Che cos’è una batteria automobilistica al sodio-ione per sistemi start-stop?

Che cos'è un'automobile a ioni di sodio avvio-arresto automatico Batteria?

La maggior parte delle autovetture passeggeri moderne vendute oggi è dotata di un sistema di avvio-arresto. Quando il veicolo si ferma a un semaforo, il motore si spegne invece di rimanere al minimo. Non appena il freno viene rilasciato, il motore si riavvia. I risparmi di carburante e la riduzione delle emissioni ottenuti in ciascun ciclo sono modesti, ma si accumulano fino a raggiungere valori significativi nel corso della vita utile di un’auto.

La batteria sotto il cofano deve garantire il funzionamento di tale sistema: deve avviare il motore centinaia di migliaia di volte nel corso della sua vita operativa, accettare elevate correnti di ricarica istantanea dall’alternatore ogni volta che il veicolo è in movimento e continuare ad alimentare l’elettronica abitacolo, i fari, l’infotainment e decine di unità di controllo elettronico (ECU) anche quando il motore è spento.

Una batteria standard al piombo-acido allagata, progettata per un ciclo di servizio di una sola accensione per viaggio, può degradarsi rapidamente in condizioni di utilizzo start-stop. È per questo che i costruttori automobilistici hanno adottato inizialmente le batterie EFB (enhanced flooded battery) e AGM (absorbent glass mat) per i veicoli con sistema start-stop. Attualmente, la chimica a ioni di sodio è oggetto di valutazione come terza opzione per questa applicazione. Questo articolo fornisce una panoramica fondamentale: cos’è un sistema start-stop, quali prestazioni deve garantire una batteria start-stop, quali vantaggi offre la chimica a ioni di sodio per questo ciclo di servizio, come si confronta con le batterie al piombo-acido, EFB e AGM, e quali aspetti devono essere verificati dagli acquirenti B2B prima dell’approvvigionamento.

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Che cos’è un sistema start-stop automobilistico?

Un sistema start-stop —talvolta denominato stop-start, idle stop o micro-ibrido —si spegne automaticamente il motore a combustione interna quando il veicolo si ferma e lo riavvia quando il conducente desidera ripartire. Il sistema è attivato per la maggior parte del tempo durante la guida urbana: ai semafori, nel traffico stop-and-go, ai passaggi a livello, in coda alle aree drive-through.

Lo scopo è semplice. Un motore al minimo consuma carburante senza produrre movimento utile. Eliminare questo tempo di attesa riduce il consumo di carburante e le emissioni allo scarico. La percentuale di riduzione dipende dal veicolo, dal ciclo di guida e dalla frequenza di attivazione del sistema, ma la maggior parte delle stime pubblicate indica un risparmio di carburante compreso tra il 5% e il 10% per una tipica guida urbana.

Esistono diversi livelli di sofisticazione nei sistemi start-stop. I sistemi più basilari spengono il motore a veicolo completamente fermo e lo riavviano al rilascio del pedale del freno. Sistemi più avanzati spengono il motore mentre il veicolo sta rallentando per fermarsi oppure brevemente anche mentre è ancora in movimento. Frenata rigenerativa —dove l’alternatore viene invertito per agire come generatore durante la decelerazione — è spesso abbinato alla tecnologia start-stop, e la batteria deve assorbire quell’energia rigenerata ogni volta che il veicolo rallenta. Tutto ciò impone richieste insolite alla batteria, che non esistevano nel vecchio ciclo di utilizzo delle batterie per avviamento: correnti elevate molte volte per ogni viaggio, capacità di accettare cariche ad alta corrente in modo irregolare, lunghi periodi trascorsi a stato di carica parziale e lo stesso intervallo di temperature nel vano motore previsto per la batteria al piombo-acido che ha sostituito.

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Che cosa deve fare una batteria start-stop?

Una batteria start-stop ha tre compiti fondamentali che si sovrappongono durante ogni viaggio.

Deve avviare il motore. La corrente di avviamento è la corrente più elevata erogata dalla batteria in servizio —un picco della durata di una frazione di secondo fino a pochi secondi, che preleva diverse centinaia di ampere dalla batteria per far ruotare il motorino di avviamento. La tensione deve rimanere costantemente al di sopra della soglia richiesta dal motorino di avviamento per tutta la durata del picco.

Deve alimentare il sistema elettrico mentre il motore è spento. Fari, ventilatore del climatizzatore, sistema infotainment, quadro strumenti, moduli di controllo della carrozzeria e una lunga serie di altre unità di controllo elettronico (ECU) continuano ad assorbire corrente anche dopo l’arresto del motore. Questo fenomeno è talvolta denominato carico di riposo o carico accessori, e in un veicolo moderno può facilmente superare diversi ampere.

Deve accettare la ricarica dall’alternatore (e dalla frenata rigenerativa) quando il motore è in funzione. I veicoli con tecnologia start-stop generano numerosi eventi di ricarica irregolari. L’alternatore immette corrente nella batteria ogni volta che il motore si riavvia e ogni volta che viene rilasciato il pedale del freno, seguendo schemi molto diversi dal profilo di ricarica lenta e costante tipico dei veicoli privi della funzione start-stop.

Questi tre compiti generano un ciclo di utilizzo molto più gravoso rispetto a quello per cui è progettata una normale batteria per autovettura. Ci si aspetta che una normale batteria per autovettura avvii il motore qualche centinaio di volte nel corso della sua vita e rimanga quasi sempre vicina alla carica completa. Una batteria start-stop deve invece avviare il motore migliaia o decine di migliaia di volte, operare a stato di carica parziale e assorbire impulsi di carica ad alta corrente irregolari senza subire danni. I moderni sistemi start-stop monitorano inoltre continuamente lo stato di carica, lo stato di salute e la temperatura. —disattivando la funzione start-stop al di sotto di una soglia di carica e preriscaldando la batteria durante l’inverno —per proteggere la batteria dall’essere chiamata ad avviare il motore quando non è in grado di farlo in modo affidabile.

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Che cos’è una batteria automobilistica al sodio-ione per sistemi start-stop?

Una batteria automobilistica per sistemi start-stop a ioni di sodio è, in sostanza, una batteria ausiliaria automobilistica da 12 volt (o, su alcune piattaforme, da 24 volt) i cui elementi utilizzano la chimica a ioni di sodio anziché quella al piombo-acido, AGM, EFB, litio-ionica o qualsiasi altra chimica. Esternamente svolge lo stesso compito di qualsiasi altra batteria start-stop: avviare il motore, alimentare il sistema elettrico quando il motore è spento e ricevere carica dall’alternatore.

Ciò che cambia è la chimica interna. Le celle a ioni di sodio utilizzano il movimento degli ioni di sodio tra un catodo e un anodo attraverso un elettrolita conduttore di ioni di sodio, con collettori di corrente in alluminio su entrambi i lati. Per un articolo automobilistico start-stop, ciò che conta è ciò che tale chimica offre in questo ciclo operativo: abbondanza della materia prima sodio, collettori di corrente in alluminio su entrambi i lati (caratteristica insolita tra le chimiche commerciali) e comportamento dimostrato di scarica a basse temperature. —tutti elementi che si adattano ragionevolmente bene al ciclo operativo start-stop.

Ciò che la chimica a ioni di sodio non offre attualmente è la parità di densità energetica rispetto alle celle agli ioni di litio ad alta energia. A livello di cella, la densità energetica delle celle a ioni di sodio è inferiore a quella delle celle agli ioni di litio più diffuse, sebbene sia più che sufficiente per una batteria ausiliaria da 12 volt, che non deve immagazzinare energia per il sistema di trazione. Inoltre, la tecnologia a ioni di sodio si trova in una fase precedente di maturità commerciale rispetto a quella agli ioni di litio nel settore automobilistico, con conseguenze proprie per la dovuta diligenza da parte degli acquirenti.

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Perché la chimica a ioni di sodio sta entrando nelle applicazioni start-stop

Diversi fattori pratici stanno spingendo la chimica a ioni di sodio verso programmi di valutazione per applicazioni start-stop.

•Disponibilità delle risorse. Il sodio è uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre e nelle salamoie industriali. L’approvvigionamento di materie prime a base di sodio non comporta lo stesso rischio di concentrazione a lungo termine associato all’approvvigionamento di litio, cobalto o nichel.

• Condizioni climatiche fredde avviamento del motore. La chimica a ioni di sodio ha dimostrato un utile comportamento di scarica a basse temperature. Avviare un motore a temperature inferiori allo zero è esattamente il contesto in cui la resistenza interna di una batteria conta di più, e una chimica che mantiene una resistenza interna inferiore a basse temperature offre un effettivo vantaggio.

• Andamento dei costi delle materie prime. Le celle a ioni di sodio utilizzano alluminio su entrambi i lati ed evitano cobalto e nichel nella maggior parte delle famiglie catodiche. Se tali scelte si traducono effettivamente in costi inferiori per cella dipende dal produttore, dal formato della cella, dal volume di produzione e dalla famiglia catodica —ma il caso strutturale relativo ai costi è più favorevole rispetto alle chimiche basate su materiali più rari e più volatili.

• Diversificazione della catena di approvvigionamento. Molti Costruttori OEM e fornitori di primo livello stanno riducendo la dipendenza da un’unica chimica. L’ioni di sodio offrono a un programma start-stop storicamente basato su batterie AGM o EFB una terza opzione chimica.

• Allineamento della maturità con il ciclo di lavoro. La chimica a ioni di sodio ha raggiunto il livello di maturità adeguato per il ciclo di lavoro della batteria ausiliaria. Non deve eguagliare la densità energetica del pacco batteria di trazione per offrire prestazioni utili in una batteria ausiliaria da 12 V o 24 V.

Questi fattori non rendono la tecnologia a ioni di sodio la soluzione ideale per ogni programma start-stop. Tuttavia, ne fanno un candidato credibile che un numero crescente di acquirenti automobilistici sta valutando seriamente.

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Confronto tra batteria start-stop a ioni di sodio, piombo-acido, AGM ed EFB

Le batterie piombo-acido, AGM ed EFB sono le chimiche consolidate nel servizio automobilistico start-stop. La tecnologia a ioni di sodio si affianca loro come quarta opzione, con un diverso insieme di compromessi.

Le batterie piombo-acido allagate rappresentano l’opzione tradizionale —economiche, ampiamente disponibili e ben comprese, ma si degradano rapidamente nel ciclo di avviamento/arresto a stato di carica parziale. Le batterie EFB sono batterie allagati con rinforzo (tipicamente una rete in poliestere, materiale attivo migliorato e maggiore accettazione dinamica della carica), progettate per veicoli entry-level con sistema start-stop. —equipaggiamento standard su molti veicoli start-stop di fascia media e premium, ma più costose rispetto alle batterie allagati o EFB.

Le batterie a ioni di sodio si collocano, per la maggior parte dei parametri prestazionali riportati nei dati pubblicati, tra le batterie EFB e quelle AGM. Hanno dimostrato un buon comportamento di scarica a basse temperature, una curva di vita ciclica più piatta in condizioni di carica parziale per alcune formulazioni chimiche e non richiedono operazioni di rabboccamento con acqua. D’altro canto, le batterie a ioni di sodio rappresentano una tecnologia automobilistica meno matura, con minori programmi di validazione sul campo e una base di fornitori più ristretta.

L’approccio corretto consiste nel valutare l’adeguatezza alla specifica applicazione, non nell’adottare una preferenza tecnologica generale. Una flotta operante in climi freddi, che attribuisce importanza alla diversificazione della catena di approvvigionamento e può impegnarsi su un orizzonte pluriennale per gli acquisti, potrebbe trovare le batterie a ioni di sodio più adatte rispetto alle AGM. Una flotta che privilegia il costo unitario più basso disponibile oggi, opera in climi miti e desidera la rete di assistenza più estesa possibile potrebbe invece trovare le AGM più adatte. La scelta della chimica spetta al programma, non alla tecnologia.

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Dove le batterie Start-Stop a ioni di sodio sono appropriate — e dove non lo sono

L’ion sodio è ben adatto a diversi impieghi automobilistici e meno adatto ad altri.

• Veicoli passeggeri in climi freddi con sistema start-stop. i veicoli passeggeri con sistema start-stop in climi freddi. Il comportamento di scarica a basse temperature della chimica a ione sodio rappresenta una soluzione strutturalmente adeguata per i mercati in cui l’avviamento invernale costituisce il punto debole delle chimiche attualmente in uso.

• Servizio batterie ausiliarie da 12 V e 24 V. servizio batterie ausiliarie da 12 V e 24 V. Il fabbisogno di accumulo energetico è contenuto, la richiesta di corrente di avviamento rientra agevolmente nelle capacità dell’ion sodio e il vantaggio nella scarica in condizioni di freddo risulta utile in numerosi mercati.

•Strategie di approvvigionamento che valorizzano la diversificazione delle chimiche. Le flotte e i programmi OEM che intendono ridurre la dipendenza da un’unica chimica, allontanandosi dalle catene di approvvigionamento concentrate su cobalto, nichel e litio, possono utilizzare l’ion sodio come valida terza opzione affiancata ad AGM ed EFB.

• Programmi che può supportare un impegno volumetrico pluriennale. Le chimiche in fase più precoce aumentano la capacità più rapidamente quando gli acquirenti si impegnano a volumi pluriennali. Il sodio-ione si adatta a programmi strutturati intorno a un vero partenariato di approvvigionamento, non a programmi che cercano un acquisto occasionale al costo più basso.

È meno adatto a programmi che richiedono oggi la più ampia copertura della rete di assistenza, dove l’infrastruttura per batterie al piombo-acido e AGM è più consolidata, e a programmi che necessitano di una tracciabilità sul campo pluriennale profondamente validata nella specifica architettura veicolare. I programmi automobilistici a sodio-ione sono stati già implementati, ma la profondità della storia sul campo non è ancora paragonabile a quella delle batterie AGM. Questi limiti non escludono il sodio-ione dal servizio start-stop. Definiscono semplicemente dove questa chimica risulta oggi più credibile come candidata all’approvvigionamento.

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Cosa gli acquirenti devono verificare prima dell’approvvigionamento

Per un team di approvvigionamento B2B che valuta batterie automobilistiche start-stop a sodio-ione, diversi controlli rientrano nel processo di due diligence del fornitore.

• Confermare la chimica e il formato della cella. Diverse famiglie di catodi a ioni sodio, diversi materiali per l’anodo, diversi formati di cella e diversi design del pacco batteria portano a prestazioni differenti. Un acquirente dovrebbe sapere quale famiglia di catodi viene fornita, quale formato di cella viene utilizzato e quale produttore ha realizzato le celle. L’etichetta «sodio-ione» può nascondere prodotti sostanzialmente diversi.

•Verificare le prestazioni di avviamento alle temperature di impiego. Gli ampere di avviamento (CA), gli ampere di avviamento a freddo (CCA) e il profilo di tensione durante l’impulso di avviamento devono essere testati alle temperature effettive cui i veicoli saranno esposti in servizio. I dati commerciali ottenuti su un banco di prova a 25 °C °C non sostituiscono la validazione in condizioni di freddo.

• Verificare la durata in cicli secondo il ciclo di lavoro effettivo. I numeri relativi alla durata ciclica forniti da un produttore devono essere specificati in base alla profondità di scarica, alla temperatura, alla velocità di carica e al criterio di fine vita. La stessa chimica proveniente da due fornitori diversi può dare risultati differenti nello stesso test sul campo, e lo stesso fornitore può riportare dati diversi nelle comunicazioni commerciali rispetto a quelli ottenuti in un test indipendente.

•Verificare lo stato di certificazione per l’uso automobilistico. L’omologazione ECE R100 o equivalente a livello regionale, i test di trasporto UN 38.3, il sistema di gestione della qualità IATF 16949 per il fornitore di celle e di pacchi batterici, e i programmi di validazione specifici del cliente sono tutti fattori rilevanti. La chimica a ioni sodio si trova a uno stadio più precoce di copertura certificativa rispetto a quella a ioni litio; l’acquirente deve verificare quali certificazioni possiede il prodotto specifico e quali sono detenute dal fornitore, prima di procedere all’impegno d’acquisto.

•Verificare la stabilità commerciale e le infrastrutture di supporto. Le chimiche in fase iniziale richiedono una maggiore diligenza attiva nei confronti dei fornitori rispetto alle chimiche mature. Stabilità finanziaria, impegni pluriennali sulla capacità produttiva, processi di garanzia, team di supporto tecnico e tracciabilità documentale devono tutti far parte della valutazione.

• Valutare il percorso per un fornitore alternativo. La standardizzazione del formato delle celle al sodio è ancora in via di definizione; pertanto, affidarsi a un unico fornitore di celle comporta un rischio di approvvigionamento maggiore rispetto all’affidamento a un unico fornitore in una chimica matura. L’acquirente dovrebbe considerare le opzioni di approvvigionamento di riserva, quali piani di riserva siano effettivamente praticabili e quale costo aggiuntivo tali piani comportino.

Un acquirente che affronta l’approvvigionamento intermittente di celle al sodio consapevole di questi punti di verifica — e che struttura la relazione con il fornitore per affrontarli — —si trova in una posizione molto più forte rispetto a un acquirente che entra nel negozio aspettandosi che le batterie al sodio-ione si comportino esattamente come una matura fornitura AGM. In qualità di fornitore di batterie e sistemi di accumulo energetico per importatori, distributori, grossisti, rivenditori e acquirenti OEM e ODM del settore automobilistico, PITTAR collabora con programmi di celle al sodio-ione adatti a funzioni start-stop e ausiliarie. Quando questa chimica si inserisce perfettamente in una specifica strategia di approvvigionamento —affidabilità in climi freddi, diversificazione della catena di approvvigionamento, impegni pluriennali sui volumi —vale la pena avviare la conversazione. Quando questa chimica non è ancora adatta, la scelta migliore è rimanere con l’opzione già consolidata fino a quando le condizioni non cambieranno.

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Domande frequenti

Che cosa è la differenza tra una batteria per autovettura standard e a start-Stop batteria?

Una batteria per autovettura standard è progettata per un ciclo di utilizzo semplice: avviare il motore, ricevere una ricarica lenta di mantenimento e fornire energia ai dispositivi accessori quando il motore è spento. Una batteria start-stop è invece progettata per un ciclo di utilizzo molto più gravoso: migliaia di avvii, lunghi periodi a stato di carica parziale, impulsi di ricarica ad alta corrente irregolari e alimentazione dei dispositivi accessori anche con motore spento. Le batterie start-stop utilizzano una chimica rinforzata —EFB, AGM o sodio-ione —per far fronte a tali esigenze.

Può un batteria per autovettura standard be usato io in un veicolo start-stop?

Potrebbe funzionare brevemente in sistemi start-stop di livello base, ma si degraderà rapidamente a causa del ciclo di utilizzo. La maggior parte dei costruttori automobilistici specifica EFB, AGM o (nei programmi più recenti) batterie a sodio-ione, poiché le batterie allagati standard non sono progettate per il ciclo di carica/scarica più gravoso.