Pompa di calore CO₂ a doppia via migliora l’efficienza nei veicoli elettrici
Nell’era della mobilità elettrica, un dilemma persistente continua a mettere alla prova ingegneri e consumatori: come mantenere un’abitacolo caldo e confortevole durante i rigidi mesi invernali senza compromettere drasticamente l’autonomia della batteria? A differenza dei veicoli a combustione interna, che sfruttano il calore residuo del motore per riscaldare l’interno, i veicoli elettrici (EV) devono generare tutto il calore necessario attingendo direttamente dall’energia stoccata nella batteria di trazione. Questo processo, se affidato a soluzioni tradizionali come le resistenze elettriche PTC (Positive Temperature Coefficient), risulta estremamente inefficiente. Il coefficiente di prestazione (COP) di un riscaldatore PTC è sempre inferiore a 1, il che significa che consuma più energia elettrica di quanta ne produca in forma di calore. In condizioni di freddo estremo, questa perdita di energia può ridurre l’autonomia di un veicolo elettrico fino al 40%, trasformando un semplice viaggio invernale in un esercizio di calcolo e ansia per la ricarica. Questo fenomeno, noto come “range anxiety”, rimane uno dei principali ostacoli psicologici all’adozione massiccia dei veicoli elettrici in climi freddi.
La soluzione a questo problema risiede nell’adozione di tecnologie più sofisticate e termodinamicamente vantaggiose: le pompe di calore. A differenza delle resistenze dirette, le pompe di calore non generano calore, ma lo trasferiscono dall’ambiente esterno verso l’interno del veicolo, “pompandolo” a un livello energetico più alto. Questo processo, basato su un ciclo termodinamico, può raggiungere coefficienti di prestazione (COP) superiori a 3, il che significa che per ogni chilowattora di energia elettrica consumata, il sistema può fornire tre o più chilowattora di calore. Questo vantaggio intrinseco le rende una scelta obbligata per i veicoli elettrici del futuro, dove ogni wattora risparmiato si traduce direttamente in chilometri guadagnati.
La scelta del fluido refrigerante è un elemento cruciale per il successo di una pompa di calore automobilistica, soprattutto quando si parla di prestazioni in condizioni di bassa temperatura. I refrigeranti tradizionali, come il R134a, sono stati progressivamente messi al bando a causa del loro elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP). Il suo successore, il R1234yf, sebbene più rispettoso dell’ambiente, non ha risolto il problema fondamentale della perdita di efficienza in climi freddi. È qui che il biossido di carbonio (CO₂), noto anche come R744, emerge come un candidato ideale. Il CO₂ è un refrigerante naturale, non tossico, non infiammabile e con un GWP pari a 1, il più basso tra tutti i fluidi utilizzati. Questo lo rende una soluzione perfettamente allineata con le stringenti normative ambientali europee e globali. Ma la sua superiorità non è solo ecologica. Il CO₂ opera in un ciclo “transcritico”, il che gli permette di mantenere un’efficace capacità di riscaldamento anche a temperature ambiente molto basse, superando nettamente i refrigeranti convenzionali. Il suo comportamento nel riscaldatore ad alta pressione (gas cooler) è caratterizzato da un significativo “glide termico”, ovvero una variazione di temperatura durante lo scambio termico, che consente un trasferimento di calore più completo e uniforme rispetto al processo quasi isotermo della condensazione tradizionale.
Nonostante i vantaggi del CO₂, molti sistemi di pompa di calore attualmente in uso presentano una limitazione significativa: si concentrano esclusivamente sul comfort degli occupanti, trascurando un’altra componente vitale del veicolo elettrico: la batteria ad alta tensione. La batteria agli ioni di litio è estremamente sensibile alle temperature estreme. In condizioni di freddo, la sua capacità di scarica si riduce drasticamente. Uno studio citato nella ricerca della dottoressa Wu Yue dimostra che a -10 °C, con un tasso di scarica di 2C, la capacità di una batteria può diminuire di oltre il 50% rispetto al valore nominale. Questo non solo riduce l’autonomia, ma può anche impedire l’erogazione della potenza massima. D’altra parte, temperature eccessivamente elevate accelerano il processo di invecchiamento della batteria, riducendone la vita utile. È quindi fondamentale mantenere la batteria all’interno di una finestra termica ottimale, generalmente compresa tra 20 °C e 40 °C, per garantirne prestazioni, sicurezza e longevità. Spesso, il riscaldamento della batteria viene affidato a resistenze elettriche aggiuntive, che rappresentano un ulteriore carico energetico sulla batteria, vanificando in parte i benefici della pompa di calore.
È proprio per affrontare questa sfida duale che la dottoressa Wu Yue, ingegnere di SAIC Volkswagen Automotive Company, ha condotto una ricerca pionieristica che introduce un concetto innovativo: una pompa di calore di CO₂ a doppia via. Questo sistema non si limita a riscaldare l’abitacolo, ma è progettato per fornire calore simultaneamente sia all’interno del veicolo che al circuito di raffreddamento della batteria. Si tratta di un approccio olistico e integrato che sfrutta al massimo l’efficienza della pompa di calore per gestire due delle funzioni termiche più energetiche del veicolo elettrico con un unico sistema centrale.
L’architettura del sistema è ingegnosamente semplice ma estremamente efficace. Il circuito di refrigerazione al CO₂ si divide in due rami paralleli dopo il compressore. Il primo ramo, dedicato al riscaldamento dell’abitacolo, convoglia il CO₂ caldo e ad alta pressione verso un riscaldatore interno (un heat exchanger all’interno dell’unità di climatizzazione), dove cede il suo calore all’aria soffiata dai ventilatori verso gli occupanti. Il secondo ramo, destinato alla batteria, indirizza il CO₂ verso uno scambiatore di calore a piastre, dove trasferisce il suo calore al liquido refrigerante che circola nel pacchetto batteria. Questa configurazione parallela permette una distribuzione flessibile e controllata del calore prodotto.
Il vero cuore del sistema, tuttavia, risiede nel suo sofisticato sistema di controllo, basato su quattro valvole di espansione elettroniche (EEV). Questi componenti sono gli attuatori che permettono al sistema di adattarsi dinamicamente alle esigenze del veicolo. Una EEV nel ramo dell’aria regola il flusso di refrigerante verso il riscaldatore dell’abitacolo. Una EEV principale, posizionata dopo il punto di ricongiunzione dei due rami, controlla il flusso totale di refrigerante e la pressione generale del sistema. Le due EEV rimanenti sono posizionate nel ramo dell’acqua (quello della batteria): una prima e una dopo lo scambiatore a piastre. Questa configurazione a doppia valvola sul ramo della batteria è la chiave per un controllo fine e granulare, permettendo di modulare con precisione il flusso attraverso lo scambiatore e, di conseguenza, la quantità di calore trasferita alla batteria.
Per validare le prestazioni di questo sistema innovativo, la dottoressa Wu Yue e il suo team hanno allestito un banco prova dedicato, replicando fedelmente le condizioni operative di un veicolo elettrico in un ambiente controllato. Attraverso una serie di esperimenti rigorosi, hanno analizzato l’impatto delle aperture delle diverse EEV e della temperatura del liquido in ingresso allo scambiatore della batteria sulla capacità di riscaldamento totale e sul COP del sistema. I risultati di questi test hanno fornito indicazioni preziose per l’ottimizzazione e la strategia di controllo del sistema.
Uno dei risultati più significativi riguarda la EEV del ramo dell’aria. Gli esperimenti hanno dimostrato che aumentando l’apertura di questa valvola, la capacità di riscaldamento dell’abitacolo aumenta inizialmente. Tuttavia, questo beneficio ha un limite. Quando l’apertura supera il 70%, la capacità di riscaldamento dell’abitacolo smette di crescere e inizia persino a diminuire, mentre la capacità di riscaldamento totale del sistema e il COP calano. Questo calo di prestazioni è dovuto a un problema di bilanciamento del flusso: un’apertura eccessiva nel ramo dell’aria “sottrae” troppo refrigerante al ramo dell’acqua. Poiché lo scambio termico con un liquido (il refrigerante della batteria) è molto più efficiente di quello con un gas (l’aria), questo squilibrio porta a una perdita netta di calore totale. Lo studio conclude quindi che l’apertura della EEV dell’aria non dovrebbe superare il 70% per massimizzare l’efficienza complessiva del sistema. Un vantaggio aggiuntivo è che regolando questa valvola si può anche controllare la pressione a valle, proteggendo il successivo evaporatore da picchi di pressione.
La EEV principale si è rivelata cruciale per l’ottimizzazione delle prestazioni generali del sistema in diverse condizioni ambientali. Durante i test a una temperatura esterna di -12 °C, si è scoperto che un’apertura del 30% della EEV principale produceva la massima capacità di riscaldamento e il miglior COP. In questo punto, la pressione del sistema e il grado di surriscaldamento del refrigerante erano ottimizzati per un funzionamento efficiente del compressore e per un massimo trasferimento di calore nel gas cooler. Qualsiasi deviazione da questo punto ottimale, sia aprendo che chiudendo troppo la valvola, risultava in prestazioni subottimali, evidenziando la sensibilità dei sistemi al CO₂ alle condizioni operative.
Le due EEV nel ramo dell’acqua si sono dimostrate uno strumento di controllo estremamente potente. Regolando le loro aperture, il sistema può modulare con precisione il flusso di refrigerante verso lo scambiatore a piastre e, di conseguenza, la quantità di calore trasferito al liquido della batteria. I dati sperimentali sono stati illuminanti. Variando l’apertura della EEV posteriore tra il 30% e il 100%, la percentuale della capacità di riscaldamento totale diretta alla batteria è aumentata dal 52% al 71%, e il COP del sistema è migliorato da 2,1 a 2,8. Un’ottimizzazione ancora più efficace è stata raggiunta con la EEV anteriore: aumentandone l’apertura, la percentuale di riscaldamento della batteria è salita al 77% e il COP ha raggiunto un impressionante 3,1. Questo dimostra che il sistema può priorizzare attivamente il riscaldamento della batteria quando è più critico, come in un avviamento a freddo, senza sacrificare l’efficienza energetica.
Un altro aspetto fondamentale emerso dallo studio è la stabilità termica del sistema di fronte ai cambiamenti della temperatura del liquido refrigerante. Mentre la batteria si riscalda durante l’uso, la temperatura del liquido che entra nello scambiatore a piastre aumenta da valori sub-zero a temperature positive. Lo studio ha mostrato che quando la temperatura di ingresso è aumentata da -16 °C a 0 °C, la capacità di riscaldamento totale del sistema è variata di meno del 5% e il COP di meno dell’8%. Questa robustezza termica è vitale per la fattibilità del sistema nel mondo reale, poiché significa che può mantenere prestazioni costanti senza bisogno di continue ricalibrazioni, semplificando notevolmente l’integrazione nel software di gestione termica del veicolo.
Le implicazioni di questa ricerca sono profonde. Consentendo un riscaldamento simultaneo ed efficiente dell’abitacolo e della batteria, il sistema a doppia via della dottoressa Wu Yue può ridurre in modo significativo il carico energetico sulla batteria ad alta tensione. Questo si traduce direttamente in un’autonomia maggiore, specialmente nelle condizioni invernali in cui la richiesta di riscaldamento è più elevata. Per i consumatori, ciò significa un’esperienza di guida più affidabile e meno preoccupazioni per l’esaurimento della carica. Per i produttori di automobili, rappresenta un chiaro vantaggio competitivo in mercati dove l’efficienza energetica e il comfort termico sono fattori determinanti per l’acquisto.
Inoltre, l’uso del CO₂ come refrigerante allinea perfettamente questa tecnologia agli obiettivi globali di sostenibilità. Man mano che le normative diventano più severe nei confronti dei refrigeranti con alto GWP, i sistemi basati sul CO₂ sono destinati a diventare lo standard del settore. Questa tecnologia è già stata adottata da marchi premium come Tesla, BMW e Volkswagen, dove l’efficienza e la responsabilità ambientale sono priorità assolute.
Il lavoro della dottoressa Wu sottolinea anche l’importanza di un approccio sistemico nella progettazione dei veicoli. Invece di trattare la climatizzazione dell’abitacolo e la gestione termica della batteria come sistemi isolati, l’approccio a doppia via li integra in una rete unificata e intelligente. Questa strategia olistica non solo migliora l’efficienza energetica, ma riduce anche il numero di componenti, il peso e la complessità, elementi benefici per la produzione e il design.
In conclusione, il sistema di pompa di calore al CO₂ a doppia via sviluppato dalla dottoressa Wu Yue e dal suo team presso SAIC Volkswagen Automotive Company rappresenta un progresso significativo nella gestione termica dei veicoli elettrici. Affrontando simultaneamente le esigenze di comfort degli occupanti e le prestazioni della batteria con un’efficienza superiore, offre una soluzione pratica e sostenibile a uno dei maggiori ostacoli all’adozione di massa della mobilità elettrica. Man mano che l’industria continua la sua transizione verso l’elettrificazione, innovazioni come questa saranno fondamentali per garantire che i veicoli elettrici non siano solo un’opzione ecologica, ma anche una scelta pratica, confortevole e affidabile per ogni tipo di clima.
Study on Performance of Two-way Heating CO₂ Heat Pump System for Electric Vehicles by Wu Yue from SAIC Volkswagen Automotive Company, published in Chinese Journal of Refrigeration Technology (doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.02.204)