Cosa possono dirci 6.000 auto elettriche sullo stato della batteria dei veicoli elettrici?

Pubblicato il 13 dicembre 2019 in Veicoli elettrici da Charlotte Argue


Compara il livello di degrado medio della batteria in modelli e marche diversi grazie a questo strumento fornito da Geotab.

 

GIF con lo stato della batteria che oscilla

 

Aggiornamento del 20 dicembre: l'analisi dei fattori di accelerazione (temperatura, uso di caricatori veloci a corrente continua, ecc.) è stata aggiornata per includere più veicoli e uno script di analisi dei fattori migliorato. Nonostante l’aggiornamento del set di dati le conclusioni generali rimangono invariate. Tuttavia, il livello di incidenza di alcuni fattori è stato rivisto per riflettere i dati più recenti. Questo post verrà costantemente attualizzato nel corso del tempo per fornire le informazioni più accurate e più recenti disponibili.

 

Quanto dura la batteria di un'auto elettrica? Per provare a rispondere a questo quesito Geotab ha sviluppato uno strumento che ne misura il degrado e che si basa sull’analisi di 6.300 mezzi ad uso privato o parte flotte aziendali.Da questo studio sono emerse interessanti evidenze anche per aiutare gli utenti a massimizzare la durata della batteria del proprio veicolo elettrico.

L'importanza delle batterie dei veicoli elettrici

Se stai pensando di acquistare un veicolo elettrico (EV), è molto probabile che ti sia già posto le seguenti domande: Quanto costa il veicolo elettrico? Qual è la sua autonomia? Quanto dura la batteria?

Dal punto di vista del ciclo di vita del veicolo, le prestazioni e la salute della batteria sono gli aspetti fondamentali da prendere in esame quando si valuta un acquisto. Dal momento che la batteria è il componente più costoso di un veicolo elettrico, il suo stato non solo influisce sul valore residuo del mezzo (rispondendo alla domanda sui costi), ma ha anche un impatto diretto sull'utilizzabilità massima nel tempo.

Un elemento rassicurante per chi sta valutando di acquistare un’auto elettrica è la notevole diminuzione del costo delle batterie negli anni. Infatti, mediamente dal 2010 il prezzo di una batteria agli ioni di litio è sceso oltre l'80%.

Tuttavia, ottenere una risposta immediata alla domanda sulla durata della batteria può essere spesso difficile: generalmente, la copertura della batteria è di 8 anni/160.000 km, ma può variare in base al produttore e al Paese. Sebbene la garanzia della qualità della tecnologia delle batterie e la promessa di ridurre i costi possano sanare alcuni dei dubbi di quanti stanno pensando di elettrificare la propria flotta , non sarebbe preferibile sapere in quanto tempo si degraderà la batteria e come ridurre al minimo questa perdita?

Cos'è il degrado della batteria dei veicoli elettrici?

Il degrado della batteria è un processo naturale che riduce in modo permanente la quantità di energia che una batteria può immagazzinare o la quantità di potenza che può erogare. In genere le batterie dei veicoli elettrici sono in grado di erogare più potenza di quella che i componenti del gruppo propulsore sono in grado di gestire. Di conseguenza, raramente il degrado della potenza è osservabile nei veicoli elettrici e solo la perdita della capacità di immagazzinare energia da parte della batteria è importante.

Le condizioni di una batteria sono chiamate stato di salute (SOH). La vita delle batterie inizia con il 100% di SOH, che diminuisce nel tempo con il loro deterioramento. Lo stato di salute è l’espressione della quantità di energia che la batteria è in grado di erogare (kWh).

È necessario tenere presente che questo elemento non corrisponde all'autonomia del veicolo (la distanza che il veicolo può percorrere con questi kWh), che oscillerà su base giornaliera o di viaggio in viaggio, a seconda di una serie di fattori tra cui livello di carica, la topografia, la temperatura, l'uso ausiliario, le abitudini di guida e il carico di passeggeri o merce.

Lo strumento di analisi del degrado della batteria dei veicoli elettrici di Geotab

Sebbene siano state condotte numerose ricerche sullo stato delle batterie, i dati relativi alle prestazioni reali dei veicoli elettrici ad ora sono molto scarsi, e, ancora di più, se si tratta del confronto tra diverse marche e modelli. Geotab ha creato lo strumento di analisi del degrado della batteria dei veicoli elettrici al fine di valutarne la resistenza e studiare l'importanza relativa dei fattori sopra riportati in situazioni di utilizzo reale.

Abbiamo quindi analizzato lo stato della batteria di 6.300 veicoli elettrici ad uso privato e parte di parchi veicoli - l’equivalente di 1,8 milioni di giorni di dati raccolti, che hanno fornito utili indicazioni sul degrado medio di 21 modelli di veicoli e anni diversi, che includono 64 marche.

 

Note sullo strumento:

  • Le curve di degrado mostrate di seguito rappresentano il trend medio dei dati analizzati.
  • Questi grafici possono fornire informazioni dettagliate sullo stato medio della batteria nel tempo, ma non devono essere interpretati come una previsione precisa per alcun veicolo specifico.
  • Nello strumento di visualizzazione non è disponibile un sottoinsieme di marche, modelli e anni di veicoli: abbiamo escluso i veicoli che presentano dati insufficienti. (Non preoccuparti se l'auto da te scelta non compare!)
Grafico che confronta la degradazione della batteria dei veicoli elettrici

 

Evidenze chiave

Sono stati rilevati livelli elevati di batterie con un SOH sostenuto

Dall’analisi è emerso un livello elevato di batterie che presentano un SOH sostenuto. Se si mantengono i tassi di degrado osservati, la maggior parte delle batterie supera la durata stimata del veicolo.

 

Come per le persone, la salute peggiora con l'età

 

Come è facile immaginare, più vecchio è un veicolo più è probabile che la batteria si sia deteriorata. Tuttavia, se si osserva il calo medio su tutti i veicoli presi in esame, il degrado è verosimilmente minore, con un tasso annuo del 2,3%. Questa è una buona notizia! Se oggi acquisti un veicolo elettrico con un'autonomia di 240 km, è improbabile che la perdita di circa 27 km di autonomia raggiungibile dopo cinque anni influisca sulle tue esigenze quotidiane.

Il degrado della batteria dei veicoli elettrici è lineare?

Sebbene questo strumento mostri un degrado abbastanza lineare, come regola generale si prevede che le batterie dei veicoli elettrici abbiano un deterioramento non lineare: si verifica un calo iniziale, che continua nel tempo, ma a un ritmo molto più moderato. Intorno alla fine del suo ciclo di vita una batteria avrà un ultimo calo significativo, come illustrato di seguito.

 

Grafico con il degrado della batteria non lineare

Figura 1: la curva di degrado normale

 

Tuttavia, sono troppo poche le batterie da noi osservate ad aver già raggiunto il calo alla fine del ciclo di vita per poter prevedere in quale momento questo si verificherà.

Perché alcuni modelli di veicoli in media sembrano degradarsi più velocemente di altri?

Dai nostri dati sembra che le batterie dei veicoli elettrici rispondano in modo diverso al test del tempo, a seconda della marca e dell'anno. Due potenziali cause di questo fenomeno sono le proprietà chimiche e la gestione termica della batteria. La composizione chimica di una batteria influenza il modo in cui risponde allo stress. Ma oltre alle proprietà chimiche delle celle, le tecniche di controllo della temperatura variano in base ai modelli del veicolo: una distinzione importante è il raffreddamento/riscaldamento della batteria mediante aria o liquido.

Confrontiamo un veicolo con un sistema di raffreddamento a liquido con un sistema di raffreddamento ad aria passivo, rispettivamente Tesla Model S 2015 e Nissan Leaf 2015. Leaf ha un tasso di degrado medio del 4,2%, mentre Tesla del 2,3%. Si può quindi evincere che una buona gestione termica garantisce una migliore protezione dal degrado.

Grafico che mostra il degrado della batteria di Tesla Model S 2015 vs Nissan Leaf 2015

Figura 2: confronto tra il degrado della batteria di Tesla Model S 2015 (raffreddamento a liquido) e Nissan Leaf 2015 (raffreddamento ad aria passivo).

Stato di carica (SOC) ed effetto buffer

Un altro elemento con cui i produttori motivano le differenze riscontrate nello stato di salute delle batterie è il modo in cui viene controllato lo stato di carica. Infatti, l'utilizzo di una batteria quasi piena o scarica ha implicazioni sul suo stato di salute. Per limitare questo effetto molti produttori aggiungono un buffer, che impedisce in modo efficace l'accesso alle estremità della finestra SOC (mostrata nell'immagine seguente).

Oltre ai buffer di protezione all’estremità superiore e inferiore della capacità delle batterie, molti veicoli consentono al proprietario di interrompere la normale ricarica giornaliera a un livello inferiore al 100%.

 

Grafico che mostra i buffer di protezione della batteria che controllano lo stato di carica

Figura 3: i buffer di protezione della batteria controllano lo stato di carica utilizzabile dei veicoli elettrici.

 

La rimozione degli estremi non viene eseguita solo per garantire la salute della batteria, ma anche la sicurezza del veicolo. Infatti, alle estremità la batteria non sarebbe in grado di accettare o erogare la potenza massima e l'esperienza di guida ne risentirebbe. Per concludere, quindi, una batteria al 100% non è completamente carica dal punto di vista delle proprietà chimiche pure. Allo stesso modo, 0% non significa completamente vuota. Poiché i proprietari dei veicoli non possono accedere a queste parti della capacità delle batterie per motivi di sicurezza e durata della batteria, è probabile che molti non ne siano a conoscenza. Grazie agli aggiornamenti software over-the-air è possibile che le dimensioni del buffer cambino nel tempo, come scoperto da alcuni proprietari Tesla nel 2019, quando hanno notato una diminuzione nella loro capacità massima. Tesla ha confermato che l'aggiornamento aveva lo scopo di "proteggere la batteria e aumentarne la durata".

Inoltre, alcune case automobilistiche presentano dei tetti di carica regolabili, in cui l'utente può preimpostare il livello raggiunto al quale la batteria smette di ricaricarsi (ad esempio, al 75% invece che al 100%). Questa porzione di carica definibile a discrezione del proprietario del veicolo (B nel grafico) funziona in combinazione con il buffer non discrezionale (A) per limitare il funzionamento della batteria in aree di maggiore degrado.

Prendiamo in considerazione un esempio. La Chevrolet Volt - in particolare se si considerano i modelli dei primi anni - ha buffer di protezione superiori e inferiori relativamente elevati (regioni A e D) che cambiano in modo dinamico con l'invecchiamento della batteria. Mentre i buffer più alti comportano meno energia per la guida, il risultato dovrebbe essere una batteria più duratura. Dati i buffer con stato di carica più elevati, la gestione termica dei liquidi e la dimensione dinamica (decrescente) del buffer, per la Volt si dovrebbero riscontrare tassi di degrado inferiori alla media.

Immagine con grafico che mostra lo stato della batteria Chevrolet Volt rispetto agli altri veicoli

Figura 4: degrado nel tempo della batteria di una Chevrolet Volt rispetto a tutti gli altri veicoli .

Quali altri fattori influenzano lo stato della batteria?

Sulla base dei dati telematici disponibili siamo stati in grado di valutare il degrado della batteria. Sono stati presi in considerazione diversi fattori a cui i veicoli erano esposti per verificare se vi fosse una correlazione con il peggioramento dello stato di salute. Questi fattori includono:

utilizzo, condizioni climatiche estreme etipologia di ricarica.

Nel tempo l’obiettivo è’ di trasformare queste informazioni dettagliate in uno strumento di analisi del degrado della batteria in grado di prevedere in modo più preciso lo stato di salute dei veicoli elettrici.

Un utilizzo intensivo del veicolo non equivale a un maggiore degrado della batteria

Un'interessante informazione emersa dallo studio è che statisticamente i veicoli a utilizzo intensivo non mostrano un degrado della batteria più elevato. Questa dovrebbe essere una buona notizia, poiché non puoi ottenere dei vantaggi da un veicolo elettrico se questo rimane fermo nel parco veicoli.

Il punto della questione? Non avere paura di mettere alla prova il tuo veicolo elettrico con cicli di lavoro a utilizzo intensivo. Finché rientrano nel raggio di guida giornaliero non si verificherà un impatto negativo sulla durata della batteria. Un avvertimento: se un utilizzo intensivo richiede una ricarica rapida a corrente continua (DCFC) di routine, assicurati di leggere la sezione relativa agli effetti della tipologia di ricarica.

 

Grafico che mostra i livelli di carica variabili tra livello 1 e 2

Figura 5: la quantità di utilizzo non sembra avere un impatto significativo sui tassi di degrado.

I veicoli usati a temperature elevate mostrano un deterioramento più rapido dello stato di salute della batteria

Una batteria esposta a temperature molto elevate sarà soggetta a più danni, ma in che misura? Un veicolo elettrico in Arizona avrà una durata della batteria diversa rispetto allo stesso veicolo usato in Norvegia? Per scoprirlo abbiamo raggruppato i veicoli in base alle seguenti condizioni climatiche:

  • Clima temperato (meno di 5 giorni l'anno con una temperatura superiore a 27 °C o inferiore a -5 °C)
  • Clima caldo (più di 5 giorni l'anno con una temperatura superiore a 27 °C)

Come illustrato di seguito, i veicoli usati in condizioni climatiche con temperature elevate hanno riportato un tasso di deterioramento notevolmente più rapido rispetto a quelli usati in condizioni climatiche temperate. 

Grafico che mostra come il caldo intenso incide sullo stato della batteria

Figura 6: le batterie esposte a giornate di caldo intenso si degradano più velocemente di quelle soggette a climi temperati.

Il tipo di carica

Abbiamo esaminato il livello di carica predominante usato per i veicoli elettrici nel nostro sistema. Le stazioni di ricarica EV sono classificate in tre tipologie:

  1. Livello 1 (120 V: normale presa domestica solo in America del Nord)
  2. Livello 2 (240 V: tipico per la ricarica domestica o di un parco veicoli)
  3. Caricatore veloce a corrente continua (DCFC: per ricariche più veloci).

Per una panoramica della ricarica e dei relativi costi, leggi la nostra guida alla ricarica dei veicoli elettrici.

La ricarica in gran parte d'Europa è indicata come ricarica CA (generalmente equivalente a L2 in America del Nord) e ricarica CC (i caricatori DCFC descritti in precedenza).

Mentre il Livello 2 viene spesso citato come modalità ottimale per caricare un veicolo elettrico, la differenza di stato di salute della batteria tra i veicoli che vengono normalmente caricati al Livello 2 rispetto a quelli che usano il Livello 1 sembra essere osservabile, ma non supera il livello di significatività statistica.

Grafico che mostra i livelli di carica variabili tra livello 1 e 2

Figura 7: degrado della batteria dei veicoli caricati principalmente al Livello 1 rispetto al Livello 2.

 

Tuttavia l'uso di caricatori DCFC sembra avere un impatto sulla velocità di degrado delle batterie. La ricarica rapida di una batteria comporta correnti elevate che si traducono in temperature elevate ed è noto che entrambi i fattori mettono sotto sforzo le batterie. Molte case automobilistiche suggeriscono di limitare l'uso di caricatori DCFC per prolungare la durata della batteria dei veicoli.

Ora diamo un'occhiata a tutti i veicoli elettrici a batteria nello stesso gruppo climatico (abbiamo scelto di esaminare il gruppo più sensibile: quello dei veicoli che operano in condizioni climatiche estreme) e li classifichiamo in base alla frequenza con cui hanno utilizzato un caricatore DCFC: mai, occasionalmente (1-3 volte al mese) e frequentemente (più di 3 volte al mese).

Grafico che mostra come l

 

Figura 8: il degrado della batteria sembra essere fortemente correlato all'uso di caricatori DCFC nei veicoli soggetti a climi fortemente stagionali o ad alte temperature.

 

La differenza tra i veicoli che non hanno mai usato caricatori DCFC e quelli che li hanno usati anche solo occasionalmente in zone a clima fortemente stagionale o caratterizzate da alte temperature. Anche se possono esserci altri fattori in gioco ( non si trattava di un esperimento controllato), la ricarica tramite L2 a bassa potenza dovrebbe essere preferita.

Suggerimenti per prolungare la durata della batteria dei veicoli elettrici

Sebbene il degrado della batteria varia in base al modello e alle condizioni esterne - quali il clima e il tipo di ricarica - la maggior parte dei veicoli attualmente in circolazione non ha subito un deterioramento significativo. In effetti, il degrado complessivo è stato molto modesto, con una perdita media di capacità pari appena al 2,3% annuo. In condizioni climatiche e di ricarica ideali la perdita è dell'1,6%.

 

Sebbene alcuni aspetti non possano essere controllati dall'operatore, esistono diversi modi per prolungare la durata della batteria dei veicoli elettrici.

Alcuni suggerimenti per il funzionamento dei veicoli elettrici:

  • Evitare di tenere l'auto ferma con una carica completamente piena o vuota. L'ideale è mantenere lo stato di carica tra il 20 e l'80% - in particolare quando il veicolo rimane fermo per lunghi periodi - e ricaricarlo completamente solo per i viaggi a lunga distanza.
  • Ridurre al minimo la ricarica rapida (DCFC). Alcuni cicli di lavoro a utilizzo intensivo richiedono una ricarica più rapida, ma se il veicolo rimane fermo durante la notte il Livello 2 dovrebbe essere sufficiente per la maggior parte delle esigenze di ricarica.
  • Il clima non può essere controllato dall'operatore, è necessario cercare di evitare il più possibile l'esposizione a temperature molto calde, ad esempio parcheggiando il veicolo all'ombra nelle giornate più torride.
  • L'uso intensivo non è un problema, quindi non esitare a mettere il parco veicoli al lavoro. Un veicolo elettrico non è utile se rimane fermo nel parco mezzi e percorrere molti chilometri per veicolo rappresenta una best practice di gestione della flotta.

Considerazione finale: non preoccuparsi quando non ce n'è bisogno. Anche se i veicoli sono dotati di grandi batterie, la perdita di capacità potrebbe non influire sulle esigenze di guida quotidiane e non deve mettere in secondo piano i numerosi vantaggi offerti dai veicoli elettrici.

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