Esplorando i test sulle batterie per l’aviazione

Mar 27, 2023

Parole di Jonathan Dyble

Il carburante alternativo nel settore dell’aviazione sta cominciando a prendere slancio. Nel novembre 2021, gli ingegneri della Rolls Royce hanno battuto il record di velocità elettrica con Spirit of Innovation. L'aereo modificato in kit sportivo, dotato della più recente tecnologia delle batterie e di un propulsore completamente elettrico, ha raggiunto una velocità di 555,9 km/h (345,4 mph). È passato più di un anno da quando questa impresa è stata raggiunta e le tecnologie per l'elettrico e gli aerei ibridi continuano a maturare. Ad esempio, si prevede che presto volerà l’aereo sperimentale X-57 completamente elettrico della NASA, che utilizza batterie al litio per far funzionare i motori elettrici di 14 eliche ed è focalizzato sull’esame degli effetti della propulsione elettrica distribuita.

Nonostante i problemi legati all’elettrificazione, gli addetti ai lavori ritengono che gli aerei elettrici siano adatti per i voli commerciali a corto raggio nel medio termine.

Tuttavia, ci sono ancora molte sfide che i costruttori di aerei che sviluppano sistemi di propulsione elettrica, sia ibridi che elettrici, continuano ad affrontare. Dalla decisione su quali celle della batteria utilizzare, alla configurazione delle celle, all'ottimizzazione di dimensioni, peso e potenza, fino alla valutazione esatta delle prestazioni delle batterie nei casi d'uso reali, gli ingegneri hanno ancora molte nuove tecnologie e approcci da esplorare mentre sviluppano le loro strategie di test e prodotti finali.

I test nella galleria del vento hanno convalidato le prestazioni dell'elica e dei processi di raffreddamento del motore elettrico dell'Airbus EcoPulse (Immagine: Airbus)

Fortunatamente, il settore dei veicoli elettrici (EV) sta aprendo la strada a progressi più rapidi. Le tecnologie delle batterie agli ioni di litio, principalmente per i veicoli elettrici, si sono evolute notevolmente negli ultimi 15 anni. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) stima che nel 2022 il prezzo delle batterie agli ioni di litio per i veicoli elettrici sarà inferiore di circa l’89% rispetto al 2008. Bloomberg prevede che i costi delle batterie agli ioni di litio scenderanno al di sotto dei 100 dollari/kWh quest’anno e dei 61 dollari /kWh entro il 2030, quando raggiungeranno la parità di prezzo con i modelli a combustibile convenzionale, se non l’hanno già fatto.

Tuttavia, è difficile trasferire questi progressi dal settore automobilistico a quello aerospaziale. Non si tratta semplicemente di aumentare le batterie approvate per il settore automobilistico per l'uso negli aerei.

"La tecnologia alla base delle batterie a livello di cella è fondamentalmente la stessa sia per il settore aerospaziale che per quello automobilistico. Ma nella prima incarnazione dell'elettrificazione aerospaziale le diverse applicazioni determinano cambiamenti significativi in ​​tutti gli elementi dei processi di progettazione, sviluppo, produzione e certificazione", spiega Martin Dowson, ingegnere capo e responsabile dell'ingegneria e della ricerca sui sistemi di batterie presso WMG nel Regno Unito.

WMG è un dipartimento accademico dell'Università di Warwick che ha testato pacchi batterie per veicoli elettrici per le case automobilistiche sin dalla loro introduzione e ora è sempre più al servizio del settore aerospaziale. Dowson conosce bene le sfide tecniche e normative relative all'uso delle batterie negli aerei.

"Gli operatori del settore aerospaziale devono effettivamente dimostrare che le batterie sono sicure, mentre gli operatori del settore automobilistico sono più concentrati sul superamento di test di sicurezza discreti", afferma.

"Le automobili hanno solo un pacco batteria per veicolo, mentre gli aerei richiedono un sistema di accumulo dell'energia composto da più pacchi, configurati in modo tale da resistere al guasto dei singoli elementi. Inoltre, sia a livello di sistema che di pacco, le caratteristiche chiave di un il pacchetto automobilistico diventerà fondamentale per la sicurezza in un’applicazione aerospaziale”.

Qui, Dowson sottolinea l'importanza di SOX (State Of X), una stima basata su modello di diversi stati della batteria come stato di carica (SOC), stato di energia (SOE), stato di potenza (SOP) e stato di salute (SOH). SOX fornisce approfondimenti sullo stato di salute e sulle prestazioni delle celle nei moderni sistemi di gestione delle batterie.

"Nel settore automobilistico, SOX ha una modalità di guasto", afferma Dowson. "Ciò può portare all'insoddisfazione del cliente, ad esempio in caso di bassi livelli di carica le prestazioni del veicolo possono diminuire leggermente.

"Ma in un'applicazione aerospaziale, questi dati diventano fondamentali per la capacità di un aereo di atterrare in sicurezza o di eseguire scenari di atterraggio abortiti - operazioni che richiedono energia. Nelle applicazioni automobilistiche, i conducenti possono rallentare e zoppicare verso casa. Gli aerei non sono ammessi. questo lusso."