Strategia Avanzata di Riscaldamento per Veicoli Elettrici Range-Extended
Il riscaldamento dell’abitacolo in inverno rimane una delle principali sfide per la mobilità elettrica. Mentre i veicoli a motore a combustione interna generano calore residuo come sottoprodotto del loro funzionamento, che può essere utilizzato direttamente per riscaldare l’abitacolo, i veicoli elettrici puri (BEV) dipendono esclusivamente dall’energia immagazzinata nelle loro batterie. La soluzione più comune, l’uso di resistenze elettriche (PTC), è semplice e affidabile, ma estremamente inefficiente. Poiché converte direttamente l’energia elettrica in calore con un rendimento massimo del 100%, ogni watt di calore consumato equivale a un watt di energia sottratto alla batteria. Questo alto consumo può ridurre l’autonomia di un veicolo elettrico fino al 30% in climi freddi, alimentando così la temuta “ansia da autonomia”.
Un team di ricerca dell’Università di Tecnologia di Chongqing e del Centro Tecnologico di Ningbo Shenglong (Group) Co., Ltd. ha presentato una soluzione rivoluzionaria, progettata specificamente per l’architettura unica dei veicoli elettrici a autonomia estesa (EREV). Questi veicoli combinano un powertrain totalmente elettrico con un piccolo motore a combustione che agisce esclusivamente come generatore per ricaricare la batteria. Questa struttura ibrida offre un vantaggio cruciale: l’accesso a molteplici fonti di calore residuo che possono essere sfruttate in modo intelligente per ridurre al minimo il consumo di energia della batteria per il riscaldamento.
La soluzione sviluppata dal Dr. Yong Luo e dai suoi colleghi, dettagliata in un recente studio, è un sistema di gestione termica integrata che utilizza quattro fonti di calore distinte: il calore residuo del motore a combustione, il calore residuo del sistema di trazione elettrica (motore, generatore, elettronica di potenza), una pompa di calore che estrae calore dall’aria esterna e, come ultima risorsa, una resistenza elettrica PTC. L’innovazione di questo approccio non risiede nell’invenzione di nuove tecnologie, ma nell’integrazione e nel controllo intelligente di sistemi esistenti per raggiungere un’efficienza energetica ottimale.
Il nucleo del sistema è una strategia di controllo gerarchica che cambia dinamicamente la modalità di funzionamento in base alle condizioni reali. Le priorità sono chiaramente definite: quando il motore a combustione è in funzione e il suo liquido di raffreddamento raggiunge una temperatura sufficientemente alta (tipicamente superiore a 80 °C), il riscaldamento è alimentato esclusivamente dal calore residuo del motore. Questa modalità è la più efficiente, poiché sfrutta un’energia che altrimenti andrebbe perduta. Non viene consumata energia elettrica aggiuntiva per la generazione di calore, tranne quella necessaria per ventilatori e pompe. Il coefficiente di prestazione (COP) effettivo di questo sistema è teoricamente infinito, poiché non viene utilizzata energia elettrica primaria per produrre calore.
Se il motore non è in funzione, ad esempio durante la fase di guida puramente elettrica quando la batteria è ancora carica, o se non ha raggiunto la sua temperatura di esercizio, il sistema ricorre alla seconda migliore fonte: il calore residuo del sistema di trazione elettrica. Componenti come il motore di trazione, il generatore e l’elettronica di potenza generano quantità significative di calore durante il loro funzionamento. I ricercatori hanno progettato un sistema di pompa di calore speciale che assorbe questo calore a bassa temperatura dal liquido di raffreddamento del sistema elettrico (intorno ai 30 °C) e lo eleva a una temperatura utile per riscaldare l’abitacolo attraverso un processo di compressione. Questa “modalità di pompa di calore con recupero di calore residuo del sistema elettrico” raggiunge un COP molto più alto rispetto a un riscaldamento elettrico diretto, tipicamente tra 2 e 4, il che significa che per ogni watt di energia elettrica consumata vengono generati da due a quattro watt di calore.
In situazioni in cui né il motore né il sistema di trazione elettrica sono sufficientemente caldi, come dopo un avviamento a freddo, il sistema utilizza il calore dell’aria ambiente. Una pompa di calore aria-acqua convenzionale estrae calore dall’aria fredda esterna e lo trasferisce all’interno del veicolo. Questa tecnologia è molto efficiente in condizioni invernali miti (sopra circa -10 °C), poiché la differenza di temperatura tra l’aria esterna e la temperatura desiderata nell’abitacolo è favorevole. Il COP rimane alto, riducendo significativamente il consumo di energia.
Solo quando la temperatura ambiente scende al di sotto di una soglia critica, identificata dalle simulazioni dei ricercatori a -10 °C, viene attivata la resistenza PTC. A temperature estremamente basse, l’efficienza di una pompa di calore aria-acqua diminuisce drasticamente, poiché l’energia termica disponibile nell’aria è molto scarsa e il processo fisico di trasferimento del calore diventa sempre più inefficiente. In questo caso, il riscaldamento elettrico diretto, nonostante il suo basso rendimento, è l’opzione più affidabile e rapida per riscaldare l’abitacolo. Il punto chiave della strategia di Luo e del suo team è che la PTC viene utilizzata solo come ultima risorsa, riducendo massicciamente il consumo energetico totale.
Per dimostrare l’efficacia di questa strategia complessa, i ricercatori hanno creato un modello di simulazione dettagliato dell’intero veicolo. Hanno utilizzato il software AMESim per modellare in modo realistico i sistemi fisici: il motore a combustione, la batteria, le macchine elettriche e il complesso sistema di gestione termica a circuiti multipli, con le sue valvole, pompe, scambiatori di calore e flussi di refrigerante. Questo modello è stato accoppiato con un algoritmo di controllo in Simulink che implementa la logica decisionale per il cambio di modalità. Questo tipo di “simulazione congiunta” consente di testare l’interazione tra hardware e software in condizioni realistiche senza la necessità di costruire prototipi costosi.
Le simulazioni sono state eseguite in diverse condizioni ambientali, in particolare a temperature di -20 °C, -10 °C e 0 °C, e si sono basate sul ciclo di guida NEDC (New European Driving Cycle). I risultati sono stati impressionanti. La strategia di riscaldamento integrata a fonti multiple ha mostrato il consumo energetico totale più basso in tutti gli scenari. Con una temperatura ambiente gelida di -20 °C, il consumo energetico per il riscaldamento è stato ridotto del 32,1% rispetto a un veicolo che utilizza esclusivamente una resistenza PTC. Rispetto a un veicolo che utilizza solo una pompa di calore aria-acqua, il risparmio è stato ancora più drammatico e ha raggiunto il 50,7%. Queste cifre sono cruciali, poiché ogni kilowattora risparmiato può essere convertito direttamente in maggiore autonomia per la trazione.
L’analisi del coefficiente di prestazione (COP) nel tempo mostra la natura dinamica del sistema. A -20 °C, il riscaldamento inizia in modalità PTC. Non appena il sistema di trazione elettrica raggiunge una temperatura sufficiente, il sistema passa senza intoppi alla modalità di “pompa di calore con recupero di calore residuo del sistema elettrico”, molto più efficiente. Quando il motore a combustione si avvia e il suo liquido di raffreddamento raggiunge la temperatura richiesta, avviene un nuovo passaggio alla modalità di “recupero di calore residuo del motore”, altamente efficiente. Il controller utilizza un’isteresi di 10 °C per evitare cambiamenti di modalità frequenti e inutili. Ad esempio, il sistema passa dalla pompa di calore aria-acqua alla PTC a -10 °C, ma non torna alla pompa di calore finché la temperatura non sale a 0 °C. Ciò garantisce una temperatura stabile nell’abitacolo e protegge i componenti.
Le implicazioni pratiche di questa ricerca sono ampie. Per i produttori di automobili, questo sistema offre una via chiara per aumentare l’attrattiva dei loro modelli EREV in climi freddi. Sfruttando il calore residuo che fino ad ora è stato dissipato nell’ambiente, possono aumentare significativamente l’autonomia invernale dei loro veicoli. Questo è un fattore cruciale per l’accettazione della mobilità elettrica in regioni con inverni lunghi e freddi. Per i consumatori finali, ciò significa meno preoccupazioni per l’autonomia in climi freddi e costi operativi inferiori. Per la società in generale, ciò contribuisce alla riduzione del consumo energetico e delle emissioni di CO2.
Questo studio sottolinea anche una tendenza importante nello sviluppo attuale dei veicoli: la necessità di un pensiero sistemico olistico. Un veicolo non è un semplice insieme di sottosistemi, ma un ecosistema complesso e interconnesso in cui fluiscono continuamente energia e informazioni. L’efficienza della gestione termica dipende criticamente dalla stretta coordinazione tra powertrain, batteria e sistema di climatizzazione, tutti coordinati da un’unità di controllo centrale.
Il lavoro si basa su una varietà di ricerche precedenti che hanno esaminato le pompe di calore nei BEV o il recupero di calore residuo nei veicoli a celle a combustibile. Il vantaggio chiave della piattaforma EREV è, tuttavia, la disponibilità di una fonte di calore di alta qualità e costante: il motore a combustione, quando necessario. Il team di ricerca guidato dal Dr. Luo ha riconosciuto e sfruttato questa opportunità unica per creare un sistema che è allo stesso tempo estremamente efficiente e altamente adattabile.
La metodologia dello studio è anche notevole. L’uso di AMESim e Simulink per la simulazione congiunta è uno standard del settore che consente di validare strategie di controllo complesse in modo virtuale. Ciò accelera enormemente il processo di sviluppo, riduce i costi e minimizza il rischio di errori nelle fasi successive.
Le future linee di ricerca potrebbero seguire diverse direzioni. L’integrazione del controllo termico della batteria nello stesso sistema potrebbe creare una soluzione ancora più completa, utilizzando il calore residuo del motore per riscaldare una batteria fredda in inverno, migliorando così le sue prestazioni e la sua durata. La ricerca di nuovi refrigeranti più ecologici con prestazioni migliori a temperature estreme potrebbe ulteriormente abbassare il limite inferiore per il funzionamento efficiente della pompa di calore aria-acqua. Inoltre, l’integrazione di algoritmi predittivi che utilizzano previsioni meteorologiche e il percorso pianificato potrebbe aumentare ulteriormente l’efficienza del sistema, ad esempio preriscaldando il motore in modo predeterminato prima dell’avvio.
In sintesi, la strategia di riscaldamento a fonti multiple sviluppata dall’Università di Tecnologia di Chongqing rappresenta un progresso significativo nel campo della gestione termica dei veicoli. Combinando in modo intelligente il calore residuo del motore, il calore residuo elettrico, una pompa di calore e una resistenza elettrica ausiliaria, i ricercatori hanno creato un sistema che riduce drasticamente il consumo energetico per il riscaldamento dell’abitacolo. Ciò non solo aumenta l’autonomia, ma migliora anche il comfort e la sostenibilità dei veicoli elettrici. Mentre l’industria automobilistica continua la sua transizione verso l’elettrificazione, innovazioni come questa saranno decisive per rendere i veicoli elettrici pratici e attraenti in tutti i climi.
Yong Luo, Hao Li, Long Zhang, Xiaobin Qiu, Lisha Li, Qiang Sun, Chongqing University of Technology, Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.11.008