Strategia termica avanzata per BEV in climi freddi
La mobilità elettrica continua ad affrontare una delle sue sfide più persistenti: mantenere prestazioni affidabili e comfort abitacolo in condizioni climatiche estreme. Mentre la domanda di veicoli elettrici cresce nelle regioni settentrionali, gli automobilisti esigono soluzioni che garantiscano autonomia e riscaldamento efficiente anche quando le temperature scendono ben al di sotto dello zero. Un recente studio pubblicato sulla rivista Chinese Journal of Automotive Engineering rappresenta un passo avanti significativo in questo campo, introducendo una strategia di controllo innovativa per il sistema di gestione termica che ottimizza il funzionamento dei veicoli elettrici a batteria (BEV) in ambienti rigidi. A guidare la ricerca è stato Dong Zheming, insieme a un team di ingegneri del Technology Center di Dongfeng Motor Group Corporation, che hanno dimostrato come l’integrazione del recupero del calore residuo con la pompa di calore ad aria possa estendere i limiti operativi e migliorare l’efficienza energetica anche in condizioni di freddo estremo.
Il progetto si concentra su un modello BEV specifico, progettato per un utilizzo versatile che include scenari urbani e fuoristrada. Sebbene le pompe di calore siano ormai diffuse nei veicoli elettrici moderni grazie al loro coefficiente di prestazione (COP) superiore rispetto ai tradizionali riscaldatori resistivi, la loro efficacia tende a diminuire al di sotto dei -10 °C. Questa limitazione è dovuta a una ridotta efficienza dello scambio termico tra l’aria esterna e il refrigerante, unita a un maggiore sforzo del compressore in condizioni di bassa temperatura ambiente. In climi particolarmente rigidi, alcuni sistemi faticano persino a funzionare, costringendo il veicolo a ricorrere a riscaldatori PTC (Positive Temperature Coefficient), meno efficienti, che attingono energia direttamente dalla batteria, accelerando così la perdita di autonomia.
Dong Zheming e il suo team hanno affrontato questa criticità ripensando l’architettura termica del veicolo. Piuttosto che dipendere esclusivamente dall’aria esterna come fonte di calore, hanno sviluppato un sistema ibrido in grado di sfruttare il calore residuo generato dai componenti stessi del veicolo: in particolare, batteria, motore e controllore del motore. Questi componenti ad alta tensione producono una quantità significativa di energia termica durante il funzionamento, soprattutto in condizioni di guida prolungata. Catturando e riutilizzando questo calore altrimenti disperso, il team ha creato una fonte secondaria di calore, più stabile e meno dipendente dalle condizioni atmosferiche esterne.
Questo approccio a doppia fonte consente alla pompa di calore del veicolo di operare efficacemente anche quando le temperature esterne sono molto basse. L’innovazione principale non risiede solo nell’integrazione hardware, ma nella strategia di controllo intelligente che determina quando e come attivare ciascuna modalità. Il sistema valuta dinamicamente diversi parametri, tra cui temperatura ambiente, velocità del veicolo, stato di carica della batteria e richiesta di riscaldamento dell’abitacolo, per determinare la combinazione ottimale delle fonti di calore.
Uno dei risultati più significativi dello studio è l’estensione del limite operativo inferiore della pompa di calore. Tradizionalmente, le pompe di calore ad aria nei BEV sono considerate efficaci solo fino a circa -15 °C. Al di sotto di questa soglia, il loro COP diminuisce sensibilmente, spesso scendendo al di sotto di quello dei riscaldatori PTC. Tuttavia, grazie all’implementazione della strategia assistita dal calore residuo, il team di Dong Zheming è riuscito a spingere il limite operativo fino a -20 °C. Questo miglioramento di cinque gradi, sebbene possa sembrare modesto, si traduce in vantaggi concreti in termini di comfort passeggeri e autonomia per gli utenti in regioni come il nordest della Cina, dove le temperature invernali scendono frequentemente al di sotto di -15 °C.
La logica di controllo alla base di questo progresso è sofisticata ma pragmatica. All’avviamento del veicolo in condizioni di freddo estremo, il sistema può inizialmente ricorrere a un breve impulso PTC per aumentare la temperatura del liquido refrigerante a un livello che permetta alla pompa di calore di operare in modo efficiente. Una volta che i componenti del powertrain iniziano a generare calore residuo – tipicamente entro pochi minuti di guida – il sistema passa alla modalità di recupero del calore. In questa fase, la pompa di calore utilizza il liquido di raffreddamento preriscaldato dai circuiti della batteria e del motore come fonte primaria di calore, riducendo drasticamente la necessità di scambio termico tra aria e refrigerante. Questo approccio minimizza il rischio di formazione di brina sullo scambiatore di calore esterno, un problema comune che affligge i sistemi convenzionali di pompa di calore ad aria in condizioni fredde e umide.
L’accumulo di brina rappresenta un problema critico perché isola lo scambiatore, riducendone la capacità di assorbire calore dall’ambiente. Per contrastare questo fenomeno, molti sistemi prevedono cicli di sbrinamento periodici, che invertono temporaneamente il flusso del refrigerante per sciogliere il ghiaccio. Sebbene efficaci, questi cicli consumano energia aggiuntiva e interrompono il riscaldamento dell’abitacolo, causando fluttuazioni di temperatura e un consumo energetico complessivo maggiore. Riducendo la dipendenza dall’unità esterna, la strategia basata sul calore residuo riduce in modo intrinseco la frequenza e la durata degli eventi di sbrinamento, contribuendo a una regolazione termica più uniforme e a un minore consumo energetico.
La ricerca sottolinea inoltre l’importanza dell’integrazione del sistema e dello sviluppo del software per raggiungere questi miglioramenti. A differenza delle generazioni precedenti di sistemi di gestione termica, che si basavano su controller separati per il climatizzatore e il raffreddamento della batteria, questa nuova architettura consolida le funzioni di controllo all’interno del Power Domain Controller Unit (PDCU). Questa integrazione permette una comunicazione più rapida tra i sottosistemi e una presa di decisione più coordinata. Ad esempio, se la batteria richiede riscaldamento per un’ottimale prestazione di ricarica mentre l’abitacolo ha bisogno di calore, il sistema può priorizzare la distribuzione del calore in base a priorità in tempo reale, come se il veicolo sia in movimento o collegato a una stazione di ricarica.
Per validare il loro approccio, il team di Dongfeng ha adottato un processo di sviluppo rigoroso che ha combinato simulazioni unidimensionali, test hardware-in-the-loop e un’ampia calibrazione su veicolo reale. Le simulazioni iniziali sono state utilizzate per modellare diversi scenari di riscaldamento in varie condizioni ambientali, aiutando a identificare le strategie operative più efficienti dal punto di vista energetico. I modelli hanno previsto che a -7 °C durante un ciclo di prova CLTC (China Light-duty Vehicle Test Cycle), la modalità di sola pompa di calore con calore residuo potesse raggiungere un COP di 2,95, decisamente superiore al COP di 2,00 della modalità ad aria soltanto. Questa intuizione ha guidato direttamente la progettazione della strategia di controllo, che ha dato priorità all’utilizzo del calore residuo ogni volta che fosse disponibile una quantità sufficiente di energia termica dal powertrain.
Successivamente alle simulazioni, il team ha condotto test su banco per verificare la funzionalità a livello di componente. Utilizzando un banco prova climatizzato, hanno replicato condizioni di guida reali e misurato parametri chiave come potenza termica, temperatura del liquido refrigerante e COP del sistema. I risultati hanno confermato che i componenti selezionati – compressore, condensatore ed evaporatore – hanno soddisfatto o superato gli obiettivi di progetto, validando le scelte iniziali dell’hardware. Ancor più importante, i test hanno dimostrato che il software di controllo poteva modulare con precisione posizioni delle valvole, velocità delle pompe e funzionamento del compressore per mantenere temperature stabili nell’abitacolo massimizzando l’efficienza.
La fase successiva ha previsto test su veicolo reale attraverso diverse fasi di prototipazione. I primi prototipi sono stati utilizzati per la calibrazione in camera climatica, dove gli ingegneri hanno affinato i parametri di controllo PID (proporzionale-integrale-derivativo) per compiti come mantenere la pressione desiderata sul lato ad alta pressione e regolare la temperatura dell’acqua del nucleo del riscaldatore. Con il maturare del design del veicolo, i prototipi successivi sono stati sottoposti a test su strada in condizioni di freddo reale, inclusi scenari fuoristrada simulati come fango, sabbia e terreno roccioso. Questi test sono stati cruciali per valutare la robustezza e l’adattabilità del sistema sotto carichi e richieste termiche imprevedibili.
Un risultato particolarmente rivelatore è emerso dai test su strada a -7 °C utilizzando il ciclo CLTC. Quando operava in modalità ad aria soltanto, il veicolo mostrava una notevole caduta di prestazioni durante la guida ad alta velocità a causa dell’accumulo di brina sullo scambiatore di calore esterno. Senza una griglia attiva (AGS) per regolare il flusso d’aria, il sistema faticava a mantenere un’uscita di calore costante, portando a cicli di sbrinamento più lunghi e una riduzione del comfort per i passeggeri. Tuttavia, quando è stata implementata la strategia di controllo ottimizzata – che dava priorità al recupero del calore residuo – il veicolo ha mantenuto temperature stabili nell’abitacolo con una dipendenza minima dal riscaldamento PTC di riserva. Questo cambiamento ha portato a una riduzione misurabile del consumo energetico, traducendosi direttamente in un miglior mantenimento dell’autonomia.
All’arrivo della configurazione finale pre-produzione, il sistema di gestione termica aveva subito diverse iterazioni di affinamento. I dati provenienti da fasi successive di test hanno mostrato un calo costante della potenza media del compressore durante il ciclo di prova CLTC a -7 °C, passando da oltre 1,4 kW nelle versioni iniziali a soli 0,9 kW nel sistema calibrato finale. Questa riduzione del 35,7% del consumo energetico del compressore sottolinea l’impatto cumulativo dell’ottimizzazione strategica, dalla selezione dei componenti al tuning del software.
Il benchmark finale per il successo è stato il mantenimento dell’autonomia del veicolo a basse temperature. Secondo lo studio, la configurazione finale ha raggiunto un tasso di attenuazione dell’autonomia del 31,2% nelle condizioni CLTC a -7 °C. Sebbene tutti i BEV subiscano una certa perdita di autonomia in condizioni fredde a causa dell’aumento della resistenza al rotolamento, della ridotta efficienza della frenata rigenerativa e dei carichi ausiliari, una riduzione del 31,2% colloca questo modello tra i migliori della sua categoria. I riferimenti di settore indicano che molti veicoli elettrici di massa subiscono perdite di autonomia superiori al 40% in condizioni simili, rendendo questo risultato particolarmente impressionante.
Oltre ai benefici immediati in termini di prestazioni, la ricerca ha implicazioni più ampie per il futuro della gestione termica nei veicoli elettrici. Mentre i costruttori si impegnano a soddisfare standard di efficienza energetica sempre più rigorosi e le aspettative dei consumatori, i sistemi termici integrati e a fonte multipla diventeranno probabilmente la norma. Il lavoro del team di Dong Zheming illustra come strategie di controllo intelligenti possano sbloccare il potenziale nascosto nei componenti esistenti del veicolo, trasformando il calore residuo in una risorsa preziosa piuttosto che in un onere.
Inoltre, lo studio enfatizza l’importanza di un design sistemico olistico. Piuttosto che trattare il riscaldamento dell’abitacolo, il condizionamento della batteria e il raffreddamento del motore come funzioni separate, il nuovo approccio le vede come elementi interconnessi di un ecosistema termico unificato. Questa prospettiva permette una distribuzione dell’energia più efficiente, come utilizzare il calore in eccesso della batteria per riscaldare l’abitacolo all’avviamento in condizioni fredde, o indirizzare il calore residuo del motore per mantenere la temperatura ottimale della batteria durante la ricarica rapida.
I risultati hanno rilevanza anche per i mercati globali al di fuori della Cina. Man mano che l’adozione dei veicoli elettrici cresce in regioni dal clima freddo come Scandinavia, Canada e nord degli Stati Uniti, le soluzioni che migliorano l’utilizzabilità invernale saranno fondamentali per l’accettazione di massa. Sebbene alcuni veicoli elettrici premium dispongano già di sistemi avanzati di pompa di calore, il lavoro del team di Dongfeng mostra che benefici simili possono essere ottenuti attraverso un’ingegneria accurata e l’ottimizzazione del software, aprendo potenzialmente la strada a una più ampia diffusione tra diversi segmenti di veicoli.
In conclusione, la ricerca condotta da Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia e He Qifu rappresenta un progresso significativo nella gestione termica dei veicoli elettrici. Estendendo il limite operativo dei sistemi di pompa di calore a -20 °C e raggiungendo un tasso di mantenimento dell’autonomia leader di categoria del 31,2% a -7 °C, il loro lavoro affronta due delle preoccupazioni più pressanti per i proprietari di veicoli elettrici in climi freddi. L’integrazione del recupero del calore residuo con una logica di controllo intelligente non solo migliora l’efficienza energetica, ma anche il comfort dei passeggeri e l’affidabilità del sistema. Mentre l’industria automobilistica prosegue la sua transizione verso l’elettrificazione, studi come questo svolgeranno un ruolo fondamentale nella definizione della prossima generazione di veicoli elettrici ad alte prestazioni e adatti a qualsiasi condizione climatica.
Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia, He Qifu, Technology Center of Dongfeng Motor Group Corporation, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.01.08