Recupero del calore dai motori elettrici migliora il riscaldamento
Nel panorama in rapida evoluzione della mobilità elettrica, la gestione termica rimane una delle sfide più critiche per i veicoli a batteria. Durante i mesi invernali, la capacità delle batterie diminuisce e la richiesta energetica per il riscaldamento dell’abitacolo aumenta notevolmente, spesso portando a una riduzione significativa dell’autonomia. Questo fenomeno, noto come “ansia da autonomia invernale”, rappresenta un ostacolo concreto per l’adozione massiccia dei veicoli elettrici. Per affrontare questa problematica, un team di ricercatori della Beijing Jiaotong University ha condotto uno studio approfondito sull’integrazione del recupero del calore residuo del sistema di trazione elettrica nei sistemi di gestione termica dei veicoli passeggeri completamente elettrici. I risultati, pubblicati sul Chinese Journal of Automotive Engineering, rivelano un potenziale trasformativo per migliorare l’efficienza del riscaldamento dell’abitacolo senza compromettere le prestazioni energetiche complessive.
La ricerca, guidata da He Jiawen, Zhang Xin, Li Xinlin e Feng Shuo del College of Mechanical, Electronic and Control Engineering della Beijing Jiaotong University, si concentra sull’ottimizzazione dell’utilizzo del calore generato come sottoprodotto durante il funzionamento del motore elettrico e del suo inverter. In un veicolo elettrico convenzionale, questa energia termica viene dissipata attraverso i sistemi di raffreddamento e considerata un costo operativo, non un’opportunità. Il lavoro del team dimostra che, catturando e riutilizzando strategicamente questo calore, è possibile potenziare significativamente le prestazioni dei sistemi di riscaldamento basati su pompe di calore, riducendo il carico sulla batteria e, di conseguenza, preservando l’autonomia.
Il fulcro dello studio è un modello di simulazione dettagliato sviluppato utilizzando il software AMESim, una piattaforma leader per la modellazione e l’analisi di sistemi di ingegneria complessi. Il modello integra in modo sinergico il sottosistema di climatizzazione con pompa di calore e il sottosistema di gestione termica del motore elettrico. Questa integrazione consente di esaminare con precisione come diverse configurazioni di progetto e parametri operativi influenzino l’efficienza complessiva del sistema, simulando condizioni di guida reali e valutando l’impatto di molteplici fattori sul recupero del calore e sulle prestazioni di riscaldamento.
Uno degli insight più significativi della ricerca è la quantificazione del calore residuo generato dal motore e dal suo controllore durante l’operatività del veicolo. A una velocità di crociera di 60 km/h, il motore stesso produce fino a 1.402 watt di calore, mentre il controllore aggiunge altri 427 watt. Queste cifre evidenziano il potenziale intrinseco del gruppo propulsore elettrico come fonte di calore, specialmente durante la guida a velocità medie e alte, quando la generazione di calore raggiunge il suo massimo. Piuttosto che essere un problema di gestione termica, questa energia rappresenta una risorsa preziosa da sfruttare per il comfort dell’abitacolo.
I ricercatori hanno esplorato due aspetti fondamentali del processo di recupero del calore: la distribuzione del flusso del refrigerante e l’architettura del sistema di gestione termica. Per quanto riguarda la distribuzione del refrigerante, hanno scoperto che la proporzione di refrigerante diretta allo scambiatore di calore del motore rispetto allo scambiatore di aria esterna ha un impatto significativo sulle prestazioni del sistema. Regolando questa distribuzione in modo dinamico, è possibile ottimizzare la quantità totale di calore assorbito dal sistema.
In condizioni di guida urbana a bassa velocità, come 20 km/h, la distribuzione ottimale per massimizzare la potenza di riscaldamento è quella di indirizzare circa l’80% del flusso di refrigerante verso il lato del motore. In questo scenario, il calore totale assorbito dal sistema aumenta del 58,69% e la potenza di riscaldamento dell’abitacolo migliora del 71,36% rispetto a un sistema senza recupero del calore del motore. Anche se il coefficiente di prestazione (COP) diminuisce leggermente, il beneficio in termini di potenza di riscaldamento è così sostanziale da compensare ampiamente il piccolo calo di efficienza. Questo risultato è particolarmente rilevante per i veicoli che operano in contesti metropolitani, dove le velocità medie sono basse e i tempi di attesa sono frequenti.
Il vantaggio diventa ancora più marcato a velocità più elevate. A 60 km/h, quando tutto il refrigerante disponibile è diretto al recupero del calore residuo del motore (una distribuzione del 100%), il sistema assorbe il 100,57% in più di calore totale dall’ambiente e dal gruppo propulsore. Ciò si traduce in un aumento del 100,37% della potenza di riscaldamento dell’abitacolo. Sebbene il COP diminuisca del 5,26%, l’incremento massiccio di calore fornito agli occupanti rappresenta un progresso fondamentale per il comfort in climi freddi, dove il riscaldamento rapido è essenziale.
Questi risultati sottolineano l’importanza di strategie di controllo adattive. Un sistema di gestione termica intelligente del futuro non dovrebbe avere una distribuzione fissa del refrigerante, ma dovrebbe impiegare algoritmi intelligenti che regolino dinamicamente il flusso in tempo reale, in base alla velocità, alla temperatura esterna, alla domanda di riscaldamento e allo stato del gruppo propulsore. Un tale sistema potrebbe ottimizzare l’uso dell’energia in un’ampia gamma di scenari, garantendo il massimo comfort ed efficienza indipendentemente dalle condizioni esterne.
Oltre alla gestione del refrigerante, lo studio confronta due diverse architetture di sistema: configurazioni in parallelo e in serie. Nella configurazione in parallelo, il refrigerante si divide in due flussi separati dopo la valvola di espansione: uno passa attraverso lo scambiatore di aria esterna per assorbire calore dall’ambiente, l’altro fluisce attraverso lo scambiatore a piastre per recuperare il calore dal motore e dal controllore. Nella configurazione in serie, il refrigerante passa prima attraverso lo scambiatore di aria esterna e poi attraverso lo scambiatore del motore.
I risultati sono inequivocabilmente a favore dell’architettura in parallelo. A 20 km/h, il sistema in parallelo fornisce il 23,42% in più di potenza di riscaldamento all’abitacolo rispetto al sistema in serie. A 60 km/h, questo vantaggio aumenta al 27,23%. La ragione risiede nel comportamento termodinamico del refrigerante. Nella configurazione in serie, il refrigerante si riscalda dopo essere passato attraverso lo scambiatore di aria esterna, riducendo così la sua capacità di assorbire ulteriore calore dal motore. Poiché l’efficienza del trasferimento di calore dipende dalla differenza di temperatura tra il refrigerante e la fonte di calore, un refrigerante più caldo è meno efficace nell’estrarre il calore residuo.
Il problema si aggrava a velocità elevate. Quando il sistema recupera grandi quantità di calore residuo dal motore, la temperatura del refrigerante può superare quella dell’aria ambiente. In questo caso, far passare il refrigerante attraverso lo scambiatore di aria esterna causa una perdita di calore indesiderata nell’ambiente, un effetto controproducente che riduce l’efficienza complessiva del sistema. L’architettura in parallelo evita questo inconveniente permettendo al refrigerante di bypassare completamente lo scambiatore di aria esterna quando necessario, evitando tali perdite e mantenendo temperature di aspirazione più elevate all’ingresso del compressore. Ciò, a sua volta, migliora le prestazioni del compressore e aumenta la capacità di riscaldamento totale del sistema.
È interessante notare che, sebbene l’architettura in parallelo consumi più potenza del compressore a causa di flussi massici di refrigerante più elevati, il miglioramento della potenza di riscaldamento è proporzionalmente maggiore. Di conseguenza, il coefficiente di prestazione rimane competitivo. A 20 km/h, il COP del sistema in parallelo è di 1,97 rispetto a 2,07 del sistema in serie: un modesto compromesso per un guadagno del 23,42% in potenza di riscaldamento. A 60 km/h, la differenza nel COP è trascurabile (2,29 contro 2,27), ma il sistema in parallelo fornisce comunque quasi il 27% in più di calore. Ciò suggerisce che nelle applicazioni reali, specialmente in climi freddi, la capacità di riscaldamento migliorata può essere più preziosa di piccoli miglioramenti marginali nell’efficienza energetica.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre l’interesse accademico. Mentre i costruttori automobilistici si sforzano di rispettare normative sempre più severe in materia di efficienza energetica e soddisfare le aspettative dei consumatori in termini di comfort durante tutto l’anno, l’integrazione di sistemi di gestione termica avanzati diventerà un fattore differenziante critico. La capacità di recuperare e utilizzare il calore residuo non solo migliora le prestazioni di riscaldamento dell’abitacolo, ma contribuisce anche a un’autonomia più lunga, un attributo che rimane una delle principali preoccupazioni per gli acquirenti di veicoli elettrici.
Inoltre, l’adozione di queste tecnologie si allinea con obiettivi di sostenibilità più ampi. Riducendo la necessità di riscaldatori elettrici ausiliari come gli elementi PTC (Positive Temperature Coefficient), che convertono l’elettricità direttamente in calore con un’efficienza inferiore a uno, i veicoli possono operare in modo più efficiente e con un’impronta di carbonio più bassa. Le pompe di calore, specialmente quando potenziate con il recupero del calore residuo, offrono un coefficiente di prestazione molto più alto, spesso superiore a tre, il che significa che forniscono tre unità di calore per ogni unità di elettricità consumata.
Lo studio evidenzia anche l’importanza di un approccio sistemico nella progettazione dei veicoli elettrici. Tradizionalmente, componenti come il motore, l’elettronica di potenza e il sistema di climatizzazione sono stati progettati in modo indipendente. Questa ricerca dimostra che un’integrazione sinergica può produrre guadagni di prestazioni sostanziali. Trattando l’intero veicolo come una rete energetica interconnessa, gli ingegneri possono identificare opportunità per riutilizzare flussi di energia precedentemente considerati rifiuti.
Guardando al futuro, la prossima generazione di veicoli elettrici potrebbe incorporare strategie di integrazione termica ancora più sofisticate. Ad esempio, combinare il recupero del calore del motore con la gestione termica della batteria potrebbe consentire il preriscaldamento simultaneo dell’abitacolo e della batteria, una funzionalità particolarmente utile per la ricarica rapida in condizioni di freddo. Inoltre, l’uso di refrigeranti alternativi con prestazioni migliori a basse temperature, come il CO₂ (R744), potrebbe ulteriormente potenziare l’efficacia dei sistemi di pompa di calore in climi estremi.
Il lavoro di He Jiawen e dei suoi colleghi fornisce una solida base per questi progressi. Il loro rigoroso processo di modellazione e validazione, che include confronti con dati di test su banco, assicura che le conclusioni siano non solo teoricamente solide ma anche rilevanti nella pratica. Il fatto che i risultati della simulazione siano in stretto accordo con le misurazioni sperimentali (con errori inferiori al 7%) aggiunge credibilità alle loro raccomandazioni e aumenta la probabilità di una implementazione nel mondo reale.
Mentre l’industria automobilistica globale accelera la sua transizione verso l’elettrificazione, le sfide legate all’efficienza energetica e alla gestione termica continueranno a crescere in importanza. Questo studio offre un esempio chiaro di come l’ingegneria innovativa possa trasformare un limite, il calore residuo, in un vantaggio. Ripensando il flusso di energia attraverso un veicolo, i progettisti possono creare sistemi non solo più efficienti, ma anche più confortevoli e sostenibili.
In conclusione, l’integrazione del recupero del calore residuo del motore nei sistemi di gestione termica dei veicoli elettrici rappresenta un passo significativo avanti nel superare una delle principali barriere all’adozione diffusa dei veicoli elettrici: l’ansia da autonomia invernale. Attraverso un’attenta ottimizzazione della distribuzione del refrigerante e dell’architettura del sistema, è possibile migliorare drasticamente le prestazioni di riscaldamento dell’abitacolo senza sacrificare l’efficienza energetica. L’architettura in parallelo emerge in particolare come una scelta di progettazione superiore, offrendo una potenza di riscaldamento più elevata in un’ampia gamma di condizioni di guida.
Questa ricerca non solo avanza lo stato dell’arte nei sistemi termici automobilistici, ma esemplifica anche il tipo di pensiero interdisciplinare e orientato ai sistemi necessario per risolvere problemi di ingegneria complessi. Mentre l’elettrificazione dei veicoli accelera, studi come questo svolgeranno un ruolo cruciale nel plasmare la prossima generazione di veicoli elettrici ad alte prestazioni ed elevata efficienza energetica.
Recupero del calore dai motori elettrici migliora il riscaldamento
He Jiawen, Zhang Xin, Li Xinlin, Feng Shuo, College of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University
Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.05.11