Come funziona una batteria start-stop per autoveicoli?

Come Ha un sistema di avviamento e arresto automatico Batteria - Al lavoro?

Un sistema di avviamento e arresto aggiunge un ulteriore carico, seppur modesto, al già gravoso ciclo di utilizzo della batteria di avviamento tradizionale. La batteria ausiliaria da 12 V (o 24 V) sotto il cofano deve spegnere il motore a ogni semaforo, riavviarlo non appena il conducente rilascia il pedale del freno, alimentare l’elettronica dell’abitacolo durante ogni fase di spegnimento del motore e assorbire impulsi irregolari ad alta corrente provenienti dall’alternatore e dal sistema di frenata rigenerativa per il resto del tempo. Nessuno di questi compiti esisteva nel vecchio ciclo di utilizzo, basato su un singolo avviamento per ogni viaggio.

Per comprendere il funzionamento di una batteria per sistema di avviamento e arresto, è più utile analizzare il sistema in cui è inserita piuttosto che la sua composizione chimica interna. La chimica è comunque rilevante — una batteria al piombo-acido convenzionale non sopravvive a questo ciclo di utilizzo, mentre le batterie EFB o AGM rappresentano attualmente la soluzione consolidata, e le batterie a ioni di sodio sono ora oggetto di valutazione come terza opzione — ma la chimica assume importanza solo in relazione alle richieste specifiche che il sistema pone alla batteria.

Questo articolo descrive il ciclo di lavoro reale: ciò che accade dal momento in cui un veicolo si ferma a un semaforo fino al momento in cui accelera allontanandosi, dove la batteria viene scaricata, dove viene ricaricata, cosa sta facendo il sistema di gestione della batteria (BMS) e quali richieste ogni fase del ciclo pone alle celle.

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Che cosa Accade Durante un ciclo di avviamento- Arresto?

Un ciclo completo di avviamento-arresto è breve — di solito inferiore a — ma mette alla prova quasi tutte le specifiche della batteria contemporaneamente.

• Il veicolo si avvicina a una fermata. Il veicolo sta rallentando. L’alternatore viene spesso commutato in modalità rigenerativa, immettendo corrente di carica nuovamente nella batteria. La tensione ai morsetti della batteria aumenta tipicamente durante questa fase.

• Motore spento in folle. Quando il veicolo si ferma completamente e il pedale del freno viene tenuto premuto (oppure, in alcuni sistemi, quando il veicolo è in rilascio), l’unità di gestione motore ordina lo spegnimento del motore. Il motorino di avviamento e la corona dentata sono ora pronti per la successiva accensione. La corrente della batteria passa dall’alternatore al sistema elettrico del veicolo.

• Finestra di spegnimento motore. Fari, ventilatore del climatizzatore, sistema infotainment, quadro strumenti, sensori di parcheggio, moduli di controllo carrozzeria e una lunga lista di altre unità di controllo elettronico (ECU) continuano a assorbire corrente. Questo è il carico di riposo o carico accessori, che su un veicolo moderno può facilmente superare diversi ampere.

• Il conducente rilascia il freno (oppure preme l’acceleratore). Il motorino di avviamento si innesta e avvia il motore. L’assorbimento di corrente raggiunge un picco di diverse centinaia di ampere per una frazione di secondo fino a qualche secondo. La tensione della batteria cala durante questo picco.

• Riavvio del motore. La combustione riprende, l’alternatore torna in funzione e la corrente di ricarica fluisce nuovamente nella batteria. La tensione si ripristina, quindi il ciclo si ripete alla successiva sosta.

Questi cinque eventi si ripetono decine o centinaia di volte per ogni tragitto urbano. Inoltre, i tempi di attivazione, il prelievo di corrente, la temperatura e lo stato di carica variano nel corso della giornata e nelle diverse stagioni. Questa variabilità rappresenta la parte più gravosa dell’intero ciclo di utilizzo.

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Perché il Batteria È al centro del sistema start-stop

In un veicolo privo di sistema start-stop, la batteria ha soprattutto una funzione di riserva. L’alternatore alimenta il sistema elettrico quando il motore è in funzione, mentre la batteria serve unicamente ad avviare il motore all’accensione e a soddisfare brevi richieste elettriche quando il motore è spento. Lo stato di carica rimane quasi sempre prossimo al massimo e la batteria raramente deve fare altro che erogare, nell’arco della sua vita, poche centinaia di brevi impulsi ad alta corrente.

La funzione start-stop inverte tale priorità. Ora la batteria è chiamata a essere una componente attiva del sistema, non più un semplice ausilio di riserva. Alimenta l’abitacolo mentre il motore è spento, accetta cariche irregolari provenienti dalla frenata rigenerativa e avvia nuovamente il motore decine o centinaia di volte per ogni viaggio. L’intera architettura elettrica del veicolo è stata progettata in base alle prestazioni che la batteria è in grado di offrire, e non viceversa. È per questo motivo che la scelta della batteria per un programma start-stop risulta più impegnativa rispetto alla scelta per un programma privo di tale funzione.

Nel caso specifico di un programma basato su batterie al sodio-ion, la questione non è se la chimica al sodio-ion sia in grado di avviare un motore (lo è), bensì se tale chimica possa sostenere, per migliaia di cicli, l’accettazione irregolare della carica, il funzionamento a stato di carica parziale e l’esposizione termica tipica del vano motore.

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Tre compiti di una funzione start-stop Batteria Deve DO in un Sin gLE Ciclo

Una batteria start-stop deve svolgere tre compiti che si sovrappongono durante un intero percorso. Ogni compito sollecita la batteria in modo diverso, e una chimica che eccelle in uno di essi potrebbe avere difficoltà con un altro.

• Fornire un picco di corrente elevata per l’avviamento. Quando il motore si riavvia, il motorino di avviamento assorbe diverse centinaia di ampere per una frazione di secondo fino a qualche secondo. La tensione della batteria deve rimanere al di sopra della soglia richiesta dal motorino di avviamento per tutta la durata del picco, anche a temperature inferiori allo zero. La resistenza interna e il comportamento di scarica a basse temperature determinano se la batteria è in grado di fornire tale picco nel momento più critico.

•Alimentare il sistema elettrico mentre il motore è spento. Il carico degli accessori moderni del veicolo —ventola del climatizzatore, sistema infotainment, fari, sensori, controllo carrozzeria —può ammontare a diversi ampere in modo continuo. Una batteria start-stop deve coprire tale carico per ogni intervallo di spegnimento del motore, spesso senza alcun supporto dall’alternatore. Gli intervalli prolungati di spegnimento del motore nel traffico intenso rappresentano il caso peggiore per questo compito.

• Accettare ricarica dall’alternatore e dalla frenata rigenerativa. L’accettazione della ricarica è la parte del ciclo di utilizzo più sensibile alla chimica della batteria. L’alternatore invia impulsi ad alta corrente nella batteria ogni volta che il motore si riavvia e durante le fasi di decelerazione; la frenata rigenerativa aggiunge impulsi irregolari ad alta corrente in molti sistemi moderni start-stop. La batteria deve assorbire tali impulsi senza produrre gas, senza surriscaldarsi e senza subire danni a lungo termine alle celle.

Questi tre compiti si sovrappongono in un singolo tragitto. Alla batteria viene richiesto di avviare il motore, rimanere a uno stato di carica parziale, accettare ricarica, avviare nuovamente il motore e accettare ulteriore ricarica, spesso decine di volte prima che il veicolo venga spento. Una chimica che funziona bene su un compito ma si degrada rapidamente negli altri non è la soluzione adatta per questo ciclo di utilizzo.

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Avviamento, stabilità della tensione e Margine in condizioni di freddo

Le prestazioni di avviamento sono indicate in ampere di avviamento a freddo (CCA) e in ampere di avviamento (CA). Entrambi i valori indicano la quantità di corrente che la batteria è in grado di erogare a una determinata temperatura per una durata definita, mantenendo la tensione al di sopra di una soglia prefissata. Il valore CCA, misurato a −18 °C (o 0 °F), è il valore standard relativo alle condizioni climatiche fredde riportato sulla maggior parte delle etichette delle batterie automobilistiche.

Per un veicolo con sistema start-stop, il CCA rilevante non è soltanto quello richiesto all’avviamento iniziale. È piuttosto il CCA che la batteria è ancora in grado di erogare dopo migliaia di cicli parziali e dopo mesi di esposizione alle temperature del vano motore. La resistenza interna aumenta con l’invecchiamento della batteria e con la diminuzione dello stato di carica; pertanto, il margine di avviamento a basse temperature disponibile il primo giorno non corrisponde al margine disponibile al terzo anno di servizio. La chimica a ioni di sodio ha dimostrato, nei test pubblicati, un utile comportamento di scarica a basse temperature, motivo per cui questa chimica sta ricevendo crescente attenzione nei programmi automobilistici destinati ai climi freddi.

La stabilità della tensione durante l’impulso di avviamento è importante quanto la corrente di picco. Il motore di avviamento necessita che la tensione rimanga al di sopra della sua soglia operativa per tutta la durata dell’impulso; una chimica la cui tensione cala sotto carico costringe il motore di avviamento a lavorare di più, rallenta la fase di avviamento e comporta il rischio di mancato avviamento. Il profilo di tensione piatto della maggior parte delle celle a ioni di sodio e a ioni di litio durante un impulso ad alta corrente rappresenta un vero vantaggio ingegneristico rispetto alla chimica al piombo-acido, nella quale la tensione diminuisce in modo evidente sotto carico di avviamento.

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Accettazione della carica e alternatore comportamento dell’alternatore

L'accettazione della carica è la fase del ciclo di funzionamento in cui i programmi delle batterie per autoveicoli hanno maggiori probabilità di fallire. L'alternatore e il sistema di frenata rigenerativa immettono corrente nella batteria mediante impulsi irregolari, e la batteria deve assorbire tali impulsi senza subire danni. Una batteria al piombo-acido a liquido si degrada rapidamente con questo schema: impulsi ad alta corrente a stato di carica parziale accelerano la corrosione della griglia, la solfatazione delle piastre e la perdita d'acqua. Le batterie EFB e AGM sono state sviluppate appositamente per gestire questo schema, motivo per cui i costruttori automobilistici hanno inizialmente adottato queste chimiche per i sistemi start-stop.

La chimica a ioni di sodio gestisce le impulsi di carica ad alta corrente in modo diverso. Le celle a ioni di sodio possono generalmente accettare una velocità di carica elevata senza subire gli stessi problemi di corrosione della griglia o solfatazione delle piastre che affliggono le batterie al piombo-acido. Ciò conferisce alla chimica a ioni di sodio un’adeguatezza strutturale rispetto alle frenate rigenerative e agli impulsi di carica dell’alternatore tipici della guida start-stop. Se questo vantaggio si manifesti effettivamente nell’uso reale dipende dalla specifica chimica della cella, dalla famiglia del catodo, dal formato della cella, dalla strategia di controllo del BMS e dall’integrazione nel veicolo: non è automatico, e l’acquirente dovrebbe ricercare dati di validazione riferiti esattamente allo stesso profilo di impulsi di carica generato dal veicolo reale.

L'accettazione dinamica della carica — ossia la quantità di corrente che una batteria può accettare a stato di carica parziale, in condizioni di freddo e al termine di un lungo intervallo con motore spento — rappresenta la versione più impegnativa di questa stessa domanda. Le batterie EFB sono state progettate per migliorare l'accettazione dinamica della carica rispetto alle batterie al piombo-acido tradizionali; le batterie AGM la migliorano ulteriormente. La chimica a ioni di sodio ha dimostrato, nei test pubblicati, un’accettazione dinamica della carica utile, ma i valori effettivi variano notevolmente a seconda del design delle celle e, in servizio, il ciclo di utilizzo ha un’importanza maggiore di qualsiasi dato ottenuto in laboratorio.

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Stato di carica parziale, SOC, un d SOH Monitoraggio

Le batterie start-stop raramente operano al 100% del loro stato di carica. L’alternatore e la frenata rigenerativa ricaricano la batteria durante il percorso, ma le fasi di spegnimento del motore, i carichi degli accessori e le richieste di avviamento riducono il livello di carica a circa il 70–80% per la maggior parte della vita utile. Questa è la zona operativa peggiore per una batteria al piombo-acido aperta: la solfatazione si accelera a stato di carica parziale, la capacità diminuisce più rapidamente e i margini di avviamento a freddo si riducono.

I moderni sistemi start-stop monitorano la batteria tramite un sistema di gestione della batteria (BMS), talvolta denominato modulo sensore batteria o sensore intelligente batteria nella documentazione dei produttori originali. Il BMS rileva lo stato di carica (SOC), lo stato di salute (SOH), la temperatura e il flusso di corrente. Utilizza questi dati per decidere se il motore deve spegnersi alla prossima sosta, se l’alternatore deve caricare a tensione più alta o più bassa, e quando avvisare il conducente che la batteria necessita di sostituzione.

Per un programma di avviamento/arresto con celle a ioni di sodio, il sistema di gestione della batteria (BMS) non è opzionale. Le celle a ioni di sodio richiedono l’equalizzazione delle celle, limiti di tensione e corrente alle temperature elevate e basse, e protezione contro la scarica eccessiva durante le lunghe fasi di spegnimento del motore. Il BMS deve inoltre comunicare con il sistema elettrico del veicolo affinché l’alternatore e il controllore della frenata rigenerativa possano modulare gli impulsi di carica in base allo stato effettivo della batteria, e non secondo un profilo generico di una batteria al piombo-acido allagata. Gli acquirenti che valutano le celle a ioni di sodio per applicazioni di avviamento/arresto dovrebbero prestare particolare attenzione all’integrazione del BMS nel veicolo, non soltanto alla chimica delle celle.

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Temperatura, vano motore e sollecitazione termica

La maggior parte delle batterie ausiliarie per autoveicoli è installata nel vano motore o subito al di fuori di esso. Tali batterie sono esposte a un ampio intervallo di temperature: notti invernali fredde a meno decine di gradi Celsius, temperature estive nel vano motore che possono superare i 60 °C, e condizioni intermedie che cambiano rapidamente tra i due estremi. Una batteria start-stop deve funzionare su tutto lo spettro, e le richieste in ciascun estremo sono diverse.

A basse temperature, la batteria deve avviare il motore quando la resistenza interna è massima. È qui che il comportamento di scarica a basse temperature della chimica sodio-ione, documentato nella letteratura, diventa un vantaggio strutturale. Ad alte temperature, la batteria deve accettare impulsi di carica, rimanere a uno stato di carica parziale e sopravvivere a lunghi periodi con motore spento senza subire un invecchiamento accelerato nel tempo. L’invecchiamento nel tempo è la perdita graduale di capacità che avviene indipendentemente dall’uso della batteria e si accelera a temperature più elevate per la maggior parte delle chimiche.

Un acquirente dovrebbe cercare dati sulle celle a ioni di sodio che coprano entrambi gli estremi di questo intervallo: la validazione dell’avviamento a freddo in condizioni climatiche rigide, alle temperature effettive di impiego dei veicoli, e i dati sull’invecchiamento da calendario ad alta temperatura, che supportino la garanzia pluriennale prevista dal programma. I valori ottenuti su banco a 25 °C non sostituiscono né l’uno né l’altro.

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Ciò che questa esigenza richiede alla chimica della batteria

Ricostruendo il ciclo operativo nel suo complesso, una chimica per batterie start-stop deve garantire, nell’uso reale e non solo su banco di prova, cinque prestazioni fondamentali.

• Avviamento affidabile a basse temperature dopo migliaia di cicli parziali e per anni di esposizione al vano motore.

• Elevata capacità di accettazione della carica sotto il profilo irregolare degli impulsi generati dall’alternatore e dalla frenata rigenerativa, a stato di carica parziale e su un ampio intervallo di temperature.

• Erogazione stabile dell’alimentazione agli accessori durante lunghi periodi di spegnimento del motore, senza spingere la batteria verso una profondità di scarica dannosa.

• Lunga durata da calendario a temperature ambiente temperature di gine-bay, non solo a temperatura ambiente.

• Coordinamento del BMS in modo che il sistema elettrico del veicolo possa modulare gli impulsi dell’alternatore e della frenata rigenerativa in base allo stato reale della batteria.

Questi cinque requisiti spiegano perché le batterie al piombo-acido allagate non sono più la soluzione adeguata per la maggior parte dei programmi start-stop, perché le tecnologie EFB e AGM sono diventate le opzioni consolidate e perché ora si sta valutando seriamente la chimica a ioni di sodio. Se quest’ultima rappresenti la soluzione ottimale per un determinato programma dipende da come la chimica viene integrata nel veicolo, da come viene tarato il BMS e da come viene convalidato il ciclo di utilizzo — non semplicemente dall’etichetta della chimica.

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Perché la chimica a ioni di sodio si adatta bene al servizio start-stop

La chimica a ioni di sodio presenta una corrispondenza strutturale significativa con il ciclo di utilizzo start-stop per tre motivi che si allineano direttamente ai cinque requisiti sopra elencati.

• Comportamento di scarica a basse temperature. I test pubblicati su diverse famiglie di catodi a ioni sodio dimostrano che la chimica a ioni sodio mantiene una capacità utile e una resistenza interna inferiore a temperature inferiori allo zero, esattamente dove conta di più l’avviamento in condizioni di freddo. Ciò corrisponde al requisito di avviamento in condizioni di freddo.

• Tolleranza agli impulsi di carica. Le celle a ioni sodio tollerano elevate velocità di carica senza subire lo stesso tipo di corrosione della griglia o danni da solfatazione cui è soggetta la chimica al piombo-acido. Con un sistema di gestione delle batterie (BMS) adeguatamente tarato, ciò soddisfa il requisito di elevata accettazione della carica.

• Maturità adeguata per batterie ausiliarie. Il il ciclo operativo start-stop non richiede la densità energetica tipica delle batterie di trazione. La chimica a ioni sodio non deve eguagliare la densità energetica di NMC o LFP per fornire prestazioni utili come batteria ausiliaria a 12 V o 24 V, e la curva di maturità delle celle a ioni sodio si adatta bene a questo ciclo operativo. Ciò soddisfa i requisiti relativi alla durata nel tempo e alla coordinazione con il BMS, entrambi affrontabili a livello di chimica e di filiera da un programma di celle a ioni sodio.

Un acquirente che entra in un programma start-stop a ioni di sodio consapevole di questi tre vantaggi strutturali —e consapevole della diligenza del fornitore richiesta dalla chimica in fase iniziale —si trova in una posizione molto più forte rispetto a un acquirente che si aspetta che le batterie a ioni di sodio si comportino esattamente come un’offerta AGM matura. Come fornitore di batterie e sistemi di accumulo energetico per importatori, distributori, grossisti, rivenditori e acquirenti OEM e ODM di batterie per autoveicoli, PITTAR collabora con programmi di celle a ioni di sodio

progettati fin dall’inizio per cicli di funzionamento start-stop. Quando la chimica si adatta al programma — affidabilità in climi freddi, diversificazione della catena di approvvigionamento, impegni pluriennali sui volumi e integrazione ottimizzata tramite BMS nel sistema elettrico del veicolo — la conversazione vale la pena di essere avviata. Quando la chimica non è ancora adatta, la scelta corretta è rimanere con l’opzione già consolidata fino a quando le condizioni non cambieranno.

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Domande frequenti

Come funziona una batteria start-stop ?

Una batteria start-stop è installata nel sistema elettrico di un veicolo che spegne automaticamente il motore a regime di minimo e lo riavvia non appena il conducente è pronto a ripartire. Durante ogni ciclo, la batteria eroga una rapida scarica ad alta corrente per riavviare il motore, alimenta l’elettronica dell’abitacolo e i moduli di controllo durante il periodo in cui il motore è spento e riceve carica dall’alternatore e dal sistema di frenata rigenerativa non appena il motore riprende a funzionare. Il sistema di gestione della batteria (BMS) coordina lo stato di carica, la temperatura e i limiti di corrente affinché la batteria possa ripetere tale schema migliaia di volte nell’arco della sua vita utile.

Cosa rende una batteria start- stop diversa da a normale auto batteria?

Una batteria per autovettura standard è progettata per un ciclo di utilizzo semplice: una sola avviata per viaggio, una ricarica lenta e un carico accessorio breve. Una batteria start-stop è invece progettata per migliaia di avviate per viaggio, impulsi di ricarica ad alta corrente irregolari provenienti dalla frenata rigenerativa, lunghi periodi di spegnimento del motore con stato di carica parziale e esposizione alle temperature del vano motore per molti anni. Le chimiche EFB, AGM e sodio-ione sono state sviluppate appositamente per questo ciclo più gravoso; le batterie piombo-acido allagati non lo sono.

Quante volte una batteria start-stop avvia il motore motore in il suo tempo?

Il numero varia notevolmente in base ai cicli di guida, al clima, all’integrazione del veicolo e alla chimica della batteria. Le stime pubblicate dai costruttori (OEM) e da terzi per i programmi start-stop vanno tipicamente da decine di migliaia a centinaia di migliaia di avviamenti nel corso della vita utile, ma il numero esatto dipende dal design specifico della cella, dalla taratura del sistema di gestione della batteria (BMS) e dal ciclo di utilizzo effettivo. Gli acquirenti dovrebbero richiedere dati di validazione riferiti allo stesso tipo di ciclo di utilizzo che i veicoli incontreranno nella pratica, non a un valore generico ottenuto su banco di prova.

Una batteria start-stop richiede un caricabatterie speciale? caricatore?

A volte. Le batterie a ioni di sodio, AGM ed EFB presentano profili di tensione di carica diversi rispetto alle batterie al piombo-acido allagate; l’uso di un profilo di carica non adatto può ridurre la durata operativa o impedire la ricarica di una batteria fortemente scaricata. Per un programma start-stop con batterie a ioni di sodio, il sistema elettrico del veicolo deve essere regolato sulla finestra di tensione di carica della cella e il BMS deve coordinarsi con il controllore dell’alternatore; un caricabatterie esterno da banco, utilizzato in un magazzino o in un ambiente di assistenza, deve seguire lo stesso profilo.

PERCHÉ viene valutato il sodio-ione per servizi start-stop?

La chimica a ioni di sodio ha dimostrato un utile comportamento di scarica a basse temperature, tollera impulsi di carica ad alta corrente irregolari e non richiede la densità energetica del pacco trazione per fornire prestazioni da batteria ausiliaria a 12 V o 24 V. Questi vantaggi strutturali rispondono ai requisiti di avviamento a freddo, accettazione della carica e maturità adeguata per batterie ausiliarie, che definiscono il ciclo operativo start-stop; è per questo motivo che la tecnologia a ioni di sodio viene valutata seriamente in parallelo con EFB e AGM nei programmi automobilistici.