La ‘batteria’, nell’accezione fino a qualche anno fa più comune della parola, ha sostanzialmente svolto il compito di fornire energia per l’avviamento del motore e per alimentare i servizi di bordo che fino a 15-20 anni fa erano fari, fanali, tergicristallo e gli accessori per il comfort dell’abitacolo.
La prima rivoluzione è arrivata con i primi sistemi Start&Stop, applicati in modo esteso all’inizio degli anni 2000, nonostante qualche tentativo (anche di Fiat) già negli anni ’80.
Da lì in poi il profilo di missione della batteria è cambiato: non solo è aumentato il numero di avviamenti, peraltro a caldo e quindi meno impegnativi in termini di corrente di spunto, ma è salito in modo esponenziale il fabbisogno energetico (centraline, clima, impianti audio e quant’altro) da mantenere operativo anche a motore (e quindi alternatore) fermo.
Questo ha portato l’utilizzo più esteso delle batterie AGM e lo sviluppo di quelle ad acido libero, oggi denominate EFB.
L’avvento dell’elettrificazione
Negli ultimi 5 anni il mondo dell’automotive si è ulteriormente evoluto, spostandosi verso l’elettrificazione dei veicoli dettata da sempre più restrittive norme sulle emissioni. Dunque, lo stoccaggio dell’energia elettrica in ‘serbatoi’ sufficientemente capienti è diventata un’esigenza primaria. Le batterie sono aumentate in numero, tipologia e chimica, e includono ancora quelle al piombo acido, che tuttavia hanno dovuto evolversi per adeguarsi
alle nuove esigenze energetiche. “La batteria tradizionale non è per ora in discussione”, esordisce Guido Scanagatta Senior Product Manager Transportation EMEA di Exide Technologies, “soprattutto quando sul veicolo c’è un motore endotermico che deve essere avviato a freddo. Questa condizione include ovviamente tutto il mondo del veicolo elettrificato, sia esso micro-ibrido, mild-Hybrid, full-hybrid o plug-in hybrid. Per robustezza, tolleranza agli abusi, costo e riciclabilità la scelta globalmente più conveniente resta quella di una batteria al piombo acido”.
Per la parte di powertrain elettrico, che richiede alta densità energetica, elevata autonomia e alta capacità di carica ci sono altre chimiche che affiancano la batteria al piombo acido, ma per ora non sostituiscono completamente quella per l’avviamento motore. “Si tratta di uno sviluppo in corso, non ci sono ancora degli standard condivisi tra i vari car maker, tuttavia sono in corso discussioni ai tavoli tecnici dei comitati nei quali Exide è presente, che riguardano il ruolo delle batterie al piombo in questo tipo di piattaforme, incluse quelle dei veicoli 100% elettrici”.
L’evoluzione del ‘piombo’
Dato per certo che la classica batteria fornirà ancora a lungo energia per l’automobile, vediamo oggi quali sono le principali aree in cui si è evoluta.
In questa analisi ci aiuta Luca Brisotto, Director OE Homologations & Requirements Analysis Transportation R&D di Exide Technologies: “Mentre fino a qualche anno fa gli impianti elettrici dei veicoli erano alimentati a 12V e la batteria, congiuntamente all’alternatore azionato dal motore endotermico, suppliva a tutte le necessità energetiche, con lo sviluppo di powertrain sempre più elettrificati le tensioni si sono alzate: 48V, 110V, 400V e anche oltre sono diventate indispensabili per fornire l’energia necessaria all’alimentazione dei motori elettrici di alta potenza senza dover utilizzare costosi e pesanti cablaggi di elevata sezione. Sulle auto che adottano i sempre più diffusi powertrain mild-hybrid, che operano normalmente a 48V, continua a esserci una powernet a 12V, sia per praticità tecnica – impianti e componenti consolidati, affidabili e stabili – sia per il costo: sostituire tutti i componenti attuali a 12V con altri a 48V sarebbe una vera rivoluzione. Ci sono studi e alcune applicazioni che prevedono l’adozione di un trasformatore DC/DC che consenta di erogare anche l’energia per i sistemi a 12V e si sta anche discutendo sull’adozione di starter a 48V anche per l’avviamento a freddo, ma a oggi non ci sono ancora indicazioni precise su quale sarà la strada da intraprendere”.
Aggiungiamo che le applicazioni mild-hybrid a 48V prevedono l’utilizzo del motore elettrico a 48V calettato direttamente sull’albero motore per gli avviamenti a caldo – situazione di Start&Stop – e il classico motorino a 12V calettato sul volano motore per i più impegnativi avviamenti a freddo.
“Pur con tutti i limiti di un dibattito tecnico ancora aperto, emerge comunque per il futuro il progressivo passaggio di ruolo della batteria a 12V, che da unità di ‘cranking’ (ovvero di avviamento) passerà a unità ausiliaria. Cosa questa fondamentale poiché molti dei carichi a bordo legati alla sicurezza, steering, braking e funzionalità interessate dallo sviluppo dei sistemi di guida autonoma, funzionano su base 12V. Sono sistemi che agiscono sulla sicurezza e devono quindi avere la loro funzionalità garantita anche in caso di guasti al pacco ad alta tensione o del trasformatore DC/DC. Da questo punto di vista, la classica batteria ha una funzione importante e per questo il suo sviluppo non si arresta. Non solo, in molti impianti la batteria a 12V è utilizzata come alimentatore dei relé di attivazione delle batterie ad alta tensione quando si avviano le auto completamente elettriche”.
C’è poi l’aspetto sicurezza che, come insegnano l’industria aeronautica e aerospaziale, si basa sulla cosiddetta ridondanza, ovvero per certe funzioni è previsto il raddoppio delle fonti di energia, proprio per ovviare ad eventuali anomalie nell’alimentazione.
“Con l’avvento dei livelli 3, 4 e 5 di guida autonoma ci sarà un proliferare del numero di batterie che svolgeranno la stessa funzione. In caso di incidente, col sistema che in automatico taglia la fornitura di energia ad alta tensione per ovvie ragioni, la batteria a 12V resta l’unica risorsa per alimentare tra le altre cose, l’emettitore di segnale SOS o lo sblocco delle serrature”.
Concludendo, non è escluso che in futuro, anche per semplificare gli impianti, si converga su un’unica tensione di alimentazione per gli ausiliari, ad esempio 48V, garantendo comunque con una batteria al piombo acido da 12V la functional safety (la sicurezza funzionale) che solo la ridondanza – del componente o del sistema di alimentazione – è in grado di garantire.
Batterie 12V o 24V: affidabilità assoluta
Per i car maker la soluzione della batteria al piombo a 12V o 24V resta una soluzione preferibile a quella di altre chimiche ad alta tensione abbinate a trasformatori DC/DC, vediamo il perché: “Innanzitutto per la robustezza, intesa all’inglese come tolleranza agli abusi quali sovraccarica, sottoscarica, alte o basse temperature di esercizio e vibrazioni. Per quanto abbia una densità di energia relativamente bassa rispetto al litio o altre chimiche, questa tecnologia al piombo è meno costosa e altamente riciclabile, cosa alla quale i Costruttori prestano sempre maggiore attenzione. Il piombo, soprattutto in Europa, è un materiale completamente riciclabile. In questo ambito le altre soluzioni rappresentano ancora una sfida, sia per la disponibilità di impianti e tecnologie, sia, quando queste siano disponibili, in termini economici”.
Dunque, dove si può, dove è conveniente, sicuro ed economicamente vantaggioso, la batteria al piombo resta la scelta vincente per tutte quelle soluzione dove non c’è il vincolo dell’elevata densità di energia e alta tensione tipici delle auto 100% elettriche.
Il futuro delle batterie al piombo
Nel settore industriale sono da anni utilizzati dei pacchi batteria al piombo per alimentare i motori elettrici di mezzi per la movimentazione, come ad esempio i carrelli elevatori che si devono muovere in aree chiuse proibite ai motori endotermici per ovvi motivi di emissioni.
Nelle auto sono stati introdotti in passato dei prototipi, anche se la tecnologia attuale, con le densità di energia necessarie ad alimentare ad alta tensione motori asincroni di potenza elevata, richiederebbe masse così elevate da essere incompatibili con gli spazi disponibili sul veicolo. Più semplice trovare soluzioni al piombo nei sistemi a 48V abbinate ad altre tecnologie per soddisfare il fabbisogno energetico del veicolo.
Fatta questa premessa, andiamo ad analizzare quali sono gli sviluppi futuri della batteria al piombo.
“Abbiamo due flussi di ottimizzazione e miglioramento delle batterie”, prosegue Luca Brisotto. “Uno riguarda quelle dedicate ai sistemi microibridi per i quali la ricerca si rivolge in particolare verso il miglioramento dell’accettazione di carica, in inglese charge acceptance, anche per ottemperare alle richieste normative in sede di omologazione del veicolo. Con l’introduzione del test WLTP, i sistemi di stoccaggio di energia devono avere la capacità di recuperare in modo veloce ed efficiente l’energia restituita dal veicolo, principalmente tramite la frenata rigenerativa. È questa un’area nella quale negli ultimi dieci anni si è lavorato molto e con ottimi risultati e che riteniamo abbia ulteriore margine di miglioramento”.
Per meglio comprendere questo concetto, basta ricordare che rispetto alle prime applicazioni Start&Stop, nelle quali era richiesta una elevata capacità di fornire energia in fase di scarica con la ricarica che poteva avvenire in tempi relativamente lunghi, oggi è necessario che l’energia di rigenerazione sia immagazzinabile nel modo più veloce possibile – e senza prelevare energia dall’alternatore – per poterla riutilizzare negli avviamenti e nelle accelerazioni. “I progressi sono stati enormi tanto che l’area sulla quale stiamo continuando a focalizzare la nostra ricerca è proprio quella di aumentare ulteriormente l’accettazione della carica, mantenendo gli alti livelli raggiunti di affidabilità e durata”.
Aftermarket: si devono fare i conti col parco circolante
“In Europa circa un terzo del parco circolante è costituito da veicoli dotati di Start&Stop; la maggioranza dei veicoli ne è privo”, aggiunge Scanagatta. “Le nuove immatricolazioni sono invece ormai quasi tutte dotate di dispositivi elettrici evoluti, dal più semplice Start&Stop in su, per intenderci. Il ricambio sarà sempre più rapido, ma parliamo comunque di un mercato che per due terzi ha bisogno di batterie tradizionali e lo avrà ancora per molti anni. Ciò non toglie che i benefici delle batterie di ultima generazione, tra cui l’accresciuta accettazione di carica, non sia sfruttabile anche su questo tipo di applicazioni. Anzi è dimostrato che l’aspettativa di vita di una batteria al piombo EFB di ultima generazione su un veicolo convenzionale è decisamente superiore rispetto a quella di una batteria al piombo tradizionale”.
Dunque, nel momento in cui si deve sostituire la batteria, ben venga un prodotto più moderno e performante, purché equivalente dal punto di vista chimico: “La raccomandazione fondamentale che ci sentiamo di fare per ogni vettura a ogni sostituzione è quella di assicurarsi di rimpiazzare la batteria di primo impianto con una batteria di tecnologia equivalente”, conclude Luca Brisotto. “Per tecnologia intendo dire che una AGM va sempre sostituita con una AGM e lo stesso vale per una EFB o una tradizionale. In quest’ultimo caso, la batteria tradizionale su veicoli convenzionali può essere sostituita da una EFB, in quanto anch’essa ad acido libero, nel caso in cui si desideri un prodotto più performante e duraturo. Questa regola si basa sul fatto che il sistema elettrico di un veicolo è progettato per quel certo tipo di tecnologia di batteria. Exide ha un servizio dedicato proprio alla scelta della batteria sostitutiva, tramite web o anche con una app per smartphone e tablet. Basta il numero di targa, o il numero di telaio o la selezione di produttore e modello per trovare la batteria Exide adatta. Occorre anche dire che, con gli impianti di ultima generazione, la sostituzione della batteria non è più un’operazione ‘fai da te’, poiché essa deve essere spesso riconosciuta e registrata nel software. Exide, come altri produttori che operano nel primo impianto, ha sviluppato i propri prodotti in base alle caratteristiche richieste alla batteria dai Costruttori e, di conseguenza, le riversa anche sui prodotti aftermarket, che diventano così al 100% compatibili, grazie all’impiego degli stessi processi produttivi”.
Da ‘charge acceptance’ a ‘dynamic charge acceptance’
L’accettazione di carica è sempre stato un parametro caratteristico delle batterie, ma solo con l’avvento dell’uso generalizzato della funzione Start&Stop e successivamente con le prime ibridizzazioni ha assunto un’importanza fondamentale nella caratterizzazione del componente.
“Fino a una decina d’anni fa si trattava di un’accettazione di carica di tipo statico: la prova consisteva nel portare la batteria al 50% della carica, lasciarla a 0°C per 24 ore quindi ricaricarla a 14,8V registrando l’andamento della corrente per un certo tempo”, ci ha spiegato Luca Brisotto.
“Era sostanzialmente un test che verificava la performance a bassa temperatura partendo da uno stato di carica relativamente basso. Un test divenuto oggi obsoleto in quanto i sistemi BMS (Battery Management System) odierni non permettono di raggiungere livelli di carica così bassi, essendo programmati per far lavorare le batterie tra il 65% e il 90% della carica massima. L’evoluzione della normativa, peraltro ancora in fase di revisione, ha creato una nuova metodologia di prova, definita ‘accettazione di carica dinamica’ (DCA), caratterizzata da cicli di carica e scarica più articolati, e che prevede, una volta validato il nuovo algoritmo, un allineamento con il ciclo di omologazione del veicolo, eseguito tramite test sui rulli di 30’ nei quali la batteria è inattiva per circa il 90% del tempo e ha solo il restante 10% per recuperare l’energia”.
Batterie al piombo: 100% riciclabili
Le batterie al piombo che hanno concluso il loro ciclo di vita sono classificate come ‘rifiuti pericolosi’ dal Catalogo Europeo dei Rifiuti e pertanto sono soggette a precisi obblighi gestionali.
Il Decreto Legislativo n.188 del 20 novembre 2008 definisce come eseguire il trattamento, lo stoccaggio e il trasporto dei rifiuti di pile e accumulatori, delegando ai produttori il sostegno ai mezzi di informazione verso i cittadini e la raccolta differenziata dei rifiuti, oltre a finanziare la realizzazione di impianti per il loro trattamento e riciclaggio.
Nel 2008 Exide ha ideato il programma ‘New Life’, frutto dell’esperienza maturata nella gestione di tre impianti di smaltimento e fusione in Europa, che consiste in un sistema di raccolta individuale e riciclo delle batterie esauste, gestito da una divisione aziendale dedicata.
New Life ha avviato una collaborazione con le più importanti realtà italiane del settore e ha consentito di creare un network di operatori diffuso su tutto il territorio.
Tutti i componenti della batteria vengono recuperati, in alcuni casi riutilizzati e in altri indirizzati ad usi diversi, sfruttando l’alta riciclabilità delle batterie, costituite per circa il 70% da piombo, riutilizzabile all’infinito, quando adeguatamente trattato, e da materiali plastici riciclabili più volte.
Gli operatori che intendono aderire a New Life possono richiedere al proprio distributore il modulo di adesione al programma, compilarlo e inviarlo a Exide, oppure rivolgersi al numero verde 800 828136.
All’operatore verrà consegnato un cassonetto per la raccolta delle batterie esauste che sarà periodicamente ritirato e sostituito con uno vuoto, nel rispetto dei requisiti stabiliti dalla legge, per l’assoluta tranquillità degli operatori.
Exide fornisce anche il supporto per la compilazione della modulistica (Formulario e scheda Sistri) evitando agli aderenti qualunque problema amministrativo o legale. Il sistema New Life può essere gestito online accedendo al sito https://it.newlife-exide.eu/index.php.
