Le automobili ibride prodotte tra il 2010 e il 2020 hanno utilizzato sistemi di accumulo molto diversi tra loro, ma con un elemento comune: la batteria di trazione non è costituita da una singola “batteria” nel senso tradizionale del termine. Il pacco è composto da numerose celle o moduli collegati elettricamente e controllati da un sistema elettronico di gestione. Nel corso degli anni, uno dei fenomeni più interessanti e difficili da diagnosticare è stato il progressivo squilibrio tra le diverse sezioni del pacco.
Non si tratta necessariamente di una batteria completamente guasta. Al contrario, nelle prime fasi il veicolo può continuare a funzionare apparentemente in modo normale. Il problema emerge soprattutto quando la batteria viene sottoposta a richieste di corrente elevate o quando lo stato di carica raggiunge determinate condizioni.
La batteria ibrida non è un elemento uniforme
Un pacco batteria di trazione è costituito da numerose celle o moduli. In condizioni ideali, questi elementi dovrebbero avere caratteristiche molto simili tra loro. Con l’invecchiamento, tuttavia, possono svilupparsi differenze progressive.
Un modulo può, per esempio:
- perdere capacità più rapidamente degli altri;
- aumentare la propria resistenza interna;
- reagire diversamente ai cicli di carica e scarica;
- presentare una maggiore variazione di tensione sotto carico;
- riscaldarsi più rapidamente.
Il risultato è uno squilibrio elettrico all’interno del pacco.
Ed è proprio questo squilibrio che può trasformare una batteria apparentemente funzionante in una fonte di anomalie intermittenti.
Capacità e tensione non sono la stessa cosa
Uno degli errori più comuni nella valutazione di una batteria ibrida consiste nel considerare soltanto la tensione. Una sezione del pacco può mostrare una tensione apparentemente normale a riposo e, allo stesso tempo, avere una capacità molto inferiore rispetto alle altre. La differenza diventa evidente quando viene richiesta corrente. Immaginiamo due moduli che a riposo presentano valori molto simili. Quando il veicolo accelera, però, uno dei due può subire una caduta di tensione significativamente maggiore. Questa differenza può essere dovuta all’aumento della resistenza interna o alla perdita di capacità. Dal punto di vista del sistema di gestione, quindi, la batteria non si comporta più come un insieme omogeneo.
Il fenomeno diventa evidente sotto carico
Questo è uno degli aspetti più importanti. Una batteria invecchiata può comportarsi relativamente bene durante una guida tranquilla e manifestare problemi durante:
- accelerazioni intense;
- salite;
- richieste prolungate di potenza;
- frenate rigenerative importanti;
- passaggi rapidi tra carica e scarica.
Durante queste condizioni, la corrente che attraversa il pacco aumenta. Un modulo con resistenza interna maggiore può allora mostrare una variazione di tensione più pronunciata rispetto agli altri. Il sistema di gestione rileva la differenza e può interpretarla come una condizione anomala.
Perché il sistema di gestione interviene?
La batteria di trazione è controllata da un sistema elettronico che monitora continuamente diversi parametri.
A seconda dell’architettura utilizzata, possono essere controllati:
- tensione dei moduli;
- corrente del pacco;
- temperatura;
- stato di carica stimato;
- differenze tra le sezioni della batteria;
- condizioni di carica e scarica.
Quando le differenze superano determinate soglie, il sistema può limitare la potenza disponibile oppure registrare un’anomalia. In determinate condizioni può inoltre disabilitare parte del sistema ibrido per proteggere la batteria e gli altri componenti ad alta tensione.
Da qui nasce uno dei sintomi più difficili da interpretare:
l’automobile funziona normalmente per una parte del tempo, ma manifesta un’anomalia quando la batteria viene sollecitata.
Un problema che può sembrare un guasto completamente diverso
Quando il sistema ibrido riduce la potenza disponibile, il conducente può percepire:
- accelerazione ridotta;
- funzionamento irregolare dell’assistenza elettrica;
- maggiore utilizzo del motore termico;
- variazioni insolite dello stato di carica visualizzato;
- comparsa di una spia o di un messaggio di anomalia.
Questi sintomi non indicano automaticamente che la batteria sia “morta”.
Possono invece rappresentare la risposta protettiva del sistema a un problema interno al pacco. La diagnosi deve quindi distinguere tra capacità effettivamente degradata, squilibrio tra moduli, aumento della resistenza interna e problemi del sistema di gestione.
Lo stato di carica può diventare apparentemente imprevedibile
Un’altra caratteristica interessante delle batterie invecchiate è la possibile variazione molto rapida dello stato di carica indicato dal sistema. Una batteria sana possiede una certa capacità di immagazzinare energia e di restituirla. Una batteria fortemente degradata, invece, può raggiungere rapidamente livelli di carica apparenti molto elevati durante la rigenerazione e altrettanto rapidamente scendere quando viene richiesta potenza.
Il conducente può quindi osservare un comportamento apparentemente paradossale:
“La batteria si carica velocemente, ma si scarica altrettanto velocemente.”
Non significa necessariamente che il sistema di ricarica stia funzionando troppo bene. Può essere il risultato della riduzione della capacità utile del pacco.
L’importanza della temperatura
La temperatura complica ulteriormente il fenomeno.
Le caratteristiche elettrochimiche delle celle cambiano con la temperatura e anche la resistenza interna può variare. Un pacco che sembra relativamente normale a determinate condizioni ambientali può quindi mostrare anomalie più evidenti quando è molto caldo o molto freddo. Questo spiega perché alcuni problemi possono essere intermittenti. L’automobile può funzionare bene in determinate condizioni e mostrare invece anomalie dopo una lunga percorrenza, durante una giornata molto calda o dopo una fase di utilizzo particolarmente intensa.
Non è necessariamente un problema di una singola cella
Quando si parla di batteria degradata, è naturale pensare immediatamente a una cella difettosa. In realtà l’invecchiamento è spesso un processo più complesso.
Il pacco può presentare:
- un singolo elemento significativamente più degradato;
- diversi moduli con degrado progressivo;
- aumento generale della resistenza interna;
- differenze di capacità tra sezioni;
- combinazioni di questi fenomeni.
Per questo motivo sostituire indiscriminatamente un singolo modulo non rappresenta necessariamente una soluzione definitiva. Se il resto del pacco ha già un’età e un livello di usura elevati, il nuovo elemento può avere caratteristiche molto diverse da quelle degli altri.
Il problema può essere progressivo
Una caratteristica importante dello squilibrio è che raramente deve essere immaginato come un fenomeno esclusivamente “tutto o niente”. Può svilupparsi gradualmente.
Una possibile evoluzione è:
funzionamento normale – piccole differenze tra moduli – anomalie occasionali sotto carico – interventi sempre più frequenti del sistema di protezione – limitazione del sistema ibrido – errore persistente.
Nelle prime fasi il conducente potrebbe non notare quasi nulla. Successivamente, invece, il sistema può iniziare a registrare anomalie sempre più frequenti.
Perché una diagnosi superficiale può essere fuorviante
Una semplice misurazione della tensione complessiva del pacco non è sufficiente per stabilire lo stato di salute di una batteria di trazione. La tensione nominale può essere corretta anche quando la capacità residua è fortemente diminuita. Una diagnosi significativa deve considerare il comportamento del pacco nelle condizioni operative previste dal costruttore e utilizzare strumenti appropriati per il sistema specifico. Inoltre, i sistemi ad alta tensione richiedono procedure di sicurezza specifiche.
Non è una batteria sulla quale effettuare prove improvvisate con un normale multimetro o aprendo il pacco senza competenze adeguate.
Un problema comune all’epoca, ma non identico su ogni automobile
È importante evitare una generalizzazione eccessiva. Tra il 2010 e il 2020 sono state utilizzate diverse tecnologie di celle, diverse architetture di pacco e diverse strategie di gestione elettronica. Il principio dell’invecchiamento differenziale tra celle o moduli, tuttavia, è applicabile in generale alle batterie composte da numerosi elementi elettrochimici. Le soglie di intervento, i metodi di bilanciamento, i sistemi di raffreddamento e le strategie diagnostiche possono invece variare significativamente.
La vera difficoltà: distinguere degrado e guasto
Il punto più interessante dal punto di vista diagnostico è che una batteria può essere ancora funzionante e contemporaneamente essere significativamente degradata. Non esiste necessariamente un momento preciso nel quale passa da “buona” a “guasta”.
Il deterioramento può manifestarsi prima come:
- riduzione dell’autonomia elettrica;
- maggiore frequenza di intervento del motore termico;
- variazioni rapide dello stato di carica;
- diminuzione della potenza elettrica disponibile;
- errori occasionali;
- aumento della sensibilità alla temperatura.
Solo successivamente possono comparire anomalie più persistenti.
Per finire
Uno dei problemi più interessanti delle batterie ibride prodotte tra il 2010 e il 2020 è quindi il progressivo squilibrio tra le celle o i moduli del pacco, spesso associato all’aumento della resistenza interna e alla perdita di capacità.
È un fenomeno particolarmente insidioso perché:
- la batteria può continuare a funzionare;
- la tensione a riposo può apparire normale;
- i problemi possono manifestarsi soltanto sotto carico;
- la temperatura può influenzare notevolmente il comportamento;
- il sistema di gestione può intervenire prima che il pacco smetta completamente di funzionare.
In altre parole, una batteria ibrida che presenta anomalie non è necessariamente una batteria completamente “morta”. Può essere un sistema ancora operativo ma diventato sufficientemente eterogeneo da non riuscire più a garantire le prestazioni e le condizioni di sicurezza previste dal sistema di gestione.
Ed è proprio questa zona intermedia, tra batteria funzionante e batteria definitivamente guasta, che rende l’invecchiamento delle batterie ibride uno dei problemi più interessanti da analizzare.