Il raffreddamento diretto con refrigerante supera il raffreddamento a liquido
Nell’era dell’elettrificazione automobilistica, la gestione termica delle batterie agli ioni di litio è diventata un fattore critico che determina le prestazioni, la sicurezza e la longevità dei veicoli elettrici (EV). Mentre i produttori spingono per tempi di ricarica sempre più rapidi e prestazioni più elevate, i tradizionali sistemi di raffreddamento a liquido, che utilizzano un circuito secondario con acqua o glicole, mostrano i loro limiti, soprattutto in condizioni di carico termico estremo. Una ricerca pionieristica condotta da un team della Jiangsu University suggerisce che un approccio radicalmente diverso – il raffreddamento diretto con il refrigerante del sistema di climatizzazione – non solo è tecnicamente fattibile, ma offre prestazioni termiche superiori, aprendo la strada a una nuova generazione di sistemi di gestione termica per le batterie.
Guidati dal professor Chunxian Shan e dal ricercatore Peng Yang della School of Energy and Power Engineering della Jiangsu University, gli scienziati hanno progettato e testato un modulo batteria innovativo che sfrutta il refrigerante R134a direttamente dal circuito di condizionamento del veicolo. A differenza dei sistemi di raffreddamento a liquido, che richiedono pompe, serbatoi e tubazioni aggiuntive, questo sistema integra la batteria direttamente nel ciclo frigorifero, utilizzando una piastra fredda a forma di fisarmonica posizionata sotto le celle. Il refrigerante liquido scorre attraverso microcanali nella piastra, assorbendo il calore generato dalle celle durante la carica e la scarica. Il segreto del suo successo risiede nel cambiamento di fase: il refrigerante non si limita a scaldarsi (calore sensibile), ma evapora (calore latente), assorbendo una quantità di calore enormemente superiore per unità di massa rispetto a un liquido che non cambia stato. Questo meccanismo, noto per la sua efficienza nei condizionatori d’aria, è ora dimostrato essere estremamente efficace anche per le batterie ad alta energia.
L’obiettivo principale dello studio, pubblicato sulla rivista Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), era quello di confrontare in modo rigoroso il raffreddamento diretto con il raffreddamento a liquido in condizioni di funzionamento reali. Per garantire un confronto equo, il team ha utilizzato lo stesso modulo batteria, composto da 16 celle al litio ferro fosfato (LFP) in configurazione 8S2P, e la stessa geometria della piastra fredda. L’unica variabile era il fluido di raffreddamento: R134a per il sistema diretto e acqua per il sistema a liquido. Entrambi i fluidi sono stati introdotti nella piastra fredda alla stessa temperatura di ingresso di 16,00 °C. Per rendere il test ancora più stringente, il flusso d’acqua (0,53 g/s) è stato impostato a circa il doppio del flusso di refrigerante (0,25 g/s), conferendo un vantaggio teorico al sistema a liquido.
I risultati, tuttavia, hanno ribaltato le aspettative. Durante un ciclo di scarica ad alta potenza di 2,0C – un’operazione che simula un’accelerazione intensa o una ricarica rapida – il sistema di raffreddamento diretto ha mantenuto la temperatura media del pacco batteria a 39,60 °C, ben al di sotto del limite critico di 40,00 °C. Al contrario, il sistema a liquido ha raggiunto una temperatura media di 42,22 °C, superando questo limite. Questa differenza di 2,62 °C, ottenuta con metà del flusso di refrigerante, è una prova schiacciante dell’efficacia superiore del raffreddamento basato sul cambiamento di fase. Il calore latente di evaporazione del refrigerante è semplicemente molto più potente del calore sensibile trasportato dall’acqua.
Oltre al confronto diretto, lo studio ha esaminato in profondità come vari parametri operativi influenzino le prestazioni del sistema di raffreddamento diretto. Uno dei fattori più influenti è risultato essere la velocità del compressore. Il compressore a spirale elettrico, il cuore pulsante del sistema, può operare tra 2.000 e 6.000 giri/min. Aumentando la velocità del compressore, aumenta il flusso massico di refrigerante e diminuisce la pressione di evaporazione, il che a sua volta riduce la temperatura di evaporazione. I test hanno dimostrato che a una velocità di 3.500 giri/min, il sistema riesce a mantenere la temperatura media del pacco batteria al di sotto di 40,00 °C anche durante una scarica continua a 2,0C. Questa capacità di controllo termico è fondamentale per abilitare prestazioni elevate senza compromettere la salute della batteria. Tuttavia, gli autori hanno identificato un compromesso: mentre una velocità più elevata migliora il raffreddamento complessivo, aumenta anche il gradiente di temperatura all’interno delle singole celle. Il raffreddamento intenso alla base della cella, dove è in contatto con la piastra fredda, crea un profilo termico verticale più pronunciato, con la parte superiore della cella che rimane più calda. Questo fenomeno sottolinea una sfida chiave: ottimizzare la temperatura media non garantisce necessariamente un’adeguata uniformità termica.
La distribuzione uniforme della temperatura all’interno del pacco batteria è vitale. Le batterie agli ioni di litio funzionano meglio quando la differenza di temperatura tra le celle non supera i 5,00 °C, poiché gradienti termici eccessivi possono portare a un invecchiamento non uniforme e a una riduzione della capacità. Lo studio ha rivelato un’insidia sorprendente. Quando la differenza di temperatura all’interno del pacco era elevata, la differenza di temperatura all’interno di una singola cella rappresentava fino all’88% della differenza totale del pacco. Questo indica che il problema principale non è la variazione tra celle diverse, ma la gestione del calore all’interno della singola cella. La maggior parte del calore è generata nei morsetti degli elettrodi, situati nella parte superiore e centrale della cella, mentre il raffreddamento avviene principalmente alla base. Questo divario spaziale è la radice del problema, e suggerisce che i futuri design dovranno concentrarsi non solo sull’efficienza del raffreddamento della piastra, ma anche sulla distribuzione interna del calore all’interno della cella stessa.
Un altro parametro cruciale esaminato è stato l’apertura di una valvola di controllo nel circuito del refrigerante. Regolando questa valvola, i ricercatori hanno potuto variare il flusso massico del refrigerante da 0 a 0,70 g/s, abbassando la temperatura di evaporazione fino a 5,20 °C. Aumentare l’apertura della valvola ha migliorato il raffreddamento, abbassando la temperatura media del pacco. Tuttavia, questo beneficio è venuto a un costo: un aumento della non uniformità termica. A un’apertura della valvola del 11,2%, la differenza di temperatura massima all’interno del pacco ha raggiunto i 9,30 °C. Questo fenomeno è strettamente legato al compromesso già osservato: un flusso di refrigerante più elevato e una temperatura di evaporazione più bassa intensificano il raffreddamento alla base, accentuando ulteriormente il gradiente termico verticale all’interno delle celle.
Dal punto di vista dell’integrazione del sistema, il raffreddamento diretto offre vantaggi significativi. Integrando il sistema di raffreddamento della batteria con il condizionamento dell’abitacolo, elimina la necessità di un circuito di raffreddamento a liquido separato. Questo riduce notevolmente il numero di componenti, il peso del veicolo, i costi di produzione e i potenziali punti di guasto. Un sistema più semplice è generalmente più affidabile e più facile da mantenere. Inoltre, questa integrazione apre scenari di gestione termica più intelligenti. Ad esempio, il calore residuo del motore o della batteria potrebbe essere recuperato per riscaldare l’abitacolo in inverno, migliorando l’efficienza della pompa di calore e aumentando l’autonomia del veicolo in condizioni di freddo.
Nonostante i risultati promettenti, la tecnologia presenta alcune sfide da superare prima di poter essere adottata su larga scala. Una delle principali è il controllo preciso del flusso e della pressione del refrigerante. Gli autori hanno osservato una zona di accumulo di liquido all’uscita dei microcanali della piastra fredda. Questo può causare un raffreddamento non uniforme, come dimostrato da una caduta anomala di temperatura nelle celle situate a valle del flusso. Un design ottimizzato della geometria dei canali è essenziale per garantire un’evaporazione completa e una distribuzione uniforme del refrigerante. Un’altra considerazione riguarda il refrigerante stesso. L’R134a, sebbene ampiamente utilizzato, ha un alto potenziale di riscaldamento globale (GWP). Le future iterazioni del sistema potrebbero trarre vantaggio dall’adozione di refrigeranti di nuova generazione con un GWP più basso, sebbene questo richiederebbe nuove valutazioni in termini di compatibilità dei materiali ed efficienza del sistema.
La forza metodologica di questo studio risiede nel suo approccio sperimentale basato su batterie reali. A differenza di molti studi precedenti che si sono affidati a simulazioni numeriche o a elementi riscaldanti elettrici per imitare il calore della batteria, il team della Jiangsu University ha testato un modulo batteria reale durante un ciclo di scarica controllato. Questo approccio cattura la risposta termica dinamica dei processi elettrochimici reali, fornendo dati molto più accurati e applicabili al mondo reale. La misurazione della temperatura in diversi punti di ogni cella ha permesso un’analisi dettagliata della distribuzione termica, un aspetto cruciale per valutare la salute a lungo termine della batteria.
Le implicazioni di questa ricerca sono profonde per i costruttori automobilistici. Essa offre una via concreta per sviluppare pacchi batteria che possono essere ricaricati più rapidamente e operare a potenze più elevate senza il rischio di surriscaldamento o di un invecchiamento prematuro. Un migliore controllo della temperatura si traduce direttamente in una maggiore durata della batteria, un fattore chiave per l’economia e l’accettazione dei veicoli elettrici. Inoltre, la semplificazione del sistema di gestione termica potrebbe contribuire a ridurre i costi di produzione e aumentare l’autonomia attraverso la riduzione del peso.
In sintesi, il lavoro di Shan, Yang e dei loro colleghi non è solo una dimostrazione di laboratorio, ma una proposta seria e ben fondata per il futuro della gestione termica delle batterie. Mentre il raffreddamento a liquido rimane adeguato per molti veicoli elettrici attuali, la crescente domanda di ricarica ultrarapida renderà inevitabile la transizione verso soluzioni più avanzate. Il raffreddamento diretto con refrigerante, con la sua superiore capacità di rimozione del calore e i suoi vantaggi di integrazione, rappresenta un passo logico e necessario. Questo studio fornisce non solo la prova della sua superiorità, ma anche una mappa chiara delle variabili chiave e delle sfide da affrontare per trasformare questa promettente tecnologia in una realtà di produzione di massa.
Chunxian Shan, Peng Yang, Aikun Tang, Dengfu Xia, School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), DOI: 10.3969/j.issn.1671-7775.2024.01.005