Prestazioni ottimizzate delle pompe di calore per veicoli elettrici grazie all’analisi della ricarica del compressore
L’industria automobilistica sta vivendo una trasformazione epocale, guidata dall’adozione massiccia dei veicoli elettrici (EV). Tuttavia, il passaggio dalla propulsione termica a quella elettrica pone nuove sfide ingegneristiche, in particolare per quanto riguarda la gestione termica del veicolo. Uno dei principali punti critici è il riscaldamento dell’abitacolo in condizioni climatiche fredde. A differenza dei veicoli a combustione interna, che sfruttano il calore residuo del motore, gli EV devono ricorrere a sistemi elettrici per riscaldare l’interno. L’uso tradizionale di resistenze PTC (Positive Temperature Coefficient) è efficace ma estremamente dispendioso in termini di energia, con perdite di autonomia che possono raggiungere il 30% o più durante l’inverno. Questo rappresenta un ostacolo significativo per l’adozione diffusa dei veicoli elettrici, soprattutto in regioni con inverni rigidi.
Per affrontare questa criticità, l’industria ha spostato l’attenzione sulle pompe di calore, una tecnologia molto più efficiente che trasferisce il calore dall’ambiente esterno all’interno del veicolo. Tuttavia, anche questo sistema ha un limite: la sua efficienza, misurata dal Coefficiente di Prestazione (COP), diminuisce drasticamente quando la temperatura esterna scende. Inoltre, in condizioni di freddo estremo, la temperatura di scarico del compressore può salire a livelli preoccupanti, compromettendo la sicurezza e la longevità del sistema.
Un recente studio, condotto da un team di ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia di Shanghai, apre nuove prospettive per superare questi ostacoli. I ricercatori Xia Yang, Jiang Ziqi, Zhang Bin, Tian Yafen e Li Kang hanno effettuato un’analisi numerica approfondita sulle caratteristiche di ricarica (o “iniezione di vapore”) di un compressore scroll progettato specificamente per i veicoli elettrici. Il loro lavoro, pubblicato su una prestigiosa rivista internazionale, fornisce indicazioni chiare su come ottimizzare il funzionamento di questi sistemi, massimizzando l’efficienza e riducendo il consumo energetico.
L’oggetto dello studio è un compressore scroll di dimensioni compatte, con una cilindrata di 38 cm³/giro, progettato per essere integrato nei sistemi di climatizzazione dei veicoli elettrici. Una caratteristica distintiva di questo compressore è la sua linea di profilo corta, con due sole camere di lavoro (N=2). Questa configurazione è vantaggiosa per i veicoli elettrici perché consente un design più piccolo, leggero e robusto, ideale per l’installazione in spazi ridotti e per il funzionamento a velocità di rotazione elevate. Tuttavia, questo tipo di design è soggetto a un problema noto come “sotto-compressione” (under-compression), che si verifica quando il rapporto di compressione interno del compressore non è allineato con quello richiesto dal sistema. Questo disallineamento genera perdite energetiche, un aumento della temperatura di scarico e una riduzione dell’efficienza complessiva, specialmente in modalità di riscaldamento.
Per contrastare questo fenomeno, i ricercatori hanno esaminato la tecnologia della ricarica del compressore, nota anche come “iniezione di vapore” o “EVI” (Enhanced Vapor Injection). Questa tecnologia prevede l’iniezione di refrigerante aggiuntivo direttamente all’interno della camera di compressione durante una fase intermedia del ciclo. Il refrigerante iniettato, in fase di vapore surriscaldato, agisce come un agente di raffreddamento interno, riducendo la temperatura del gas compresso e mitigando gli effetti negativi della sotto-compressione. Inoltre, aumenta la massa totale di refrigerante che circola nel sistema, il che si traduce direttamente in una maggiore capacità di riscaldamento.
Il team ha sviluppato un modello di simulazione numerica tridimensionale e transitorio estremamente dettagliato del compressore. Questo modello, basato sulla dinamica dei fluidi computazionale (CFD), è stato progettato per replicare con precisione le complesse dinamiche interne del compressore, inclusi i flussi di gas, le variazioni di pressione e i fenomeni di scambio termico all’interno delle strette spirali. Il refrigerante utilizzato per lo studio è stato il R134a, un fluido ampiamente diffuso nei sistemi automobilistici. Un passaggio cruciale del processo di ricerca è stata la validazione del modello. I risultati della simulazione sono stati confrontati con dati sperimentali reali ottenuti da un banco prova. Il confronto ha dimostrato un’elevata accuratezza, con errori massimi inferiori al 10% per parametri chiave come la temperatura di scarico, la portata massica totale, la potenza assorbita dal compressore e l’efficienza. Questa validazione conferma che il modello è un potente strumento affidabile per prevedere le prestazioni del compressore in diverse condizioni operative.
Una volta validato il modello, i ricercatori hanno intrapreso un’analisi sistematica dell’impatto della pressione di ricarica sulle prestazioni del compressore. Le simulazioni sono state eseguite a due velocità di rotazione tipiche: 5000 giri/min e 6000 giri/min. I risultati hanno rivelato una dinamica complessa ma chiara. Aumentando la pressione di ricarica, la portata massica di refrigerante in ingresso (aspirazione) diminuisce. Questo fenomeno, apparentemente controintuitivo, è dovuto alla posizione del foro di ricarica, che è progettato per sovrapporsi parzialmente alla fase di aspirazione. Quando la pressione di ricarica supera quella di aspirazione, una parte del refrigerante iniettato fluisce all’indietro, riducendo la portata netta in ingresso. Tuttavia, la portata massica del refrigerante iniettato aumenta in modo significativo. Poiché l’aumento della portata iniettata supera la diminuzione della portata di aspirazione, la portata massica totale di refrigerante che attraversa il compressore aumenta, con un massimo del 19,9% a 5000 giri/min.
Questo aumento della portata totale ha un effetto diretto e positivo sulla capacità di riscaldamento. Più refrigerante circola nel sistema, più calore può essere rilasciato nel condensatore all’interno dell’abitacolo. A entrambe le velocità di rotazione, la capacità di riscaldamento è aumentata in modo costante con la pressione di ricarica, raggiungendo miglioramenti massimi del 20,5% a 5000 giri/min e del 17,1% a 6000 giri/min rispetto al funzionamento senza ricarica.
Tuttavia, questo vantaggio non è privo di costi. L’aumento della massa di refrigerante da comprimere richiede un maggiore lavoro meccanico, il che si traduce in un aumento del consumo di energia elettrica da parte del compressore. La potenza assorbita cresce in parallelo con la portata massica. Questo crea un punto di equilibrio fondamentale: mentre sia la capacità di riscaldamento che il consumo di energia aumentano, il tasso di crescita della capacità di riscaldamento rallenta a pressioni di ricarica più elevate.
Questo compromesso è ben rappresentato dal Coefficiente di Prestazione (COP) del sistema, definito come il rapporto tra il calore fornito e l’energia elettrica consumata. Il COP inizialmente migliora con l’aumento della pressione di ricarica, raggiungendo un valore massimo di 3,21 a 5000 giri/min (a una pressione di ricarica di 0,50 MPa) e di 3,37 a 6000 giri/min (a 0,40 MPa). Oltre questi punti, il COP inizia a diminuire, indicando rendimenti decrescenti. L’esistenza di una pressione di ricarica ottimale suggerisce che le strategie di controllo nei veicoli reali dovrebbero regolare dinamicamente la ricarica in base alle condizioni operative, piuttosto che utilizzare un’impostazione fissa.
Anche il comportamento della temperatura di scarico segue una tendenza non lineare. Inizialmente, la ricarica riduce la temperatura di scarico, portandola a un minimo di 83,6°C a 5000 giri/min e 79,7°C a 6000 giri/min. Questo avviene perché il vapore iniettato agisce come un refrigerante, mitigando le perdite dovute alla sotto-compressione. Tuttavia, oltre una certa pressione di ricarica (circa 0,40-0,50 MPa), la temperatura del refrigerante iniettato (mantenuta con un surriscaldamento di 5°C) diventa relativamente alta rispetto al gas nella camera, annullando l’effetto di raffreddamento. Di conseguenza, la temperatura di scarico inizia a risalire, superando infine i livelli di funzionamento senza ricarica.
L’efficienza del compressore, definita come il rapporto tra il lavoro isentropico e il lavoro reale, mostra anch’essa un picco. Migliora a basse pressioni di ricarica grazie alla riduzione delle perdite di laminazione e a un migliore accoppiamento della pressione interna ai requisiti del sistema. Ma con l’aumentare della pressione di ricarica, l’interferenza con il flusso di aspirazione e l’aumento della potenza richiesta fanno sì che l’efficienza diminuisca. L’efficienza massima è stata osservata a una pressione di ricarica di 0,35 MPa, sottolineando l’importanza di una strategia di ricarica moderata.
Al contrario, l’efficienza volumetrica diminuisce costantemente con l’aumentare della pressione di ricarica. Questo parametro riflette il rapporto tra il volume di aspirazione effettivo e lo spostamento teorico. Poiché la ricarica interferisce con il processo di aspirazione e riduce il flusso netto, l’efficienza volumetrica ne risente, una limitazione nota dell’iniezione a metà ciclo nei compressori compatti.
Dopo aver stabilito il ruolo cruciale della pressione di ricarica, il team ha esaminato l’effetto della temperatura di ricarica. Mantenendo la pressione di ricarica costante a 0,40 MPa (il punto ottimale per il COP a 6000 giri/min), hanno variato la temperatura di ricarica da 14°C a 26°C.
I risultati hanno rivelato un’influenza molto più debole. Aumentando la temperatura di ricarica, la densità del refrigerante diminuisce leggermente, causando una piccola riduzione della portata massica iniettata (3,38%) e della portata massica totale (1,27%). La temperatura di scarico è aumentata marginalmente, fino a 3,1°C, a causa del minore effetto di raffreddamento e di un leggero aumento delle perdite per sotto-compressione. Il consumo di energia è aumentato leggermente, mentre la capacità di riscaldamento è rimasta quasi invariata. Di conseguenza, il COP ha mostrato solo una leggera tendenza al ribasso.
Sia l’efficienza del compressore che quella volumetrica sono diminuite leggermente con l’aumentare della temperatura di ricarica, ma i cambiamenti sono stati minimi. Questo indica che, nell’intervallo testato, la temperatura ha un effetto secondario rispetto alla pressione. Il principale driver della variazione delle prestazioni è lo stato termodinamico e il livello di pressione del vapore iniettato, non la sua temperatura.
Questi risultati hanno implicazioni significative per la progettazione dei sistemi di gestione termica nei veicoli elettrici. Sottolineano che un controllo preciso della pressione di ricarica è fondamentale per massimizzare l’efficienza della pompa di calore, specialmente in climi freddi dove ogni wattora conta. Al contrario, la temperatura di ricarica può essere gestita con meno rigore, consentendo configurazioni di sistema più semplici.
Inoltre, lo studio evidenzia i vantaggi dei compressori scroll a profilo corto nelle applicazioni automobilistiche. Nonostante la loro suscettibilità alla sotto-compressione, l’integrazione della tecnologia di ricarica compensa efficacemente questa limitazione, consentendo un’elevata capacità di riscaldamento e un miglior COP senza la necessità di compressori più grandi e pesanti. Il design compatto facilita anche l’integrazione in spazi ristretti, preservando la flessibilità di progettazione del veicolo.
La ricerca indica anche future direzioni. Sebbene questo studio si sia concentrato sulle prestazioni in condizioni stazionarie, la guida reale comporta frequenti transitori. Algoritmi di controllo adattivo che modulano la pressione di ricarica in tempo reale potrebbero migliorare ulteriormente l’efficienza del sistema. Inoltre, l’ottimizzazione della posizione, dimensione e geometria del foro di ricarica potrebbe portare a ulteriori guadagni.
Per i costruttori automobilistici, le implicazioni sono chiare: la ricarica del compressore non è solo un concetto teorico, ma uno strumento pratico per migliorare l’autonomia e il comfort dei veicoli elettrici. Man mano che i costi delle batterie rimangono elevati e le aspettative dei consumatori per le prestazioni invernali crescono, le tecnologie che migliorano l’utilizzo dell’energia diventeranno sempre più preziose. Questo studio fornisce una solida base per l’integrazione di tecnologie avanzate di compressione nei veicoli elettrici di prossima generazione.
In conclusione, il lavoro di Xia Yang e dei suoi colleghi rappresenta un passo significativo verso la comprensione e l’ottimizzazione della ricarica nei compressori scroll compatti per veicoli elettrici. Combinando una rigorosa modellazione numerica con una valida verifica sperimentale, hanno fornito informazioni pratiche su come la pressione e la temperatura di ricarica influenzino i parametri chiave delle prestazioni. I loro risultati confermano che un uso strategico della ricarica può migliorare sostanzialmente l’efficienza del riscaldamento, ridurre le temperature di scarico e migliorare il COP complessivo del sistema, fattori critici nella ricerca di veicoli elettrici con maggiore autonomia e più confortevoli.
Lo studio dimostra che anche piccoli affinamenti di progettazione possono produrre guadagni significativi nelle prestazioni reali. Mentre l’industria automobilistica continua la sua transizione verso l’elettrificazione, ricerche come questa svolgeranno un ruolo vitale nel superare le barriere tecniche e offrire soluzioni di trasporto sostenibili e ad alte prestazioni.
Xia Yang, Ziqi Jiang, Bin Zhang, Yafen Tian, Kang Li, Università di Scienza e Tecnologia di Shanghai, Journal of Thermal Science and Engineering Applications, DOI: 10.1115/1.4056789