Perché un numero di cicli da solo non dice nulla
Un ciclo è la conversione di una capacità — carica e scarica. Un ciclo completo corrisponde a una scarica completa, un ciclo parziale a una frazione di essa. Ma per l'invecchiamento non conta il numero di cariche, bensì la quantità totale di carica convertita e le condizioni in cui viene convertita. Ecco perché ogni indicazione di cicli ha bisogno di due informazioni aggiuntive per essere confrontabile: la profondità di scarica (DoD) — quanto in profondità si scarica la cella per ciclo — e il limite di SoH al quale è definita la fine vita.
La profondità di scarica (DoD) agisce fisicamente: una scarica profonda significa maggiore espansione meccanica nel reticolo dell'elettrodo e funzionamento più vicino ai limiti di tensione, dove la decomposizione dell'elettrolita e la crescita dello strato SEI aumentano. Il ciclaggio superficiale sollecita meno la cella — e fornisce quindi un multiplo dei cicli.
Il State of Health (SoH) descrive la capacità ancora disponibile rispetto alla condizione di nuovo, espressa in percentuale. Le schede tecniche fissano di solito la fine vita all'80 % SoH — da quel punto la cella è considerata consumata anche se tecnicamente continua a funzionare.
La stessa cella, durata completamente diversa
La seguente tabella mostra una cella LiFePO4 tipica in diverse condizioni operative. I numeri sono ordini di grandezza, non una garanzia di scheda tecnica — ma rendono visibile l'effetto leva:
| Profondità di scarica (DoD) | Fine vita (SoH) | cicli raggiungibili |
|---|---|---|
| 100 % | 80 % | ~3.000 |
| 80 % | 80 % | ~4.500 |
| 50 % | 80 % | ~8.000 |
| 50 % | 70 % | ~12.000 |
Due cose saltano all'occhio. Primo: dimezzando il DoD da 100 a 50 %, il numero di cicli non raddoppia, ma aumenta grosso modo di 2,5 volte — la relazione è sproporzionata. Secondo: abbassando anche il limite di SoH accettato dall'80 al 70 %, il numero di cicli utili cresce ancora considerevolmente. La stessa cella fisica 'ha' quindi tra 3.000 e oltre 12.000 cicli a seconda dell'utilizzo. Chi confronta solo 'cicli' confronta mele con arance.
Per la progettazione questo significa: prima si definisce la fine d'uso — quale capacità residua è ancora sufficiente per il funzionamento? — e il DoD viene determinato dal profilo di carico reale. Solo allora un'indicazione di cicli è attendibile.
La batteria invecchia anche sullo scaffale
Accanto all'invecchiamento ciclico scorre quello calendrico: una cella al litio perde capacità anche quando non viene usata. I fattori sono temperatura e stato di carica. Lo stoccaggio caldo a SoC elevato accelera notevolmente la crescita dello strato SEI; conservata fresca e a SoC medio (circa 40–60 %), la stessa cella invecchia considerevolmente più lentamente. Fino al raggiungimento dell'80 % SoH, la durata di vita calendrica è circa un decennio o più a seconda delle condizioni. In applicazioni con pochi cicli all'anno non sarà il numero di cicli a portare alla fine vita, ma il calendario — e allora la temperatura di stoccaggio è più importante di qualsiasi indicazione di cicli.
Il modello nella flotta di proLogistik
Dal 2016 forniamo a proLogistik cassette batteria mobili nella custodia Peli — diverse centinaia di unità all'anno, autonomia fino a una settimana per carica. Nel corso degli anni questo ha prodotto un grande campo di pacci identici sotto carico reale, e questo è esattamente ciò che rende visibile il modello: le unità che raramente vengono scaricate profondamente in servizio e non mantenute permanentemente al 100 % mostrano un SoH residuo notevolmente più alto dopo molte cariche rispetto a quelle che vengono regolarmente scaricate completamente e immediatamente ricaricate al massimo. Non è un risultato di laboratorio, ma la realtà sul campo. Le conseguenze le riportiamo nel progetto: dove l'applicazione lo consente, la finestra utilizzabile viene deliberatamente limitata invece di sfruttare la capacità intera — il SoH residuo successivo è il rendimento di quella decisione.
Regole per la valutazione delle indicazioni di cicli
Un numero di cicli senza DoD e limite di SoH è inutile — richiedere sempre entrambi. Per la stessa cella, il numero di cicli aumenta in modo sproporzionato al diminuire del DoD. Prima definire la fine d'uso (quale capacità residua è sufficiente), poi derivare il DoD dal profilo di carico, poi valutare i cicli. Con pochi cicli all'anno, l'invecchiamento calendrico è il fattore determinante — tenere d'occhio la temperatura di stoccaggio e il SoC di stoccaggio. Dove possibile, limitare la finestra di capacità utilizzabile invece di sfruttarla completamente; questo si ripaga nel SoH residuo.
Se può indicare il proprio profilo di carico — cicli al giorno, profondità di scarica tipica, autonomia residua richiesta a fine vita — la durata realistica di un pacco può essere calcolata invece di stimata. Questa è la base di qualsiasi progettazione onesta.