C’è la teoria e poi c’è la realtà. La connessione tra loro può spesso essere tenue nella migliore delle ipotesi. Nel mondo delle auto elettriche, ogni pacco batteria ha un sistema di gestione della batteria che utilizza algoritmi per monitorare la sua salute generale e le condizioni operative. “L’algoritmo ti dice cose come se la tua batteria sta andando bene, o fino a che punto puoi guidare prima di dover ricaricare. Il problema è che gli algoritmi BMS sono progettati in condizioni di laboratorio ideali che non riflettono ciò che un pacco batteria vede nel mondo reale”, afferma Simona Onori, assistente professore di scienze e ingegneria energetica presso la Stanford Doerr School of Sustainability.
Per dimostrare il divario tra i test di laboratorio controllati e l’esperienza su strada effettiva, Onori e colleghi di Stanford hanno collaborato con i ricercatori del Volkswagen Innovation and Engineering Center situato vicino al campus universitario. “È probabile che gli algoritmi basati su dati di guida irrealistici siano imprecisi sul campo”, ha affermato Onori, autore principale dello studio. “Il nostro obiettivo è aumentare la longevità del pacco batteria progettando algoritmi addestrati da dati del mondo reale.”
I risultati della ricerca sono stati pubblicati il 18 agosto 2023 sulla rivista scientifica Joule (pagamento). Ecco una sintesi di quel rapporto:
“L’implementazione di algoritmi di stima e previsione dello stato di salute della batteria è fondamentale per garantire prestazioni affidabili dei veicoli elettrici a batteria. Gli algoritmi SoH sono progettati e addestrati dai dati raccolti in laboratorio su celle cicliche sotto carichi e temperature predefiniti.
“I dati sul pacco batteria raccolti in 1 anno di funzionamento del veicolo vengono utilizzati per definire ed estrarre indicatori di prestazioni/salute e correlarli alle reali caratteristiche di guida (abitudini di ricarica, accelerazione e frenata) e alla temperatura ambiente dipendente dalla stagione. Gli indicatori di prestazione durante gli eventi di guida e ricarica vengono definiti al momento di stabilire una pipeline di dati per estrarre i segnali chiave del sistema di gestione della batteria.
“Questo lavoro mostra il disallineamento esistente tra i test di laboratorio e l’effettivo utilizzo della batteria e l’opportunità che esiste nel migliorare i test sperimentali della batteria per deconvolure tempo e temperatura per migliorare le strategie di stima SoH”.
Cosa fa un sistema di gestione della batteria
Credito immagine: Stanford University tramite Joule
Un sistema di gestione della batteria oggi registra regolarmente i dati durante la frenata, l’accelerazione, la decelerazione e la ricarica. Il segreto per una lunga durata delle batterie ricaricabili potrebbe risiedere nella comprensione delle differenze tra le singole celle nel funzionamento nel mondo reale. Un nuovo modello di come le celle agli ioni di litio in un pacco si degradano mostra un modo per adattare la ricarica alla capacità di ciascuna cella in modo che le batterie dei veicoli elettrici possano gestire più cicli di ricarica e una maggiore durata.
“La guida nel mondo reale è specifica del guidatore”, afferma il coautore Gabriele Pozzato, un ingegnere ricercatore di Stanford. “Potresti essere un guidatore aggressivo o qualcuno che carica solo parzialmente la propria auto. Diversi stili di guida e di ricarica si tradurranno in diverse traiettorie di degrado della batteria. Tuttavia, quel tipo di dati sul campo non è incluso negli algoritmi delle batterie convenzionali”.
Per lo studio, la Volkswagen ha fornito al team di Stanford circa 3.750 ore di dati di guida BMS raccolti da un SUV Audi e-tron completamente elettrico guidato nella San Francisco Bay Area per un anno, da novembre 2019 a ottobre 2020. Tali dati hanno consentito alla Stanford squadra per calcolare la resistenza elettrica nel pacco batteria durante quel periodo. I dati hanno permesso al team di valutare due metriche chiave della batteria: energia e potenza.
“L’energia ti dà l’autonomia, o quanti chilometri puoi percorrere con una batteria completamente carica”, afferma Pozzato. “Il potere è la capacità di estrarre energia rapidamente. Quando acceleri, vuoi avere accesso all’energia e scaricare la batteria molto velocemente. Meno resistenza elettrica hai nella batteria, più potenza hai.
Per calcolare la resistenza, i ricercatori hanno misurato i bruschi cambiamenti di corrente e tensione nel pacco batteria utilizzando i dati di 529 eventi di accelerazione e 392 eventi di frenata durante l’anno. Hanno anche calcolato l’impedenza, una misura della resistenza durante la ricarica della batteria, analizzando 53 sessioni di ricarica. “L’impedenza e la resistenza sono generalmente considerate metriche della salute della batteria”, ha affermato Onori. “Più guidi, più aumenta la resistenza. Questo di solito si traduce in una minore potenza disponibile dal pacco batteria, ma non è quello che abbiamo visto.
Un modello più complesso è emerso quando i ricercatori hanno aggiunto i dati meteorologici stagionali al mix. Hanno scoperto che la resistenza elettrica diminuiva nei mesi più freddi e aumentava costantemente in primavera e in estate, un’indicazione che la salute della batteria migliora con l’aumentare della temperatura.
“Le temperature più elevate aumentano la capacità della batteria, quindi hai la sensazione che l’auto abbia più energia e che tu possa percorrere più chilometri”, ha detto Onori. “Ma se continui a utilizzare la batteria ad alte temperature, si degraderà più velocemente. Questi sono fattori molto complicati che influenzano le prestazioni. L’anno prossimo espanderemo il nostro set di dati a una flotta di veicoli per determinare esattamente come la temperatura e l’invecchiamento si influenzano a vicenda”.
Teoria vs. La realtà
Le case automobilistiche si affidano agli algoritmi di gestione della batteria convenzionali progettati in condizioni di laboratorio ideali. Utilizzando l’apprendimento automatico, questi algoritmi in genere monitorano i dati sulle prestazioni di una singola cella della batteria da 4 volt che si carica e si scarica continuamente a una temperatura costante finché non si esaurisce. Ma i dati sul campo Audi sono stati raccolti da un pacco batteria da 396 volt alimentato da 384 celle.
“I nuovi algoritmi dovrebbero concentrarsi sull’intero pacco batteria e non sulle singole celle”, afferma Onori. “Vogliamo progettare algoritmi che istruiscano i conducenti su come aumentare la durata del pacco batteria, che è il componente più costoso del veicolo. Ad esempio, potresti avvisare i conducenti se stanno caricando troppo velocemente o accelerando in modo troppo aggressivo. Si può imparare così tanto dai dati sul campo per rendere gli algoritmi BMS più robusti”.
Lo studio è stato assistito dai membri del Volkswagen Innovation and Engineering Center di Belmont, in California, a pochi passi dal campus di Stanford. Le risorse computazionali sono state fornite dallo Stanford Research Computing Center. Gli autori hanno depositato tre domande di brevetto relative a questo lavoro.
Il da asporto
Questa ricerca è un esempio di come nuove informazioni possano portare a nuove intuizioni su come massimizzare le prestazioni delle batterie per auto elettriche. L’era dei veicoli elettrici oggi riguarda la transizione ai motori a combustione interna avvenuta un secolo fa. Mentre la teoria è che il motore di una Ford del 1923 funzionasse secondo gli stessi principi di base del motore di una Ford F-150 del 2023 – spesso ridotto alla frase ultra semplicistica “Suck, Push, Bang, Blow” – la realtà è il moderno motore è anni luce avanti rispetto al suo predecessore in termini di estrazione della massima quantità di energia da una goccia di benzina.
La tecnologia dei veicoli elettrici sta seguendo un percorso simile di costante miglioramento. Studi come questo a Stanford aiuteranno le future auto elettriche a massimizzare le prestazioni e la longevità dei loro pacchi batteria. Un migliore sistema di gestione della batteria può essere fondamentale per consentire ai veicoli elettrici di esportare l’energia immagazzinata per alimentare carichi esterni senza ridurne la vita utile.
Le teorie sono ottimi punti di partenza, ma non c’è alcun sostituto per l’esperienza del mondo reale.
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