Gestione termica della batteria: raffreddamento, riscaldamento e precondizionamento

Una batteria fredda può richiedere riscaldamento prima della ricarica rapida; una calda può dover essere raffreddata per accettare la stessa potenza. La gestione termica trasferisce calore dentro e fuori dal pacco, preparandolo alla guida o alla ricarica e limitando consumi e differenze di temperatura.

Questo capitolo prosegue la spiegazione della costruzione delle celle in Formati delle celle e dell'integrazione nel veicolo in Pacco batteria e configurazione.

Perché cambiano le temperature obiettivo

Le basse temperature aumentano la resistenza e rallentano i processi che consentono alla cella di accettare carica. Nelle celle agli ioni di litio con grafite, una corrente di carica eccessiva può depositare litio metallico sull'elettrodo negativo anziché immagazzinarlo nella grafite. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Chimica delle celle e componenti spiega questo meccanismo di deposizione del litio.

Questi limiti influenzano sia la ricarica sia la guida. Il manuale Tesla della Model 3 descrive una riduzione della velocità di ricarica e della frenata rigenerativa a batteria fredda, oltre al riscaldamento prima di una sosta di ricarica programmata. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning

Riscaldare le celle può migliorare la ricarica, ma l'esposizione prolungata al calore accelera l'invecchiamento. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Gli effetti a lungo termine di temperatura e stato di carica sono trattati in Degrado della batteria. Prima di una ricarica rapida, il veicolo può preparare una batteria già abbastanza calda per la guida; Audi descrive a questo scopo il riscaldamento di una batteria e-tron GT molto fredda. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

I costruttori indicano temperature per finalità diverse. La documentazione Audi del 2021 riporta 30–35°C come temperatura preferita della batteria dell'e-tron GT originale. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021) L'annuncio Porsche del Cayenne Electric del 2025 specifica invece una condizione iniziale di ricarica: la curva ottimale di ricarica rapida dichiarata è raggiungibile da una temperatura della batteria di 15°C. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025)

Produzione e accumulo di calore

La resistenza e le perdite elettrochimiche generano calore durante carica e scarica. Per il contributo resistivo:

P = I²R

Qui P è la potenza termica in watt, I la corrente in ampere e R la resistenza in ohm. A resistenza invariata, raddoppiare la corrente quadruplica la potenza termica resistiva. Le reazioni delle celle hanno anche un contributo termico reversibile che può rilasciare o assorbire calore secondo i materiali degli elettrodi, lo stato di carica e la direzione della corrente. Wind and Vie: Entropy Profiles for Li-Ion Batteries (2025)

La temperatura del pacco sale quando il calore generato e ricevuto supera quello smaltito. Celle e materiali accumulano energia termica: dopo l'attivazione del raffreddamento serve quindi tempo per modificare le temperature in tutto il pacco.

All'interno di una cella, capacità termiche e resistenze termiche dei materiali regolano l'evoluzione della temperatura e il trasferimento di calore alla superficie di raffreddamento. Li e colleghi modellano queste proprietà separatamente per il gruppo di elettrodi, i collettori di corrente e l'involucro. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021)

Come il calore lascia la batteria

Il raffreddamento comprende due compiti collegati: trasferire il calore dall'interno delle celle a una superficie di raffreddamento e trasportarlo dove possa essere assorbito o dissipato. Il circuito del liquido di raffreddamento o del fluido frigorigeno determina il secondo passaggio; la costruzione delle celle e il contatto con la struttura di raffreddamento determinano il primo.

Dissipazione passiva e aria forzata

Il raffreddamento passivo dissipa calore attraverso la struttura del pacco e l'aria circostante. Quello ad aria forzata usa una ventola. L'aria può semplificare l'hardware, ma la sua bassa capacità termica rende più difficili smaltimento del calore e uniformità di temperatura rispetto al liquido. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

La Nissan LEAF e+ di seconda generazione è un utile esempio di raffreddamento passivo. La pubblicazione tecnica Nissan del 2022 classifica il sistema LEAF come dissipazione naturale del calore. Nella prova con guida autostradale e ricariche rapide ripetute, le prestazioni di ricarica della LEAF e+ diminuivano dalla seconda ricarica con l'aumento della temperatura. L'Ariya raffreddata a liquido manteneva le prestazioni in quella prova. Nissan Technical Review No. 88: Ariya battery and thermal control (2022)

Raffreddamento indiretto a liquido

In un sistema indiretto, strutture solide separano il liquido dalle celle. La resistenza termica degli strati intermedi influenza lo smaltimento del calore. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

La documentazione Audi del Q4 e-tron del 2021 descrive una miscela acqua-glicole che scorre in canali piatti sotto i vani delle celle. Una pasta termoconduttiva collega la batteria alla struttura di raffreddamento; un riscaldatore ad alta tensione scalda il liquido quando necessario. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

Il circuito liquido porta il calore fuori dal pacco, ma deve poi dissiparlo. Un radiatore trasferisce calore dal liquido all'aria esterna quando la differenza di temperatura lo permette. Un chiller lo trasferisce al fluido frigorigeno del climatizzatore, consentendo il raffreddamento tramite compressore quando la sola aria esterna non basta. Audi descrive l'accoppiamento del circuito batteria dell'e-tron GT originale al circuito frigorifero sotto carichi elevati. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Con un chiller, il calore passa dalle celle alla struttura di raffreddamento, al liquido, al fluido frigorigeno e infine allo scambiatore esterno. Diversamente dal solo radiatore, la refrigerazione può raffreddare la batteria sotto la temperatura dell'aria ambiente.

Raffreddamento diretto con fluido frigorigeno

In un sistema diretto, il fluido frigorigeno attraversa la struttura di raffreddamento senza un circuito acqua-glicole intermedio. Il calore lo raggiunge attraverso la struttura esterna alle celle sigillate; il circuito frigorifero lo porta fuori dal veicolo. BMW descriveva questa soluzione nel materiale tecnico dell'i3 del 2013. BMW i Innovation Days: refrigerant cooling (April 2013)

Contatto e posizione del raffreddamento

Raffreddare dalla base o dal lato di una cella crea percorsi termici diversi nei materiali interni. Lo studio di Li e colleghi sulle celle cilindriche mostra perché involucro e collegamenti interni influenzano il risultato. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021) Formati delle celle approfondisce questi percorsi direzionali e gli esempi di raffreddamento tramite linguette.

L'annuncio tecnico Porsche del Cayenne Electric del 2025 descrive il raffreddamento della batteria dall'alto e dal basso. È un esempio concreto dell'aggiunta di superfici per regolare la temperatura di un pacco con grandi celle pouch. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025) Il ruolo strutturale e la disposizione dei moduli sono trattati in Pacco batteria e configurazione.

Come si riscalda la batteria

Un riscaldatore del liquido converte energia elettrica in calore e lo fa circolare attraverso la struttura di raffreddamento. Può preparare un pacco freddo senza attendere che le perdite di guida lo scaldino. Il sistema originale del Q4 e-tron descritto sopra usa questo metodo. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

Le pompe di calore trasferiscono calore tra livelli di temperatura tramite un circuito frigorifero. In condizioni adatte, il calore fornito supera l'energia elettrica consumata dal compressore perché una parte proviene da un'altra fonte. Per una pompa ad aria, l'aria esterna più fredda riduce il calore disponibile e può ridurre l'efficienza. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

La possibilità di riscaldare la batteria dipende dal collegamento della pompa di calore al circuito batteria. Il calore può anche fluire al contrario: la documentazione dell'e-tron GT originale descrive l'uso del calore residuo dei componenti ad alta tensione per scaldare l'abitacolo. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

I sistemi integrati possono reindirizzare calore che altrimenti verrebbe dissipato. Nissan descrive la combinazione dei circuiti termici di abitacolo, batteria e propulsione per riutilizzare il calore di guida e ricarica nella climatizzazione e nella regolazione della batteria. Nissan: electric vehicle thermal conditioning Il recupero è utile quando è disponibile una fonte adatta; dopo un raffreddamento prolungato, inizialmente può esserci poco calore residuo.

Misura e controllo della temperatura

Il sistema di gestione della batteria misura tensioni, corrente e temperature e usa questi dati per gestirne i limiti operativi. Texas Instruments: EV battery management systems I sensori rilevano le condizioni nel punto in cui si trovano. Non misurano direttamente ogni punto all'interno di ogni cella.

La temperatura interna può differire da quella superficiale. La ricerca NREL sulla ricarica estremamente rapida ha esaminato misure interne alle celle e il rapporto tra variazioni termiche e comportamento non uniforme. NREL: Heat Generation Concerns Associated with Extreme Fast Charging (2020) Perciò una temperatura media del pacco o un singolo valore sul cruscotto non ne descrivono completamente lo stato termico.

Una distribuzione non uniforme del liquido o del contatto può lasciare zone calde nel pacco. Il progetto deve considerare i percorsi termici locali e la capacità complessiva di smaltimento. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

Il BMS e le altre centraline coordinano la potenza consentita con l'hardware termico. Se la batteria non può accettare la corrente richiesta entro i propri limiti, il veicolo deve ridurla mentre il riscaldamento o raffreddamento agisce. Sistema di gestione della batteria spiega il monitoraggio e le decisioni sui limiti di potenza; la gestione termica fornisce i mezzi fisici per cambiare temperatura.

Il controllo predittivo aggiunge informazioni su ciò che avverrà. La documentazione Audi del Q6 e-tron del 2024 descrive l'uso dell'orario di partenza, del percorso e dei dati di navigazione per pianificare il condizionamento, oltre al condizionamento dopo l'utilizzo. Audi: Q6 e-tron technical facts (2024) Anticipare è importante perché l'interno delle celle reagisce più lentamente di quanto serva ad accendere un riscaldatore o compressore.

La gestione termica normale controlla la temperatura durante guida e ricarica; Sicurezza delle batterie tratta il contenimento dei guasti e la protezione dalla propagazione della fuga termica.

Precondizionamento per ricarica e partenza

Il precondizionamento avvicina la batteria alle condizioni necessarie per un compito imminente. Per la ricarica rapida può significare scaldare un pacco freddo o raffreddarne uno caldo. Il manuale statunitense Kia dell'EV9 del 2026 descrive entrambi i casi e precisa che la preparazione richiede tempo ed energia della batteria. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Preparazione a una colonnina rapida

Il precondizionamento legato alla navigazione sfrutta la sosta prevista per iniziare la preparazione durante il viaggio. Per l'e-tron GT originale, Audi indicava un'intensificazione del raffreddamento circa mezz'ora prima di arrivare a una colonnina rapida selezionata nel navigatore. Descriveva separatamente il riscaldamento di una batteria molto fredda poco dopo un avvio invernale per prepararla alla ricarica rapida. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

L'attivazione manuale è utile quando si sceglie una sosta fuori dal pianificatore integrato. La descrizione Volkswagen dell'ID.7 di gennaio 2024 cita Google Maps o Waze tramite App Connect: il precondizionamento manuale è utile quando il pianificatore di fabbrica è inattivo. Volkswagen Netherlands: automatic and manual ID.7 preconditioning (January 2024)

Lo schermo mostra una capacità di ricarica rapida attuale stimata di 155 kW e una possibile ottimizzazione a 162 kW, con una stima del tempo di preparazione. Sono stime del veicolo, non misurazioni di ricarica. Iniziare poco prima dell'arrivo può lasciare tempo insufficiente.

Un indicatore attivo segnala che la preparazione è in corso, non che la temperatura obiettivo è stata raggiunta. Dopo il collegamento, la potenza dipende anche da stato di carica, curva del veicolo e capacità della colonnina, come spiega Ricarica della batteria.

Preparazione prima della partenza

Climatizzazione programmata dell'abitacolo, precondizionamento della batteria e completamento della ricarica sono funzioni distinte. Un timer di partenza può coordinarle, ma il funzionamento preciso va verificato nel manuale.

Quando il precondizionamento usa elettricità di rete prima della partenza, può preservare l'energia immagazzinata per il viaggio. Il rapporto DOE sul freddo lo illustra con prove di precondizionamento dell'abitacolo: su un ciclo urbano di 7,5 miglia (circa 12 km) a 20°F (circa −7°C), il consumo diminuiva del 9–20%. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

La preparazione alla partenza può scaldare abitacolo e batteria per la guida. Il manuale Tesla della Model 3 descrive, per esempio, il riscaldamento della batteria secondo necessità quando si attiva il precondizionamento dell'abitacolo. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning Preparare una sosta di ricarica ad alta potenza è un compito distinto che può richiedere ulteriore riscaldamento o raffreddamento.

Il manuale statunitense Kia dell'EV9 del 2026 descrive anche il precondizionamento avviato dall'app a veicolo parcheggiato. In questa modalità termina quando la batteria raggiunge l'intervallo adeguato oppure dopo 30 minuti. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Carica bassa e limiti di attivazione

Il precondizionamento consuma energia che può servire anche per raggiungere la colonnina. Il manuale statunitense Kia dell'EV9 del 2026 indica che la funzione può essere indisponibile a carica bassa per preservare l'autonomia, senza precisare una percentuale in quella sezione. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Entrambe le immagini mostrano un SOC del 12%: una contiene il simbolo del precondizionamento attivo, l'altra il messaggio «Batteria scarica. Condizionamento batteria disattivato». Il SOC arrotondato documenta gli stati osservati senza stabilire la soglia esatta di disattivazione.

Consumi e prestazioni ripetute

Il precondizionamento ha un costo elettrico. In un calcolo ipotetico, un sistema che assorbe mediamente 6 kW per 20 minuti consuma 2 kWh. Con un consumo di guida ipotizzato di 18 kWh/100 km, equivale all'energia per circa 11 km.

I 2 kWh descrivono energia elettrica assorbita, non calore fornito alle celle. Un riscaldatore resistivo trasforma elettricità in calore, mentre una pompa può aggiungere calore raccolto altrove; una parte scalda altri componenti o si disperde nell'ambiente.

In un viaggio con sosta di ricarica rapida, spendere energia per preparare la batteria può ridurre il tempo di ricarica. Non aumenta automaticamente l'autonomia. Il confronto riguarda energia di preparazione, eventuale riduzione delle perdite e tempo risparmiato.

Le prove di ricarica ripetuta mostrano una capacità diversa da un solo dato di potenza di picco, come illustra il confronto Nissan. Un confronto utile dovrebbe registrare condizioni ambientali, stato di carica all'arrivo, carico di guida e impostazioni del precondizionamento insieme ai risultati.