Scenario-Based Assessment of Thermal Performance, Battery Degradation, and Total Cost of Ownership for EV Battery Thermal Management in Tropical Logistics Operations
Questo studio dimostra che nelle operazioni logistiche tropicali, l'implementazione del pre-raffreddamento predittivo per le batterie dei veicoli elettrici supera significativamente il raffreddamento passivo con aria e quello reattivo con liquido, mantenendo temperature di picco inferiori, estendendo la vita utile della batteria a oltre dieci anni e riducendo il costo totale di proprietà a otto anni del 20,21% rispetto ai sistemi passivi.
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Ogni veicolo elettrico è dotato di un grande pacco batterie che alimenta il suo motore, ma queste batterie sono sensibili al calore. Proprio come il corpo umano funziona al meglio entro un intervallo di temperatura confortevole, una batteria opera in modo efficiente e dura più a lungo se mantenuta fresca. Quando il clima è caldo, la batteria genera il proprio calore durante la guida e la ricarica, e se diventa troppo calda, le reazioni chimiche al suo interno accelerano. Ciò causa la perdita della capacità della batteria di mantenere una carica nel tempo, un processo noto come degradazione. Per le aziende che gestiscono flotte di camion per le consegne in climi tropicali, dove le temperature rimangono elevate tutto l'anno, questo calore è un nemico costante. Esso costringe a sostituire batterie costose prima del previsto, il che comporta spese e crea un flusso costante di vecchie batterie che devono essere riciclate o smaltite. La domanda fondamentale per gli ingegneri è come gestire questo calore: dovrebbero utilizzare metodi semplici ed economici che lascino la batteria scaldarsi, o investire in sistemi più complessi che la mantengano fresca ma che costino di più per il funzionamento?
Un team di ricercatori in Thailandia ha cercato di rispondere a questa domanda simulando la vita di un camion elettrico per la consegna dell'merce nell'arco di otto anni in un ambiente tropicale e caldo. Non hanno costruito un nuovo camion né hanno eseguito un test fisico su una strada reale; al contrario, hanno creato un modello informatico dettagliato che fungeva da laboratorio virtuale. Questo modello ha permesso loro di confrontare tre diversi modi di gestire la temperatura della batteria sotto le stesse condizioni estreme. Il primo metodo era il raffreddamento passivo ad aria, che si affida al flusso d'aria naturale ed è l'opzione più semplice e meno costosa. Il secondo era il raffreddamento liquido reattivo, un sistema che utilizza una pompa per far circolare il refrigerante solo quando la batteria si scalda. Il terzo era il pre-raffreddamento predittivo, un approccio più intelligente che utilizza informazioni sul programma della giornata per raffreddare la batteria prima ancora che inizi a scaldarsi. I ricercatori hanno inserito questi tre scenari nel loro modello per vedere come cambiava la temperatura della batteria ora per ora, quanto velocemente la batteria si sarebbe usurata e quanto sarebbe costato possedere il veicolo nel lungo periodo.
I risultati della simulazione hanno mostrato una chiara differenza nel modo in cui le batterie si comportavano. Con il semplice raffreddamento passivo ad aria, la temperatura della batteria è salita a un picco di 51,07 gradi Celsius durante una giornata calda. Questo calore intenso ha causato un rapido degrado della batteria, raggiungendo il punto in cui era considerata troppo usurata per l'uso dopo soli 3,43 anni. Poiché lo studio riguardava un periodo di otto anni, ciò significava che la flotta avrebbe dovuto acquistare e installare un pacco batteria nuovo due volte. Il sistema di raffreddamento liquido reattivo ha mantenuto la batteria molto più fresca, con un picco di 33,41 gradi Celsius, prolungandone la vita a 5,87 anni. Questa strategia richiedeva una sola sostituzione della batteria durante gli otto anni. La strategia di pre-raffreddamento predittivo è stata la migliore, mantenendo la batteria a un piacevole livello di 31,00 gradi Celsius. In questo scenario, la batteria è rimasta abbastanza sana da durare l'intero periodo di otto anni senza necessità di alcuna sostituzione.
Queste differenze nella durata della batteria si sono tradotte direttamente nel costo totale di possesso del veicolo. Sebbene il sistema di pre-raffreddamento predittivo richiedesse più denaro inizialmente per l'acquisto e l'installazione, e utilizzasse un po' più di elettricità per far funzionare le sue pompe di raffreddamento, ha permesso di risparmiare di più nel lungo periodo. I ricercatori hanno calcolato che, in otto anni, un veicolo che utilizza il raffreddamento passivo ad aria costerebbe 77.700 dollari statunitensi per essere posseduto, principalmente a causa della spesa per l'acquisto di due nuove batterie e del tempo perso durante la riparazione del camion. Il sistema di raffreddamento liquido reattivo ha ridotto tale costo a 72.500 dollari. Il sistema di pre-raffreddamento predittivo è stato il più economico, costando solo 62.000 dollari. Ciò rappresenta un risparmio del 20,21 percento rispetto al metodo di raffreddamento più semplice. Il denaro è stato risparmiato perché il camion non ha mai dovuto fermarsi per una sostituzione della batteria e il veicolo è rimasto in strada a lavorare per tutti gli otto anni.
Oltre al risparmio finanziario, lo studio ha evidenziato un significativo beneficio ambientale relativo alla tempistica dei rifiuti. Ogni volta che una batteria viene sostituita, una nuova entra nel veicolo e la vecchia si sposta verso il sistema di riciclaggio. Mantenendo la batteria fresca ed estendendone la vita, la strategia predittiva ha ritardato l'arrivo delle vecchie batterie al centro di riciclaggio. Nella simulazione di otto anni, il metodo di raffreddamento semplice ha comportato l'ingresso di due vecchie batterie per camion nel sistema di fine vita, mentre il metodo predittivo ha dato come risultato zero. Questo non significa che le batterie siano state salvate per sempre; dovranno comunque essere riciclate. Tuttavia, ritardare questo processo significa che i materiali all'interno della batteria vengono utilizzati per un tempo più lungo prima di diventare rifiuti. Per una grande flotta di camion, questo ritardo si traduce in centinaia di pacchi batteria in meno che entrano nel flusso di riciclaggio durante il periodo di studio, rallentando il turnover delle materie prime.
I ricercatori hanno anche testato quanto questi risultati fossero sensibili ai cambiamenti dell'ambiente. Hanno scoperto che man mano che la temperatura esterna diventava ancora più calda, il vantaggio del sistema di raffreddamento intelligente cresceva. In condizioni di caldo estremo, il sistema di raffreddamento semplice diventava molto più costoso da gestire perché le batterie si degradavano troppo velocemente. Hanno anche esaminato il costo dell'elettricità, notando che, sebbene il sistema intelligente utilizzasse più energia per raffreddare la batteria, i risparmi derivanti dal non dover acquistare nuove batterie erano tali che il maggior costo dell'elettricità non era rilevante. Lo studio ha concluso che, per i veicoli elettrici utilizzati in climi caldi, la scelta migliore non è necessariamente il sistema più economico da acquistare, ma quello che mantiene la batteria abbastanza sana da evitare costose sostituzioni. Le scoperte suggeriscono che investire in una gestione termica più intelligente è un modo pratico per risparmiare denaro e ridurre la frequenza dei rifiuti delle batterie, a condizione che il sistema sia progettato per gestire le sfide specifiche della logistica tropicale.
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