C’è una “second life” per le batterie delle auto elettriche, che potranno essere riutilizzate negli storage delle infrastrutture di rete o in veicoli più piccoli. Ci ha pensato Analog Devices – multinazionale americana attiva nella produzione di semiconduttori e di circuiti integrati – con la soluzione Battery Management System (Bms). Perché i carmaker avevano un problema da risolvere: dal momento che il costo della batteria incide per un terzo su quello complessivo dell’auto, le prestazioni e la durata dell’accumulatore diventano il principale fattore di successo del veicolo green.
Ma una batteria deve funzionare a centinaia di volt per essere efficiente; e poiché le celle al litio forniscono pochi volt, queste vanno collegate in un unico stack, sapendo che se ne muore una il blocco è da buttare. E che le celle funzionano bene senza indebolirsi solo in un intervallo di carica tra il 15% e l’85%. Il BMS misura le tensioni di cella, la temperatura e i profili di corrente, e grazie ad algoritmi complessi inseriti in un microprocessore è in grado di stabilire lo stato di carica e di salute delle batterie. Con un monitoraggio molto preciso l’energia utilizzabile può aumentare sino a un 15%, e con un consumo intelligente ed entro i limiti di corretta fruizione, la vita dell’accumulatore supera quella del veicolo al quale era destinata. Ne parla Patrick Morgan, vice president automotive electrification & infotainment di Analog Devices.
L’imponente estensione dell’ecosistema dell’elettrificazione
«Electrification? Is much more than the car» – ha affermato Morgan. In effetti, per elettrificazione si intende un vasto ecosistema. Riguarda la produzione e lo storage di energia elettrica, e quindi anche il consumo da fonti rinnovabili: in proposito, l’Unione Europea «ha fissato il target del 32% entro il 2030». Poi c’è il tema delle smart grid, la rete di distribuzione “intelligente” dell’energia, per minimizzare le carenze e i sovraccarichi e garantire la continuità. Ancora, le infrastrutture per la ricarica. «Sono previsti due milioni di appositi charging point entro il 2025 in Europa» – ha chiarito Morgan. Inoltre, c’è un argomento di rilevanza mondiale, riguardo al quale il Vecchio Continente sembra scontare un notevole ritardo: quello dell’industria per la produzione delle batterie. Secondo Morgan, «attualmente, solo il 3% delle fabbriche che si occupano di batterie ha sede in Europa».
È un tema complesso. La Cina dispone di enormi riserve di litio, elemento chimico che gioca un ruolo centrale nella realizzazione delle batterie per auto. Con il litio si ottengono gli accumulatori a 700 volt; con la ricerca si sta estendendo sempre più la durata e l’usability della singola ricarica. Negli ultimi anni, la Germania ha dominato il mondo delle auto con motori tradizionali; il rapido cambiamento imposto da nuove normative nazionali e internazionali, tendenti all’eliminazione del diesel e al passaggio all’elettrico, non ha consentito all’industria europea di mettersi al pari con la questione delle batterie. Occorrono investimenti miliardari, che possono essere realizzati solo ricorrendo a ampie partnership tra industria continentali. «Ci aspettiamo che l’inerzia europea in fatto di batterie termini rapidamente – ha commentato Morgan -: si assisterà a significativi cambiamenti nei prossimi anni». Ancora, c’è il car manufacturing. «Il cambiamento di paradigma – ha sottolineato Morgan – dovrebbe dar vita a 14 milioni di posti di lavoro a livello continentale». Infine, i regolamenti Eu sull’ambiente. Questi, come vedremo, hanno un grande peso sull’elettrificazione, tanto da modificarne costi e prospettive. Secondo Morgan, «in realtà l’ecosistema dell’elettrificazione dell’auto guiderà la crescita nei prossimi anni, a livello globale».
Il ruolo di Analog Devices nell’ecosistema
Secondo Morgan, «Analog Devices dispone di tecnologie che riguardano tutto l’ecosistema dell’elettrificazione». Per esempio, sempre per Morgan, piattaforme di storage dell’energia in grado di aumentare le performance del 30%; o ancora, inverter powertrain che possono fornire una potenza pulita e stabile; inoltre, un sistema di ricarica capace di distribuire sino a 350kW, in modo sicuro. Ma soprattutto, una soluzione importante per le batterie: un sistema in grado di seguirne l’intero ciclo di vita dalla formazione, tanto da garantire loro una “seconda vita”. Analog Devices punta molto su questa tecnologia, che a suo avviso avrà una portata dirompente sui mercati.
La batteria al centro del sistema dell’auto elettrica: la “second life”
Se la macchina tradizionale ruota attorno alla meccanica del motore, quella elettrica dipende in gran parte dalla qualità e dal valore economico delle batterie. «Quelle agli ionio di litio – ha affermato Morgan – rappresentano circa un terzo dell’intero costo del veicolo; un asset (sic!) che attualmente non può pesare meno di 10mila dollari ad auto». Inevitabilmente, la ricerca e lo sviluppo si concentrano sui nuovi accumulatori, e su soluzioni che ne incrementino l’efficienza e che ne prolunghino la vita. Se si vogliono realizzare batterie sicure e ad alta qualità occorrono controlli precisi, in termini di parametri chimici, nel momento della realizzazione. Anche in fase di stoccaggio e di trasporto, le batterie devono essere sempre monitorate, perché la temperatura e altre condizioni ambientali possono incidere sulla loro funzionalità. Bisogna inoltre curare un corretto inserimento nell’auto. Dopodiché inizia la partita più importante. Una volta che la batteria è in azione e il veicolo è su strada, si tratta di massimizzare l’energia disponibile, per incrementare la usable energy, la capacità di carica e per allungare la vita dell’accumulatore.
In tutte le fasi ma soprattutto in questa entra in gioco il Battery Management System (Bms) di Analog Devices. Questo monitora i profili di corrente e tensione, perché il sovraccarico può causare un incendio o l’esplosione della batteria e comunque la rende inutilizzabile; e perché la qualità della gestione influisce direttamente – assicurano da Analog Devices – sui km per carica che un veicolo può realizzare: il sistema di distribuzione “intelligente” dell’energia garantisce infatti il 10%-15% di usable energy in più. È una questione tutt’altro che semplice, spiegano da Analog Devices: un sistema a batteria che dovrebbe fornire più di cento chilowatt di energia con la semplice pressione di un pedale deve funzionare a centinaia di volt per essere efficiente. Tuttavia, le celle della batteria al litio forniscono solo pochi volt. Per estrarre abbastanza energia, un gran numero di celle della batteria vanno collegate insieme in serie in un unico stack. Un tipico veicolo elettrico può impiegare 100 singole celle della batteria, erogando 350 volt nella parte superiore dello stack.
E questo presenta alcune sfide. Se una cella muore nella pila di batterie, tutte sono perdute. Quindi, è necessario monitorarle e gestirle tutte ogni giorno di vita del veicolo, nella carica e nella scarica. Ma le celle della batteria al litio non possono essere utilizzate al massimo della loro portata: devono anzi essere mantenute in un intervallo molto specifico, dal 15% all’85%, altrimenti si indeboliscono. Se utilizzate entro questi limiti di carica, possono invece durare a lungo. E anzi superare la vita stessa del veicolo, rendendosi pertanto disponibili per una “second life”, sia come accumulatori per auto che negli storage, che servono a dare equilibrio alla rete di distribuzione. Oltre che le tensioni e i profili di corrente, Bms rileva anche le temperature di ritorno, lo stato di carica e di salute delle batterie: lo fa grazie ad algoritmi complessi inseriti in un processore. È tutto visibile, su una apposita interfaccia di comunicazione. L’elettronica è collegata a ciascuna cella dello stack dal momento della formazione delle batterie. Secondo Morgan, «grazie ai nostri sistemi di monitoraggio, non sono state immesse nel mondo, ad oggi, 75 milioni di tonnellate di Co2. È una cosa della quale andiamo particolarmente fieri». Peraltro, c’è un ultimo motivo per cui sistemi come Bms sono centrali: «Le prossime regolamentazioni in materia richiederanno che il fermo dell’auto a causa di problemi di carica sia annunciato 5 minuti prima, per evitare pericoli. Dunque, occorrono strumenti in grado di vagliare e rilevare condizioni di instabilità». Va infine sottolineato che in futuro i chip che monitorano l’intero pacco batteria comunicheranno tra loro in modalità wireless; con un network a onde ultra-corte. Ma questo, appunto, è il futuro.
La soluzione olistica per la guida autonoma
Un sistema a batteria che dovrebbe fornire più di cento chilowatt di energia con la semplice pressione di un pedale deve funzionare a centinaia di volt per essere efficiente. Tuttavia, le celle della batteria al litio forniscono solo pochi volt. Per estrarre abbastanza energia, un gran numero di celle della batteria sono collegate insieme in serie come un unico stack
Sempre in tema di automotive, il 21 febbraio 2017 Analog Devices ha annunciato il lancio di una nuova tecnologia, Drive360, una piattaforma che mette insieme sistemi di rilevamento della percezione Radar, Lidar (che consente di valutare la distanza di un oggetto grazie ad un impulso laser) e misuratori inerziali per raccogliere informazioni sull’ambiente circostante e identificare oggetti e situazioni pericolose. Secondo Analog Devices, è la struttura di base per futuri modelli avanzati di assistenza alla guida. Per l’azienda, la piattaforma supporta una serie di applicazioni tra cui casi d’uso di fascia alta e di lungo raggio necessari per la guida autonoma, frenata di emergenza automatica da corto a medio raggio, rilevamento di punti ciechi, avvisi di traffico incrociato e parcheggio autonomo a corto raggio.
Analog Devices, peraltro, si sta concentrando anche su altri aspetti, come ad esempio l’infotainment. Per Morgan, «nello scorso secolo il guidatore guardava la strada; dal 2012, è l’auto a guardare la strada, per chi ha installato un’adeguata strumentazione; oggi, poi, l’auto può guardare il guidatore». Nel senso che particolari sensori possono raccogliere informazioni essenziali sul comportamento del driver: è in condizioni di guidare? Chiude gli occhi a causa dell’affaticamento? In un contesto futuro, infine, quando salire in auto sarà come andare in treno, visto che il veicolo non avrà bisogno di un driver, assumeranno rilievo particolari soluzioni audio che garantiscono un’esperienza immersiva: con la cancellazione dell’eco acustico e di tutti i rumori molesti e con l’audio zoning, e cioè con la concentrazione del suono in una parte specifica dell’abitacolo, senza disturbare i non interessati ad una certa musica o comunicazione. È una questione di algoritmi, che l’azienda ha già sviluppato.
