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I modelli full electric devono essere ampiamente fruibili nell’utilizzo quotidiano. La decisione d’acquisto da parte del Cliente tiene conto in modo significativo tanto dall’autonomia quanto dalle performance di ricarica. Audi gestisce in-house la progettazione e lo sviluppo delle celle, verificando le prestazioni degli accumulatori presso l’Audi Battery Technology Center di Gaimersheim, in Baviera.
Nero, rosso, oro: ecco i colori che indicano il livello di carica di una batteria. Questo perché, durante l’assorbimento d’energia, gli ioni di litio migrano verso l’anodo di grafite. E la grafite cambia colore in funzione del livello di carica. Se la cella è scarica, la grafite è di colore nero; in condizioni parziali diventa rossa, mentre a carica completa vira all’oro. “Empiricamente, questi cambiamenti consentono di monitorare il livello d’energia accumulata”, spiega il dott. Bernhard Rieger, Responsabile R&D presso l’Audi Battery Technology Center di Gaimersheim.
La ricarica? Più complicata di quel che sembra
Quando un elettrodo viene caricato, ciò non avviene in modo uniforme. Dove sono presenti più ioni di litio, l’elettrodo si carica più rapidamente. È qui che viene “letto” il livello d’energia. In condizioni ideali, l’intero elettrodo dovrebbe presentare il medesimo colore, ma ciò è possibile solo con componenti estremamente sottili, in grado d’immagazzinare una quantità minima d’energia.
“L’arte della ricarica rapida delle celle agli ioni di litio si basa su di una gestione estremamente precisa del flusso di corrente, così da non sovraccaricare l’anodo nelle parti dorate. Situazione che ne determinerebbe un rapido invecchiamento”, afferma Rieger. “Il nostro compito è far funzionare le celle agli ioni di litio in modo ottimale, ottenendo le autonomie e le prestazioni di ricarica migliori”. “Una volta soddisfatte le esigenze primarie sul fronte dell’autonomia, l’attenzione si sposta sulla seconda priorità: la velocità di ricarica”.
Il più possibile il prima possibile
I tecnici delle celle di Gaimersheim si trovano a gestire obiettivi confliggenti. “Abbiamo a disposizione un determinato package, nel quale vogliamo sia stoccata quanta più energia possibile”, afferma Rieger. “D’altro canto, però, vogliamo effettuare la ricarica il più rapidamente possibile. Lavoriamo per abbinare tempistiche di ricarica ultra fast a elevati livelli d’efficienza e durata. A Gaimersheim, l’attenzione non si concentra solo sulle celle. Non meno rilevanti sono le elettroniche di potenza, la gestione termica degli accumulatori e i componenti periferici ad alta tensione. “I sistemi sono sviluppati sin dall’inizio in funzione della ricarica rapida; intervenire successivamente alla fase di progettazione è molto difficile perché le performance complessive sono frutto dell’interazione di molteplici componenti”.
Purtroppo, maggiore è la densità d’energia, più lungo è il tempo per la ricarica. I tecnici delle celle si trovano pertanto a bilanciare i due aspetti, puntando solitamente a mantenere costante il tempo di rigenerazione a fronte di un progressivo incremento della densità energetica.
Per poter immagazzinare rapidamente molta energia, la capacità di ricarica è quindi un criterio decisivo.
E in più, garantire la massima sicurezza e affidabilità
Oltre alla densità energetica e alla potenza di ricarica, le celle devono soddisfare i più elevati standard in termini di durata e sicurezza. Gli stress test vengono effettuati dai tecnici sulla base di diversi profili di ricarica, in camere climatiche con temperature comprese tra -30°C e +60°C. “Eseguiamo le prime verifiche a partire da una fase molto precoce dello sviluppo di una vettura: circa quattro anni prima dell’inizio della produzione, così da poter apportare eventuali affinamenti”, spiega Rieger.
Per valutare gli effetti dell’invecchiamento sulle celle, queste vengono esposte a temperature elevate per 12 mesi. Un trattamento che equivale a un ciclo di vita di 15 anni in vettura. Parallelamente, speciali banchi prova simulano in breve tempo percorrenze di circa 300.000 chilometri. A ciò si aggiungono molteplici crash test e prove di sovraccarico. È possibile simulare un’infinita varietà di scenari d’impiego.
Oltre al test center, Gaimersheim ospita la produzione di batterie prototipali, come sottolineato da Rieger: “Qui disponiamo delle attrezzature necessarie per mettere a punto il concept e la strategia di funzionamento delle celle, così da ottenere caratteristiche ideali per le vetture full electric Audi”.
