IMPIANTO Ba.Co. (BAttery COoling)

Le batterie per autotrazione sono utilizzate per muovere i veicoli elettrici e sono unie a formare dei moduli. Per modulo si intende l’insieme costituito da quattro batterie connesse in serie, più il sistema elettronico di controllo BMS (Battery Management System), il sistema di raffreddamento e la meccanica. Lo stesso modulo può essere impiegato per più applicazioni: realizzando tre moduli standard, uno da 30Ah (piccola taglia), uno da 60Ah (media taglia) ed uno da 100Ah (grande taglia) è possibile raggiungere i livelli di tensione/amperora richiesti da tutte le possibili applicazioni nel campo dell’avviamento/alimentazione ausiliari (anche nel settore nautico) e trazione di veicoli elettrici off-road. Più moduli della stessa tipologia possono essere connessi (o integrati, come recita il titolo) in combinazioni serie/parallelo per costruire sistemi batterie con le caratteristiche richieste.

La ricerca in ENEA mira allo studio del comportamento termico delle batterie e definizione della modalità di raffreddamento (ad aria, o ad acqua) più efficace per il modulo batterie sopra definito.

L’autotrazione elettrica è fortemente condizionata dalle prestazione dei sistemi di accumulo. Oltre allo sviluppo di nuove tipologie di batterie più performanti in termini di potenze ed energia immagazzinabile, si sta evidenziando sempre di più la necessità di affidabilità e mantenimento delle prestazioni nel tempo; a tale proposito, è noto che un fattore fondamentale per ottenere questi risultati è contenere le temperature di esercizio entro dei valori dipendenti dal tipo di batteria. Gli accumulatori sono in genere costituiti da moduli a loro volta realizzati assemblando elementi unitari (celle); già in un singolo modulo si possono quindi verificare situazioni di scambio termico sfavorevoli per alcuni suoi elementi. Considerando infine l’assemblaggio in spazi ristretti, situazione usuale nelle vetture elettriche, si capisce come sia importante disporre di un’efficace sistema di rimozione del calore.

La facility sperimentale BA.CO di ENEA, consente di provare ogni modulo, anche con differenti geometrie e costituiti da batterie di differente taglia, valutando la prestazione del circuito di raffreddamento al variare dei pochi parametri possibili di cambiamento all’intenro di un autoveicolo (portata, temperatura del fluido refrigerante, Con queste informazioni è anche possibile ipotizzare scelte di tipologia e installazione ei ventilatori da usare in base alle diverse richieste e situazioni geografiche.

Fig 2: Vista dell’impianto Ba.Co.

L’impianto sperimentale Ba.Co (Battery Cooling) è stato progettato, realizzato e sviluppato presso Il Laboratorio di Termofluidodinamica dell’Unità Tecnica UTTEI del C.R. Casaccia dell’ENEA.

Lo scopo principale dell’impianto Ba.Co. è lo studio dello scambio termico, ai fini di migliorare le prestazioni, di un modulo assemblato di batterie per autotrazione fig. 3. Nella presente attività, il modulo è raffreddato con un fluido (aria) che scorre all’interno di un circuito in cui è inserita una resistenza per variare la temperatura dell’aria. Lo scambio termico avviene, quindi, tra la superficie esterna delle batterie costituenti il modulo ed il fluido che passa attraverso di esso in convezione forzata senza cambiamento di fase. Preliminarmente viene effettuata una indagine termografica per localizzare i punti di maggiore temperatura, fig. 4.

Il layout dell’impianto Ba.Co. (fig. 5) mostra i principali componenti dell’impianto, mentre la fig. 6 ne mostra una visione d’insieme .

La scelta del fluido di lavoro da utilizzare nella campagna sperimentale, nel ramo secondario, è ricaduta sull’aria per la sua semplicità di utilizzo. I test sono stati eseguiti secondo la seguente procedura: 1) Per mezzo di quattro ventilatori accoppiati due a due in serie ed in parallelo, viene creata una portata d’aria nota e stabile; 2) Attraverso una resistenza immersa nel flusso d’aria la temperatura del fluido viene portata al valore desiderato; 3) Attivando un ciclo di carica e scarica elettrica della batteria viene controllato lo stato termico di essa (temperatura e sua distribuzione) per verificare l’efficienza del raffreddamento Complessivamente i risultati ottenuti, mostrano che il raffreddamento del modulo di batterie è efficace utilizzando l’aria come fluido refrigerante, senza dover ricorre ad altri fluidi più difficili da usare in presenza di elettricità (acqua).

Fig 3: Disposizione delle termocoppie sulle batterie

Fig 4: Risultati tipici ottenuti dalla termografia durante i cicli di scarica

Fig 5: Layout dell’impianto BACO

Fig 6: Visione d’insieme dell’impianto BACO