Equilibrare le inomogeneità, o perché un autobus LFP a volte si ferma [The Battery Cycle #5 | Pubblicazione 2026]

Cinque anni fa, grazie alle indicazioni di Claudius Jehle, CEO di volytica diagnostics GmbH, abbiamo avviato la serie di articoli “The Battery Cycle”, con l’obiettivo di chiarire le complessità delle batterie Li-Ion.

La serie ha fornito una grande quantità di informazioni preziose per chiunque sia coinvolto nella mobilità elettrica.

Ora, cinque anni dopo, torniamo su questi stessi argomenti – sempre grazie alla collaborazione con Claudius Jehle – arricchiti da dati del mondo reale e lezioni apprese.

Tutta la serie di articoli, aggiornata di recente, è pubblicata anche in una rubrica monografica che accompagna le edizioni di Sustainable Bus (e delle piattaforme correlate Sustainable Truck & Van e Powertrain International) per tutto il 2026.

Siamo a disposizione per ricevere domande, feedback e contributi all’indirizzo info@sustainable-bus.com.

Foto di riferimento: Forsee Power

Una batteria non è costituita da una sola cella, anche se nella conversazione quotidiana potremmo volerla ridurre a tale concetto. Idealmente dovrebbe comportarsi come se lo fosse, ma come sempre in realtà le cose sono più complesse.

In un sistema batterico, decine o solitamente centinaia di cellule singole vengono collegate in serie (ovvero il polo positivo di una è collegato al polo negativo della successiva e così via), formando una catena. Ogni cellula aggiuntiva aumenta la tensione totale del sistema. Poiché “la potenza” è “tensione x corrente”, raddoppiando la tensione (collegando le cellule in serie) si riduce della metà la corrente necessaria; e dato che il diametro dei cavi è determinato principalmente dalla corrente massima, aumentare la tensione del sistema collegando le cellule in serie aiuta sostanzialmente a ridurre le dimensioni, il peso e i costi dei cavi. Così semplice*. Se vogliamo una maggiore capacità, aggiungiamo intere catene in parallelo.

Ma con questo semplice trucco sorgono nuovi problemi: squilibrio, eterogeneità, energia inaccessibile e la necessità di bilanciare.

Eterogeneità: un esperimento mentale

Se ci allontaniamo da un sistema in cui tutte le cellule sono identiche, ci troviamo di fronte a gravi problemi che spiegheremo qui. Come al solito, iniziamo con analogie semplici che sono (quasi) perfettamente adatte alle conversazioni quotidiane. Consideriamo un sistema costituito da una singola corda (funziona esattamente allo stesso modo anche con sistemi a più corde) e immaginiamolo – attenzione: è una metafora – come una cascata dei bicchieri già introdotti, che si collegano tra loro.

Sareste d’accordo sul fatto che, purché non ci siano perdite, la quantità di liquido che entra dalla parte superiore passi completamente invariata attraverso ogni singola cellula?

Sapete, se ora tutte hanno esattamente la stessa capacità (SoH, articoli successivi) e iniziano tutte alla stessa altezza di carica (tensione), allora tutte hanno lo stesso contenuto iniziale (SoC). Se scorre corrente attraverso la cascata, ogni cella in questo esempio perfetto viene riempita/svuotata con esattamente la stessa quantità di liquido. Se continuate a scaricarle, tutte raggiungeranno simultaneamente il 0% di SoC**. Al contrario, se continuate a caricarle, saranno tutte al 100% di carica nello stesso momento.

Cosa fa attualmente il bilanciamento? In termini molto semplici: il circuito di bilanciamento presente nel Sistema di Gestione delle Batterie deve assicurarsi che tutte le celle abbiano lo stesso livello di SoC (livello di carica), idealmente in ogni momento, affinché il collegamento più debole non limiti le prestazioni complessive nel modo descritto. L’approccio più semplice, ma anche il più comune, è spesso definito bilanciamento passivo e sembra uno spreco: una logica di controllo determina il livello di SoC della o delle celle difettose e scarica tutte le altre celle****. Sì, nell’esempio sopra descritto, un sistema di bilanciamento passivo inizierebbe a far perdere circa il 5% di energia da tutte le 99 celle funzionanti, quasi “sfinendole”*****. Questa energia viene persa.

Sono presenti anche sistemi di bilanciamento attivi, molto più sofisticati, ma soggetti a guasti a causa della loro complessità e che richiedono un investimento elevato. Di conseguenza, tutte le 100 celle finirebbero con lo stesso livello di carica, ma spostando attivamente l’eccesso di carica dalle altre 99 per sostenere quella difettosa, non si perde alcuna carica nel processo.

Quando avviene il bilanciamento?

Nei grandi sistemi fissi molto trafficati, il bilanciamento attivo sta guadagnando terreno. Tuttavia, la semplicità e la robustezza dei sistemi passivi li rendono ancora il metodo preferito in quasi tutte le applicazioni, comprese quelle per autobus e camion. Pertanto, per semplificare, quanto segue vale solo per i sistemi passivi.

Come detto, un sistema di bilanciamento deve prima determinare il SoC di ciascuna cella. Come avete imparato nell’articolo precedente, ciò è particolarmente difficile per gli elettrodomestici in situazioni dinamiche o “irregolari”, ovvero durante il funzionamento o la carica, nonché per le batterie con curve OCV piatte – come quelle a LFP. Pertanto il sistema di bilanciamento richiede lunghi periodi di inattività “rilassati” senza alcun flusso di corrente, ed è ancora più soddisfatto se il SoC è molto alto, poiché la “forma a vetro” della maggior parte delle batterie permette una conversione precisa tra tensione e SoC quando sono quasi piene (o vuote, del resto). Più lungo è il periodo di inattività, più lo squilibrio può essere ridotto attraverso perdite di carica.

Suggerimenti pratici: 1) Pianificate un bilanciamento passivo. Dopo aver caricato la batteria al 100%, seguite le raccomandazioni del produttore per il tempo di funzionamento in standby, in modo che il BMS possa bilanciare efficacemente le celle. 2) Richiedete dati di diagnosi dettagliati della batteria. Chiedete informazioni sulla distribuzione dello SoC, sulle tensioni delle celle e sui parametri di deviazione, idealmente a livello di singola cella o almeno per modulo o stringa. 3) Specificateli nelle gare d’appalto. Richiedete una strategia di bilanciamento definita, un limite massimo per lo squilibrio tra le celle e accesso a lungo termine ai dati grezzi della batteria.

Ora capite perché i produttori raccomandano una fase di funzionamento in standby prolungata subito dopo la carica al 100%? Esattamente: il funzionamento in standby con un alto livello di SoC facilita il bilanciamento – più a lungo, meglio è.

Non abbiamo risposto alle domande sul motivo per cui le celle non si comportano tutte allo stesso modo. Abbiamo fatto riferimento all’esempio in cui una cella è leggermente meno carica delle altre (ovvero SoC). La realtà è molto complessa, con molte interazioni. Per evidenziare un motivo particolarmente importante – e automatico –: a causa di imperfezioni nella produzione, flussi di raffreddamento/riscaldamento irregolari, problemi di saldatura, imperfezioni elettroniche, ecc., alcune celle si degradano leggermente più velocemente delle altre – davvero solo leggermente – causando una variazione nella capacità (SoH). Quando vengono caricate e scaricate continuamente, queste differenze nel SoH fanno sì che i SoC di tutte le celle inizino a divergere in modo simile all’esempio precedente.

Per peggiorare le cose, una cella leggermente più piccola delle altre subisce una corrente maggiore per unità di capacità (C-rate), aumentando ulteriormente lo stress legato alla degradazione e rendendola ancora più piccola rispetto alle altre. Inoltre, è probabile che abbia una resistenza leggermente maggiore, con conseguente aumento della temperatura. Anche la finestra di SoC ne risente. Una “cella pre-lemon” è quindi probabile che continui in una spirale discendente irreversibile.

Mentre il sistema di bilanciamento cerca sempre di uniformare lo SoC, non può influenzare la differenza irreversibile nello SoH. Ciò può essere mitigato da un sistema di bilanciamento per alcuni mesi o anni; almeno l’operatore non sentirà direttamente il processo in corso. Tuttavia, a un certo punto i tempi di bilanciamento diventerebbero così lunghi da rendere gravemente compromessa l’operatività. Oppure, se vengono mantenuti troppo brevi, il rischio di SDE aumenterebbe notevolmente.

Allora, cosa fare?

I produttori OEM e gli altri costruttori sono ben consapevoli di quanto scritto sopra, e i sistemi sono solitamente ben attrezzati con le giuste configurazioni di bilanciamento. Tuttavia è fondamentale che i clienti siano a conoscenza del disequilibrio e dei rischi legati a una prestazione ridotta del sistema per ciascun asset, nonché che venga adottata una strategia di bilanciamento appropriata e rispettate le raccomandazioni del produttore OEM.

In sintesi

I sistemi a batteria sono complessi: sono costituiti da centinaia di celle che agiscono come se ne fosse una sola; in caso contrario, non è possibile estrarre tutta l’energia apparentemente disponibile.

Nelle situazioni peggiori, i sistemi non bilanciati possono improvvisamente subire fenomeni di “esaurimento spontaneo”, con conseguenti fermate improvvise, costose e potenzialmente pericolose durante il funzionamento.

I motivi dello squilibrio e dell’eterogeneità sono complessi. Uno squilibrio iniziale può portare a una degenerazione interna autoalimentata, che peggiora ulteriormente il problema.

È consigliabile seguire le raccomandazioni del produttore originale e tenere traccia in modo indipendente dell’eterogeneità (reversibile e irreversibile) nonché dell’efficacia del bilanciamento.

* Molti lettori potrebbero obiettare: anche l’elettronica di potenza funziona meglio a tensioni più elevate! È vero, ma principalmente per motivi simili, ovvero la densità di corrente.

** Si noti che per il momento consideriamo il processo estremamente rapido, cioè che la resistenza delle celle è estremamente bassa e uguale per ogni singola cella. Naturalmente in realtà non è così.

*** In realtà è il 49,95% (1×45% + 99×50%), ma un SoC non viene mai indicato con due decimali.

**** In realtà, ogni cella con SoC > limite viene scaricata utilizzando piccoli resistori riscaldanti.

****** In effetti, questo processo viene talvolta chiamato “bleeding”, e il circuito che lo implementa utilizza dei “resistori di bleeding”.

L’articolo Balancing inhomogeneities, or why a LFP bus sometimes stops [The Battery Cycle #5 | 2026 RELEASE] è apparso per la prima volta su Sustainable Bus.