dimensioni, la forma, l’alloggiamento e, ovviamente, la capacità. In generale, comunque, le batterie diffuse oggi, ovvero quelle allo stato liquido, sono pesanti e decisamente più ingombranti a parità di autonomia rispetto ad un’auto termica. In più, per non perdere efficienza, e quindi preziosi km di autonomia, durante la vita della batteria è bene conoscere come funziona la batteria dell’auto elettrica, come si ricarica e i “trucchi” per utilizzarla mantenendola in perfetta salute senza “crolli” nel corso degli anni.
Scopriamo allora tutto quello che devi sapere della batteria dell’auto elettrica, cos’è e come funziona.
Iniziamo da una domanda alla quale, siamo sicuri, tutti sapranno dare una risposta: che cos’è una batteria dell’auto elettrica? In poche parole, la batteria dell’auto elettrica è ciò che il serbatoio è per l’auto termica, o semplicemente ciò che rappresenta la batteria per i device che usiamo tutti i giorni, telefoni e PC in primis. La batteria è una componente essenziale di un qualsiasi sistema alimentato con l’elettricità: permette infatti di immagazzinare l’energia elettrica e di funzionare senza essere direttamente alimentato dalla rete. Questa soluzione è comoda per smartphone e PC, ma è ovviamente indispensabile per le auto elettriche. La batteria di un’auto elettrica deve essere abbastanza grande per poter alimentare per un numero adeguato di km il motore elettrico. Al contrario di un serbatoio per un'auto termica, dove indipendentemente dalla quantità di carburante e dallo stato del serbatoio stesso è in grado di erogare sempre la stessa potenza, la batteria di un’auto elettrica influenza direttamente le prestazioni del motore. A seconda della quantità di energia presente e dallo stato della batteria, infatti, il motore potrà erogare la sua potenza massima o “accontentarsi” di un livello inferiore di potenza.
Per capire fino in fondo cos’è la batteria dell’auto elettrica, però, dobbiamo scendere nei dettagli. Dalla composizione fisica delle batterie si capiscono i suoi punti di forza, ma anche i suoi difetti, al momento ancora piuttosto grandi. La batteria di un’auto elettrica non è diversa da una classica batteria. Ci sono due poli, uno positivo, il catodo, e uno negativo, il catodo, tra i quali si genera un flusso di elettroni sia in fase di scarica, ovvero di cessione di energia per garantire il funzionamento dell’auto elettrica, che in ricarica. Le batterie sono formate da decine o centinaia di piccole celle, dotate ognuna di un anodo e un catodo, collegate tra loro. Un gruppo di celle creano un modulo, e diversi moduli compongono una batteria. All’interno delle singole celle viene immagazzinata l’energia elettrica, pronta per l’utilizzo al momento del bisogno.
La tecnologia della batteria dell’auto elettrica è progredita enormemente nel corso degli anni. Durante i primi tentativi di auto elettrica, infatti, si utilizzavano batterie al piombo, del tutto simili a quelle delle automobili a 12 V. Queste erano incredibilmente pesanti e poco efficienti, e sono state sostituite prontamente da batterie al nichel metallo idruro (NiMh), per poi arrivare all’attuale tecnologia più comune, ovvero le batterie agli ioni di litio. Tutte queste batterie sono realizzate con la tecnologia che implica l’utilizzo di un elettrolita allo stato liquido. Sono allo studio, però, soluzioni più tecnologiche e decisamente più efficienti, in grado di mantenere la durabilità nel tempo della batteria dell’auto elettrica a livelli decisamente superiori. Un esempio sono le batterie allo stato semi-solido utilizzate da alcuni costruttori come BYD, che combina la presenza di un elettrolita liquido che di uno solido. Il futuro, però, parla di batterie allo stato solido, che fanno a meno della componente liquida e sfruttano un elettrolita interamente solido. Questa tecnologia, non ancora pronta per l’implementazione di serie, risolverà i limiti di peso e surriscaldamento della batteria dell’auto elettrica, aumentando guidabilità, autonomia ed efficienza.
La capacità delle batterie è espressa in kWh, e corrisponde alla quantità di kW (l’unità di misura della potenza) che è in grado di trasmettere o immagazzinare in un’ora. Ci sono poi altre unità di misura utilizzate per descrivere le batterie: l’amperaggio, espresso in ampere, ovvero la quantità di energia che una batteria è in grado di trasmettere in un secondo, e il voltaggio, espresso in volt. Quest’ultimo corrisponde alla rapidità con cui 1 ampere di energia viene trasmessa nel sistema.
In generale, le auto elettriche sono dotate di sistemi da 400 V: solo le più prestazionali hanno sistemi da 800 V. Un'altra informazione da sapere è che la capacità delle batterie si divide tra nominale ed effettiva. La capacità nominale è la quantità totale di kWh disponibile all’interno del pacco batterie. Per questioni di surriscaldamento e di affidabilità, però, non è possibile utilizzare l’intera capacità del pacco batterie. Per questo si parla di capacità effettiva, ovvero la quantità di kWh effettivamente ricaricabile e utilizzabile durante la guida. Di solito, il margine può andare dal 5% al 15% nei casi di batterie più piccole: ad esempio, le batterie della Volkswagen ID.4 hanno una capacità nominale di 82 kWh, ma quella effettiva è di 5 kWh più bassa, pari a 77 kWh.
Batteria auto elettrica: come funziona
Ora abbiamo capito cos’è la batteria dell’auto elettrica, ma come funziona questo componente così fondamentale? Iniziamo dalla chimica delle batterie, indispensabile da padroneggiare per riuscire a comprenderne pregi e difetti. Durante le fasi di carica, la corrente elettrica si muove dall’anodo, che la cede per ossidazione, al catodo, che li riceve per riduzione. In ricarica, invece, il flusso energetico fa il percorso inverso, passando dal catodo all’anodo “restituendo” gli elettroni. La tecnologia delle celle è la sfida maggiore che si trovano di fronte le Case automobilistiche. Ad oggi, infatti, la soluzione più affidabile e stabile è quella delle batterie allo stato liquido. In poche parole, anodo e catodo sono immersi in una soluzione chiamata elettrolita, che contiene diversi ioni che permettono lo scambio di energia. Questa soluzione è la più affidabile, collaudata ed economica, ma ha alcuni, enormi difetti. Il primo è il peso: ogni singola cella deve infatti accogliere un anodo, un catodo e l’elettrolita liquido. Questo aumenta sensibilmente il peso di ogni singola cella, aumentando in maniera esponenziale la massa di un’auto elettrica rispetto ad una termica equivalente. Per fare un esempio, la batteria di una FIAT 500e da 42 kWh, che consente un’autonomia in ciclo WLTP di 321 km, ha un peso di quasi 300 kg. Anche il telaio deve essere rinforzato per sopportare una componente dal peso generoso: al netto di un motore ben più leggero ma più potente, una FIAT 500e pesa 1.365 kg, mentre una 500 termica non supera i 950 kg.
Un altro limite di questa tecnologia è la perdita progressiva di efficienza delle batterie allo stato liquido. Nel loro funzionamento, infatti, le batterie allo stato liquido si scaldano parecchio, soprattutto durante la carica (come vedremo tra poco, è possibile riuscire a limitare questi problemi con un uso consapevole della ricarica). Ad ogni surriscaldamento, nonché, sebbene in misura minore, ad ogni ciclo di carica-scarica, le batterie perdono progressivamente la propria capacità in kWh, riducendo progressivamente la quantità di energia che può essere mantenuta dalla batteria stessa. Una batteria può logorarsi parecchio nel corso della sua vita utile, tanto che le stesse Case indicano un’usura “limite” sotto la quale è necessario provvedere alla sostituzione (che, se l’auto è ancora in garanzia, è sostanzialmente gratuita). Solitamente, la soglia-limite è fissata al 70/75%: questo significa che, in un periodo coperto da garanzia, solitamente di 8 anni, è “normale” che una batteria perda il 25/30% della propria capacità. Con il passare degli anni e dei cicli, quindi, si può perdere fino al 30% dei kWh disponibili, riducendo sostanzialmente del 30% l’autonomia.
Come funziona la batteria dell’auto elettrica per arrivare ad avere tali perdite? Nei cicli di carica e scarica, le batterie sono soggette a un passaggio di elettroni molto veloce, che cresce all’aumentare della potenza di ricarica. La ricarica è infatti un passaggio di elettroni da una colonnina o da una presa di corrente all’anodo principale della batteria, che poi si occuperà di distribuirlo in maniera equa all’interno delle singole celle. Le batterie funzionano sempre a corrente continua, mentre il motore elettrico e le colonnine tradizionali, tra cui la corrente domestica, hanno un sistema a corrente alternata. Questo significa che sia in entrata che verso il motore c’è bisogno di un inverter, ovvero di un trasformatore in grado di convertire l’energia elettrica da corrente alternata a continua in fase di ricarica, e da continua ad alternata per l’alimentazione di motore e sistemi di bordo.
Tornando a come funziona una batteria dell’auto elettrica, se una ricarica “normale” con una presa domestica ha una potenza di circa 3,7 kWh, una ricarica veloce in corrente continua può partire da 50 kWh e arrivare a 200, 250 o addirittura 350 kW. Con una potenza di ricarica tale, la batteria può arrivare a temperature molto alte, che usurano più velocemente la batteria allo stato liquido. La stessa usura può derivare dalle condizioni atmosferiche: se fa molto freddo o molto caldo, infatti, cambia l’efficienza dell’elettrolita, che fatica a favorire il passaggio degli elettroni sotto i 15°C e, al contrario, è meno denso e, di conseguenza, meno efficiente quando si superano i 30°C. Utilizzando principalmente ricariche Fast e Ultra Fast, la batteria si “consuma” più velocemente, riducendo progressivamente efficienza e autonomia nel lungo periodo.
Come fare a mantenere in perfetta efficienza la batteria dell’auto elettrica? È necessario utilizzare i caricatori veloci solo quando strettamente necessario, e non utilizzare le ricariche Fast e Ultra Fast ogni giorno. Utilizzandoli regolarmente, si va verso un’usura prematura del pacco batterie, riducendo prestazioni, autonomia e il regolare funzionamento dell’automobile. In più, come per quanto succede per telefoni e PC, ci sono alcuni momenti del funzionamento della batteria dell’auto elettrica che stressano maggiormente le componenti interne. La fascia di ricarica compresa tra lo 0 e il 10/15% e quella finale, compresa tra l’80/85% e il 100%, infatti, sono le più critiche per una batteria di un’auto elettrica. In questi frangenti, la quantità di elettroni è rispettivamente troppo bassa e troppo alta per una distribuzione lineare della carica e un assorbimento altrettanto lineare della scarica. Questo comporta uno stress superiore per la batteria e le sue componenti, compreso nuovamente l’elettrolita, portando a prestazioni limitate (soprattutto con la carica ridotta tra lo 0 e il 15%) sia in scarica che, altrettanto, durante la ricarica. Per questo, i produttori consigliano un range di utilizzo compreso tra il 15 e l’85%, sforando solo quando strettamente necessario queste disposizioni. Tanto sta nella gestione termica della batteria. Il range di utilizzo ottimale per una batteria di un’auto elettrica è compreso tra i 15 e i 25°C. Quando si è sopra questa soglia, è disponibile un sistema di raffreddamento, che può essere ad aria o a liquido, per evitare surriscaldamenti e conseguenti cortocircuiti, che potrebbero portare a risultati disastrosi.
Allo stesso modo, però, la batteria non rende al meglio con temperature rigide, riducendo anche del 20% la propria efficienza. Per questo, il sistema di gestione termica delle batterie non può solo raffreddare il pacco, ma anche riscaldarlo. Questa soluzione è molto utile in climi particolarmente rigidi, oppure poco prima di una ricarica veloce: con la giusta temperatura, la ricarica è più veloce, più lineare e grava meno sulla salute del pacco batterie.
