Riscaldare l’abitacolo e gestire la temperatura delle batterie con una pompa di calore permette di preservare l’autonomia dei motori elettrici
Garantire una temperatura confortevole all’interno dell’abitacolo, anche quando il clima è rigido, da molto tempo non è più un problema. I motori a combustione montati sulle auto, a causa del loro basso rendimento (25-40%) nella conversione energetica, perdono circa il 60% dell’energia fornita sotto forma di calore di scarto che viene disperso nell’ambiente. Nel periodo invernale parte di questo calore può essere utilizzato dal sistema HVAC (Heating, Ventilation & Air Conditioning) per garantire una temperatura adeguata nell’abitacolo. In dettaglio, il calore rimosso dal motore a combustione tramite il liquido di raffreddamento viene rilasciato nell’abitacolo grazie al radiatore acqua/aria del sistema HVAC.
Tutto questo non avviene sui veicoli elettrici che, per loro natura, sono molto più efficienti delle auto a combustione (il rendimento di un motore elettrico è di circa l’80-90%), quindi generano molto meno calore. Una soluzione per ottenere una temperatura confortevole consiste nell’utilizzare un PTC (Positive temperature coefficient) heater, che converte l’energia elettrica in calore tramite una resistenza. In condizione di clima molto rigido, però, questo dispositivo può assorbire una quantità di energia significativa, che viene prelevata dalla batteria di trazione della vettura incidendo negativamente sulla sua autonomia.
Spesso si crede che la riduzione dell’autonomia a basse temperature sia dovuta alla riduzione delle prestazioni della batteria. Sebbene le batterie agli ioni di litio non funzionino in modo ottimale a temperature estreme, ciò ha un impatto sull’autonomia molto inferiore rispetto al caricodovuto ai servizi ausiliari, come appunto il PTC heater. Inoltre, le case automobilistiche hanno progettato sistemi di gestione termica delle batterie per mantenerle entro un intervallo di temperatura ottimale, limitando ulteriormente la riduzione delle prestazioni.
Percentuale tra autonomia reale di un veicolo elettrico e autonomia nominale in funzione della temperatura, ottenuta in base alla metodologia di misurazione EPA – Fonte Geotab (www.geotab.com)
In generale, l’autonomia di un veicolo elettrico diminuisce quando la temperatura esterna si allontana dai 20-23° C e fa registrare cali significativi quando scende sotto gli 0° C.
Un aspetto importante nell’impatto che hanno condizioni climatiche fredde sulla diminuzione dell’autonomia è il tipo di utilizzo del veicolo (continuativo o stop&go), che può richiedere un maggiore dispendio di energia impiegata dal PTC heater per il riscaldamento dell’abitacolo, con riduzioni anche del 50% rispetto all’autonomia omologata.
Qui di seguito sono riportati i risultati della riduzione di autonomia alla temperatura di 0° C ricavati da dati rilevati su un campione di 10.000 veicoli elettrici negli Stati Uniti. Lo studio è stato curato da Recurrent Auto, piattaforma americana specializzata nel fornire a dealer e consumatori informazioni e analisi sulle batterie dei veicoli elettrici.
La pompa di calore
Una soluzione sempre più utilizzata per ridurre l’energia necessaria per il riscaldamento dell’abitacolo rispetto a quella richiesta dai PTC heater è un sistema di thermal management con pompa di calore. Questo dispositivo si sta diffondendo per ragioni ambientali nei sistemi per il riscaldamento domestico, ma ha una valenza importante anche in campo automotive.
Si tratta di un sistema che, utilizzando un ciclo frigorifero al contrario rispetto al raffreddamento (ottenuto con i condizionatori d’aria), preleva il calore da una sorgente calda e lo trasferisce dove richiesto. In un’auto elettrica, oltre all’utilizzo di energia termica presente nell’ambiente esterno anche a basse temperature, il calore si sviluppa in componenti come il motore elettrico, la trasmissione, l’inverter, la batteria e il caricatore.
La pompa di calore preleva questa energia e la utilizza per riscaldare l’abitacolo o altri componenti (come la batteria), impiegando per il proprio funzionamento una quantità di energia molto inferiore rispetto a quella necessaria a dispositivi come i PTC heater. Cosa che va a vantaggio dell’autonomia garantita dalla batteria della vettura, che aumenta dal 10 al 25%.
Nello studio Recurrent Auto qui riportato, le temperature sono espresse in gradi Fahrenheit (32° F sono pari a 0° C, 14° F a -10° C), l’autonomia in miglia (un miglio stradale è pari a 1,6 km).
Una unità di thermal management integrata con pompa di calore è costituita da una pluralità di elementi. Si compone infatti, di due scambiatori di calore, detti chiller e condensatore, di un compressore e di una valvola per il liquido di raffreddamento, il cui compito è indirizzare i flussi (caldi e freddi) alle utenze del veicolo a cui servono, a seconda delle necessità.
Nel chiller, che è un “evaporatore” con valvola di espansione, avviene uno scambio termico tra due fluidi: il suo compito è sottrare calore al liquido di raffreddamento (costituito da acqua e glicole) in concomitanza con il cambio di fase del refrigerante da liquido a gassoso. Nel compressore il refrigerante, in forma gassosa, viene compresso e aumenta di temperatura. Il refrigerante viene poi inviato al liquid cooled condenser, dove torna allo stato liquido cedendo il calore al coolant. L’energia termica così ottenuta viene utilizzata per riscaldare l’aria prelevata all’esterno della vettura e convogliata nell’abitacolo. Il liquido di raffreddamento ritorna poi nuovamente nel chiller, ripetendo così il ciclo.
Integrated Thermal Management System (ITMS)
Due esempi di unità di thermal management UFI Filters integrate con la pompa di calore
Temperature controllate
Il compito della pompa di calore non si limita però alla fornitura di aria calda per l’abitacolo. Il suo ruolo è determinante anche nel mantenimento della temperatura ottimale di esercizio della batteria che, per quelle attuali agli ioni di litio con elettrolita liquido, si colloca tra i 15 e i 30° C. Il liquido di raffreddamento gestito dalla pompa di calore è utilizzato per riscaldare oppure raffreddare la batteria, in base alle necessità.
È importante sottolineare che il ruolo della pompa di calore resterà essenziale anche in futuro, quando si affermeranno tipologie diverse di batterie rispetto alle attuali, come quelle allo stato solido che offriranno maggiore autonomia e tempi di ricarica più rapidi. In questo tipo di batterie, che oggi sono impiegate in poche applicazioni automotive, l’elettrolita posto tra l’anodo e il catodo è solido, invece che liquido; la loro temperatura ottimale di esercizio è compresa tra 50 e 110° C a seconda della chimica. La pompa di calore ha quindi il compito di scaldare il fluido per garantire questo valore, ma anche di raffreddarlo per impedire che si superino i 150° C.
Un’ampia offerta di componenti
In questo settore, destinato a conoscere sviluppi importanti con la crescente diffusione dei veicoli a batteria, UFI Filters è già oggi in grado di fornire ai costruttori per il primo equipaggiamento sia singoli componenti, come il chiller e il liquid cooled condenser, sia moduli completi.
Chiller e liquid cooled condenser sono prodotti da UFI Filters con la particolare tecnica della brasatura a vuoto, un processo che permette di ottenere prodotti interamente di alluminio, sovrapponendo le piastre in un forno sottovuoto che evita il rischio di ossigenazione e rende superflua l’aggiunta di altri materiali. UFI Filters sta sviluppando anche un dryer/accumulator, ossia un tipo di filtro essiccatore impiegato nel circuito refrigerante, e il sistema di canalizzazioni.
