Accelerare i test sulle batterie in Europa: il ruolo del gemello digitale nel progetto europeo Thor

Dal settore industriale, all’automotive, fino ai dispositivi indossabili ad uso medico di ultima generazione: sono molteplici gli ambiti applicativi in cui la transizione elettrica, guidata dalle batterie, sta plasmando il futuro del mercato. Lo sviluppo di queste tecnologie richiede un alto grado di progresso tecnologico che, a livello europeo, si traduce nell’implementazione di progettualità condivise, consorzi e sinergie tra pubblico e privato, promosse dall’Unione Europea attraverso fondi e strumenti dedicati.

Il progetto europeo THOR, parte del programma Quadro dell’Unione Europea per la ricerca e l’innovazione Horizon Europe, si inserisce in questo contesto di cooperazione, con l’obiettivo di rendere la catena del valore europea delle batterie più snella e veloce, favorendo un’innovazione che, troppo spesso, è ostacolata dai lunghi e costosi protocolli di test che rallentano l’immissione delle batterie di nuova generazione sul mercato.

Metodologie all’avanguardia per velocizzare i test sulle batterie

Ridurre il numero di test fisici e promuovere l’innovazione nella progettazione delle batterie in Europa è la sfida alla guida del Progetto Europeo THOR.

Il progetto, ufficialmente partito a giugno 2023, vede Flash Battery tra i protagonisti, insieme a una rete di altri 8 partner provenienti da 6 Paesi dell’Unione Europea, impegnati per 48 mesi a lavorare fianco a fianco per accelerare la crescita dell’industria europea delle batterie.

L’innovazione tecnologica europea in questo settore, infatti, non sempre riesce a tenere il passo con la rapida evoluzione della domanda, in quanto è ostacolata da protocolli di test sulle batterie molto dispendiosi in termini di tempo e denaro, che ne rendono difficoltoso lo sviluppo e il rapido ingresso sul mercato, penalizzandone la competitività.

Si tratta, infatti, di procedure di test molto articolate che richiedono l’impiego di un gran numero di campioni e infrastrutture sofisticate nel quale essere svolte.

Per fare un esempio pratico, un prototipo di batteria sviluppato nel 2023 potrebbe raggiungere la fase di produzione nel 2032, poiché le prestazioni, l’invecchiamento e le caratteristiche di sicurezza della batteria progettata devono essere valutate e studiate attraverso lunghissimi test di prova ed errore.

L’obiettivo del progetto europeo Thor è proprio quello di facilitare lo sviluppo di batterie europee di nuova generazione, velocizzando i processi di test e diminuendo la quantità di test fisici, grazie allo sviluppo di uno strumento virtuale, il cosiddetto Gemello Digitale, che tramite l’intelligenza artificiale simulo il comportamento delle batterie, effettuando previsioni predittive accurate delle prestazioni di cella, modulo e pacco batteria.

I 5 obiettivi del progetto THOR dall’alto valore innovativo

Il progetto europeo THOR è mosso da obiettivi ambiziosi. Per quattro anni consecutivi, i 9 partner del consorzio combineranno le proprie conoscenze e il proprio know-how tecnico e tecnologico nei campi di test, modellizzazione e intelligenza artificiale per sviluppare nuove metodologie di testing predittive.

Grazie all’implementazione di un gemello digitale olistico altamente predittivo che simula il comportamento di celle, moduli e interi pacchi batteria, THOR mira a incrementare la competitività dell’industria europea delle batterie, riducendo i tempi e il numero di test necessari per l’introduzione di nuove batterie sul mercato, con conseguente abbattimento dei costi, miglioramento delle prestazioni, dei cicli vita e, chiaramente, della sicurezza complessiva dei sistemi batteria.

Sono 5 gli ambiti di lavoro in cui il progetto THOR si propone di avere un impatto innovativo:

1. Industriale: attraverso la riduzione dei costi di produzione, rendendo il prezzo finale delle batterie più accessibile.
2. Scientifico: grazie ad una migliore comprensione dei meccanismi e dei materiali delle batterie, contribuendo all’evoluzione della ricerca nel settore.
3. Economico: creando nuove opportunità commerciali.
4. Sociale: motivando le giovani generazioni a studiare l’elettrochimica, partecipando attivamente alla ricerca e sviluppo nel settore delle batterie.
5. Normativo: promuovendo l’accettazione dei test virtuali come parte del processo di certificazione, migliorando la regolamentazione del settore.

Tre modelli per valutare le prestazioni di cella, modulo e pacco batteria

Attraverso un approccio interdisciplinare che coinvolge sperimentatori ed esperti di modellazione, verranno sviluppati tre modelli fisici indipendenti per studiare le prestazioni, l’invecchiamento e il sistema di sicurezza a livello di cella, modulo e pacco batteria.

I modelli copriranno vari scenari di guasto, sia termico che elettrico, e si baseranno su parametri delle celle derivati da una serie di test, consentendo di replicare ogni modello in batterie con chimiche diverse.

L’obiettivo sarà principalmente quello di sviluppare modelli con elevate capacità predittive per poter fornire una migliore comprensione dei pericoli per incrementare la sicurezza e dei meccanismi di invecchiamento della batteria.

Lo sviluppo di un gemello digitale per velocizzare il processo di sviluppo delle batterie

I modelli saranno poi combinati e ottimizzati con un approccio basato sull’intelligenza artificiale per formare un gemello digitale olistico di cella, modulo e pacco.

Questa rappresentazione virtuale consentirà di fornire informazioni accurate in termini di prestazioni e sicurezza, consentendo di implementare programmi di manutenzione ad hoc. Il gemello digitale, grazie a tutti i dati raccolti sul campo, potrà poi generare automaticamente batterie dalle prestazioni ideali, secondo i parametri studiati.

La progettazione, così migliorata, permetterà di aumentare la durata della vita, l’affidabilità e la sicurezza delle batterie, riducendo i costi operativi, i fermi macchina e le sostituzioni programmate delle batterie, generando un impatto positivo sull’intera filiera.

Questo, a sua volta, porterà alla riduzione dei costi di assicurazione e garanzia aumentando, di conseguenza, la fiducia dei consumatori, con l’obiettivo a lungo termine di favorire l’elettrificazione di un numero sempre maggiore di applicazioni.

L’esperienza ultradecennale di Flash Battery nel settore delle batterie al servizio dell’Europa

La partecipazione di Flash Battery all’interno del progetto collaborativo THOR è guidata dall’obiettivo di contribuire attivamente alla ricerca e sviluppo europea nel settore delle batterie, mettendo a disposizione la propria esperienza ultradecennale nella progettazione e produzione batterie al litio per macchine industriali e veicoli elettrici, dove oggi l’intelligenza artificiale gioca un ruolo di grande rilevanza.

In particolare, il team R&D di Flash Battery, grazie alla sua lunga esperienza in campo di manutenzione predittiva delle batterie, contribuirà alla standardizzazione delle metodologie realizzate dal consorzio, convalidando le soluzioni finali sviluppate tramite la fornitura di un dimostratore specifico e batterie a scopo di benchmarking, fornendo dati aggregati collezionati nel tempo. Ci occuperemo, inoltre, di guidare un gruppo di lavoro intitolato a dimostrare il potenziale del gemello digitale e a valutare il suo impatto sull’intero processo di sviluppo delle batterie, compresi i test.

Ad un anno esatto dall’inizio del progetto Thor, il 18 e 19 giugno 2024, in occasione della General Assembly di THOR, che ha radunato tutti i partner del consorzio, con lo scopo di  fare il punto sull’avanzamento delle attività e sulle prospettive future di evoluzione delle tecnologie sviluppate, Flash Battery ha presentato alcuni design alternativi di pacchi batteria sviluppati ad hoc e condiviso con i partner  i risultati delle caratterizzazioni termiche e delle analisi FEM (Finite Element Method), fondamentali per individuare le soluzioni prototipali che saranno sviluppate nei prossimi mesi all’interno del progetto.