Tutti i segreti della batteria Ultium (e come GM la migliorerà)

GM Ultium

InsideEVs US intervista Jerry Beemer, capo del dipartimento EV Propulsion. Vediamo com’è fatta la piattaforma elettrica del gruppo

La Cadillac Lyriq è uno dei primi modelli a utilizzare la piattaforma Ultium di General Motors. Questo sistema di trasmissione è ora alla base di tutti i veicoli elettrici attuali (e futuri), a eccezione della Chevy Bolt EV.

Il sistema Ultium, quindi, è in un certo senso il centro a cui ruota tutto il processo con cui la Casa americana sta affrontando la transizione ecologica. InsideEVs US ha quindi intervistato Jerry Beemer, che dirige il team “EV Propulsion” di GM per capire nel dettaglio come funziona questa tecnologia.

Una base comune

Partiamo dai dati della Cadillac Lyriq, che già ci fornisce una serie di indicazioni di base sulla batteria che usa, per esempio, celle a sacchetto da 103 Ah ciascuna (in kWh fa 0,372). Hanno chimica NMC, con 3,6-3,7 volt nominali. Il pacco da 102 kWh del SUV americano dispone di 12 moduli, con una tensione nominale di circa 345 volt, ma il sistema è altamente modulabile.

Il cuore della piattaforma Ultium è la batteria Ultium, formata da celle da 103 ampereora molto lunghe e sottili che utilizzano un derivato della chimica del nichel-manganese-cobalto (NMC). Questa soluzione garantisce una tensione di picco di circa 4,2 V e una tensione nominale di circa 3,6 V. La prossima Chevy Bolt sarà presumibilmente basata sulla stessa piattaforma, ma utilizzerà una chimica diversa, al litio-ferro-fosfato (LFP), per contenere un po’ i costi. Ciò significa che la tensione di picco delle celle sarà di circa 3,65 V, mentre la tensione nominale si aggirerà intorno ai 3,2 V.

Non è chiaro se queste celle avranno la stessa forma delle attuali celle Ultium, ma Beemer ha detto che la cella in sé non è fondamentale per la piattaforma. “In Cina, per esempio, vendiamo le Lyriq con una batteria basata su moduli come quella attuale, ma con una chimica diversa e celle prismatiche di diverse dimensioni”, ha affermato.

In altre parole, sono altri gli elementi chiave che rendono la piattaforma Ultium quello che è. Ci si riferisce al sistema di gestione delle batterie, alla costruzione dei pacchi incentrata sui moduli e ad altri dettagli, come il modo in cui l’elettronica di potenza comunica tra di loro. Il sistema non è definito dalla cella da 103 Ah che la maggior parte degli EV nordamericani di GM utilizza.

Dalle celle ai moduli, dai moduli al pacco batteria

A proposito di queste celle, in ciascun modulo della Lyriq ce ne sono inserite 24, per una tensione nominale del modulo di circa 29V. Ogni modulo è collegato in serie per ottenere la configurazione del pacco Lyriq. Questo dettaglio smentisce la fiducia di GM nella sua architettura a bassa tensione. Per aumentare il voltaggio sarebbe necessaria una rielaborazione della costruzione dei moduli. Per questo motivo, i veicoli che montano meno moduli del Lyriq probabilmente funzioneranno a una tensione inferiore.

L’Hummer EV utilizza le stesse celle e gli stessi moduli, ma la configurazione del pacco di questo mostro è più alta perché, in pratica, monta due pacchi della Lyriq impilati l’uno sull’altro. L’Hummer aziona i motori a 400 V ma può caricare a 800 V grazie a contattori che collegano in serie le due parti della batteria.

Un’architettura ancora a 400 volt

Per quanto riguarda l’alimentazione della trasmissione con una tensione superiore, Beemer ha detto che la casa automobilistica “ha preso in considerazione 800 volt”. Tuttavia, GM non ritiene che tensioni di trasmissione più elevate siano un elemento chiave del puzzle, almeno per il momento. “Non dico che non ci arriveremo mai – ha detto Beemer – ma le priorità sono altre. Prima di tutto, la riduzione dei costi attraverso l’aumento dei volumi di produzione”.

È chiaro che la tensione più bassa non influisce sui tassi di scarica del sistema. La batteria dell’Hummer, pur funzionando a 400 V, può ancora fornire una potenza di 745 kilowatt (1.000 cavalli). La Lyriq AWD con la metà dei moduli può logicamente fornire una potenza di picco di circa 373 kW (500 CV).

Una ricarica fino a 190 kW

La Lyriq può caricare in corrente continua a 190 kW. Calcolare la tensione di carica di picco è difficile perché GM è comprensibilmente cauta nel rivelare il buffer di tensione di carica e scarica delle celle Ultium. Altre case automobilistiche che sviluppano pacchi batteria vorrebbero sapere questo tipo di informazioni.

Questo buffer è la differenza tra la capacità calcolata del pacco con una tensione di picco nota, derivata dalla chimica, e la capacità utilizzabile dichiarata da GM. Per essere precisi, ogni cella non viene caricata al massimo di circa 4,2 V e non viene scaricata al minimo di 2,0 V-2,8 V, soprattutto per motivi di sicurezza e durata del ciclo. Una stima di picco di 4,1 V significherebbe una tensione di carica di 393,6 V.

In termini di ricarica durante la frenata rigenerativa, la Lyriq può raccogliere fino a 240 kW, il che dimostra la fiducia che GM ripone nel sistema. Se i tecnici avessero avuto un approccio più conservativo, non avremmo visto valori di frenata rigenerativa molto più alti del tasso di carica continua del pacco.

Ci sono ancora margini

Sarà interessante vedere dove GM porterà questi tassi di carica/scarica nella Lyriq V, che è una versione ad alte prestazioni dell’auto. Probabilmente spingerà questi limiti di carica/scarica ancora più in alto, forse senza cambiare la cella principale.

A tal proposito, Beemer ha dichiarato che la casa automobilistica “non ha ancora realizzato il pieno potenziale” dell’unità. Nel caso di GM, ciò significa intuire la fisica di ciò che dovrebbe accadere alla cella/modulo/pacchetto in determinate condizioni e correlare tali informazioni ai dati dei test. “La maggior parte del nostro lavoro è analitico e poi supportato da alcuni test chiave che lo convalidano”, ha detto Beemer.

Così, mentre GM applica la cella da 103 Ah alla maggior parte dei suoi veicoli elettrici, i dati dei test potrebbero indicare che sono possibili configurazioni diverse. “Man mano che ci si addentra nell’elettrificazione – ha concluso Beemer -, possiamo aspettarci che venga sbloccato più potenziale da un qualsiasi elemento delle celle che sarà sottoposto a migliorie. Qualsiasi fattore di forma sembri ideale, che si tratti di celle a sacchetto, cilindriche o prismatiche, sarà preso in considerazione”.

Di nuovo, si conferma che la piattaforma Ultium si basa su alcune tecnologie fondamentali, ma le celle non sono un’elemento sul quale non si potrà mettere mano.

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