Migliorata l’autonomia dei veicoli elettrici in condizioni di freddo estremo
Un recente studio condotto da un team di ingegneri dell’SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd. ha dimostrato che è possibile aumentare in modo significativo l’autonomia di un veicolo elettrico compatto in condizioni di basse temperature, affrontando una delle principali sfide che ancora ostacolano l’adozione massiccia della mobilità elettrica. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Chinese Journal of Automotive Engineering, si distingue per un approccio metodologico rigoroso e sistematico, basato sull’analisi del flusso energetico, che ha permesso di identificare e ottimizzare con precisione i punti critici di inefficienza in un veicolo dotato di pompa di calore operante in un ambiente controllato a -7 °C.
La ricerca, guidata da Wang Fujian, Xie Jihong, Shao Jie, Cai Jiakang e Tang Kui, si è concentrata su un veicolo elettrico di piccole dimensioni, un segmento di mercato in rapida crescita, specialmente in contesti urbani. Il veicolo in esame è equipaggiato con una pompa di calore, una tecnologia avanzata che promette un riscaldamento dell’abitacolo più efficiente rispetto ai tradizionali sistemi a resistenza elettrica, riducendo così il prelievo di energia dalla batteria. Le prove sono state condotte seguendo il ciclo di guida CLTC-P (China Light-Duty Vehicle Test Cycle—Passenger), uno standard progettato per rappresentare in modo realistico i pattern di traffico cinesi, caratterizzati da velocità medie e basse.
L’analisi iniziale dei dati di test ha rivelato diversi aspetti critici che contribuiscono al consumo eccessivo di energia in condizioni fredde. In primo luogo, il team ha esaminato la resistenza al rotolamento del veicolo, una componente chiave del consumo energetico. I dati hanno mostrato che la resistenza complessiva del veicolo, derivante dalla combinazione di attrito aerodinamico, resistenza dei pneumatici e attrito interno dei freni, era superiore alla media del segmento, in particolare a velocità medie. Sebbene il coefficiente aerodinamico non fosse modificabile, il team ha identificato tre aree concrete di intervento: l’adozione di pinze freno con minor attrito di trascinamento, l’utilizzo di pneumatici a bassa resistenza al rotolamento e una leggera riduzione del peso complessivo del veicolo attraverso l’ottimizzazione della carrozzeria e del sistema della batteria. Queste modifiche, sebbene apparentemente marginali, hanno contribuito a un risparmio energetico misurabile durante la fase di trazione.
Tuttavia, la scoperta più rivelatrice è emersa dall’analisi del sistema di gestione termica e della sua interazione con la batteria. I dati hanno dimostrato che la batteria al litio-ferro-fosfato (LFP), a temperature inferiori a 0 °C, presenta una drastica riduzione della capacità di accettare carica. In particolare, il sistema di gestione della batteria (BMS) blocca completamente la funzione di rigenerazione durante la frenata quando la temperatura minima delle celle è inferiore a questo valore critico. Questo significa che, durante i primi cicli di guida in condizioni di freddo, il veicolo non può recuperare energia cinetica, perdendo una preziosa fonte di ricarica e riducendo l’autonomia. Questo risultato ha evidenziato un grave collasso del sistema: la capacità di rigenerazione, un punto di forza dei veicoli elettrici, diventa inutile se la batteria non è termicamente pronta.
Parallelamente, anche il motore elettrico, un motore sincrono a magneti permanenti, ha mostrato un rendimento subottimale all’avvio. La sua efficienza aumenta progressivamente con la temperatura, raggiungendo un picco tra i 50 e i 70 °C. Nei primi minuti di guida, quando il motore è freddo, le perdite per effetto Joule e per attrito meccanico sono più elevate, riducendo l’efficienza complessiva del powertrain. L’analisi ha suggerito che un riscaldamento più rapido del motore, attraverso strategie di controllo o sistemi di preriscaldamento, potrebbe mitigare queste perdite iniziali.
Il sistema di pompa di calore, nonostante la sua presenza, ha mostrato un’efficienza inferiore alle aspettative. Il Coefficiente di Prestazione (COP), che misura l’energia termica prodotta rispetto all’energia elettrica consumata dal compressore, si è attestato intorno a 1. Un COP superiore a 1 è necessario per essere più efficienti di una resistenza elettrica, ma i valori tipici in condizioni ideali sono generalmente compresi tra 2 e 3. Un COP di 1 indica un’inefficienza nel trasferimento di calore, probabilmente dovuta a una velocità del compressore troppo bassa all’avvio, a una capacità limitata dello scambiatore di calore esterno o a una gestione non ottimale del flusso del refrigerante.
Per approfondire l’analisi e testare virtualmente diverse strategie di ottimizzazione, il team ha sviluppato un modello di simulazione dettagliato sulla piattaforma AMESim. Questo modello ha integrato tutti i sottosistemi chiave: batteria, powertrain elettrico, trasmissione, sistema di gestione termica e controlli. Il modello è stato accuratamente calibrato con i dati sperimentali, garantendo che le simulazioni rispecchiassero fedelmente il comportamento reale del veicolo. La validazione del modello è stata rigorosa: il valore simulato dello stato di carica (SOC) della batteria presentava un errore inferiore all’1% rispetto ai dati misurati, e le temperature del motore e della batteria erano allineate con le misurazioni, con una deviazione massima di 1 °C. Questo alto grado di accuratezza ha fornito una base solida e affidabile per le simulazioni future.
Con il modello validato, il team ha proceduto a simulare diverse strategie di ottimizzazione. La prima linea di azione è stata la riduzione della resistenza al rotolamento. Implementando le modifiche precedentemente identificate — pinze freno a basso attrito, pneumatici a bassa resistenza e leggerezza — il modello ha predetto un aumento del 2,28% dell’autonomia. Sebbene questo incremento sia modesto, rappresenta un guadagno reale e tangibile senza compromettere prestazioni o sicurezza.
La seconda strategia si è concentrata sull’ottimizzazione del sistema di recupero energetico in frenata. L’analisi iniziale aveva rivelato che la strategia di recupero originale era fortemente limitata perché il momento di recupero non era disaccoppiato dal sistema frenante idraulico. Ciò significava che, in molte situazioni di frenata leggera, il sistema non poteva sfruttare appieno la capacità di recupero del motore. Per superare questo limite, il team ha proposto l’integrazione di un sistema frenante elettronico (E-boost), che consente un controllo indipendente tra il recupero elettrico e il freno idraulico. Con questo sistema, il motore può applicare il suo massimo momento di recupero in qualsiasi situazione di frenata, purché la batteria lo permetta.
Tuttavia, come già evidenziato, la batteria non può accettare carica se la sua temperatura è inferiore a 0 °C. Per risolvere questo collo di bottiglia, il team ha implementato una strategia di riscaldamento attivo della batteria durante la fase di ricarica rigenerativa. Questo viene ottenuto attraverso una pellicola riscaldante integrata nel modulo della batteria, che utilizza una piccola frazione dell’energia recuperata per aumentare rapidamente la temperatura del pacchetto. Questa soluzione ingegnosa permette alla batteria di raggiungere rapidamente la temperatura minima operativa, abilitando così la funzione di recupero energetico fin dai primi istanti di guida.
La simulazione di questa strategia combinata — frenata disaccoppiata e riscaldamento attivo della batteria — ha prodotto risultati sorprendenti. L’energia recuperata è aumentata da 1,27 kWh a 2,78 kWh, più del doppio, traducendosi in un aumento del 4,38% dell’autonomia. Questo risultato sottolinea l’importanza cruciale di considerare non solo l’hardware, ma anche come le strategie di controllo software possano potenziare drasticamente le prestazioni del sistema.
La terza e più significativa linea di ottimizzazione ha riguardato il sistema di pompa di calore. Il team ha implementato una serie di miglioramenti per aumentare il COP del sistema. In primo luogo, hanno ottimizzato la strategia di controllo del ventilatore esterno, facendolo funzionare per periodi più lunghi e a velocità più elevate, migliorando così il trasferimento di calore nello scambiatore esterno. In secondo luogo, hanno perfezionato il controllo del compressore, regolandone la velocità in base alla temperatura dell’abitacolo, accelerando così il riscaldamento iniziale. Infine, hanno modificato la pressione del lato a bassa pressione del sistema per ridurre la temperatura del refrigerante nello scambiatore esterno, aumentandone la capacità di assorbire calore dall’ambiente.
Questi miglioramenti, da soli, hanno aumentato il COP del sistema da 1 a 1,9, raddoppiandone l’efficienza. Di conseguenza, il consumo energetico del compressore si è ridotto di oltre il 39%, portando a un aumento del 6,94% dell’autonomia. Questo risultato è particolarmente significativo perché dimostra che il sistema di riscaldamento, tradizionalmente uno dei maggiori consumatori di energia in inverno, può diventare un alleato chiave per estendere l’autonomia se gestito correttamente.
Il team ha poi esplorato una modifica architetturale più profonda: l’aggiunta di un tubo di rigenerazione (recuperatore di calore) nel circuito del refrigerante. Questo componente sfrutta il calore residuo del refrigerante dopo il condensatore per preriscaldare il refrigerante prima che entri nel compressore. Questo scambio di calore interno migliora l’efficienza del ciclo termodinamico, aumentando il surriscaldamento all’ingresso del compressore e il sottoraffreddamento prima della valvola di espansione. Sebbene questa modifica richieda cambiamenti fisici nel sistema, la simulazione ha mostrato che poteva ridurre ulteriormente il consumo del compressore, aumentando l’autonomia del 7,87%. Questo è stato l’incremento individuale più elevato tra tutte le strategie valutate.
Infine, il team ha valutato le combinazioni di queste strategie. La simulazione ha mostrato che la combinazione ottimale — riduzione della resistenza, recupero energetico migliorato, riscaldamento della batteria e aggiunta del tubo di rigenerazione — aveva il potenziale teorico di aumentare l’autonomia del 18,14%. Tuttavia, nella validazione sperimentale, dove sono state implementate le strategie più praticabili dal punto di vista dei costi e della fattibilità tecnica, l’incremento misurato è stato del 12,6%, portando l’autonomia da 113 km a 129,28 km in condizioni di -7 °C.
Questo risultato sperimentale è cruciale perché conferma che i guadagni predetti dalla simulazione sono realistici e raggiungibili nella pratica. Inoltre, i dati sul flusso energetico post-ottimizzazione hanno mostrato miglioramenti evidenti: la percentuale di energia recuperata è passata dal 4,47% al 9,89%, e l’efficienza complessiva del powertrain elettrico è aumentata, indicando un miglioramento sistematico oltre i singoli cambiamenti.
Ciò che distingue questo studio non è solo il risultato finale, ma la metodologia sottostante. Utilizzando l’analisi del flusso energetico come strumento centrale, il team è stato in grado di identificare le aree di miglioramento basandosi su dati reali e quantificabili, evitando supposizioni o intuizioni. Questo approccio permette agli ingegneri di sviluppo di concentrare le risorse sulle modifiche che hanno un impatto effettivo, accelerando il processo di innovazione e riducendo i costi.
Inoltre, lo studio mette in luce un punto spesso sottovalutato: in condizioni di freddo, la gestione termica non è un sistema ausiliario, ma un componente critico delle prestazioni del veicolo. Mentre tradizionalmente ci si è concentrati sull’efficienza del motore o sull’aerodinamica, questo lavoro dimostra che ottimizzare il sistema di riscaldamento può avere un impatto uguale o superiore all’autonomia. Questo ha implicazioni profonde per la progettazione futura dei veicoli elettrici, suggerendo che i sistemi termici devono essere considerati fin dall’inizio dello sviluppo, non come un accessorio aggiuntivo.
Il successo di questa ricerca risiede anche nel suo approccio integrato. Invece di trattare ogni sistema in modo isolato, il team ha considerato come le interazioni tra la batteria, il motore, la trasmissione e il sistema di gestione termica influenzino le prestazioni complessive. Ad esempio, il riscaldamento della batteria non solo permette il recupero di energia, ma migliora anche l’efficienza di scarica, riducendo le perdite interne. Allo stesso modo, un motore più caldo funziona con maggiore efficienza, riducendo il carico sulla batteria e, di conseguenza, la sua necessità di riscaldamento.
Questo tipo di pensiero sistemico è essenziale per superare le sfide attuali della mobilità elettrica. Man mano che i veicoli elettrici diventano più comuni, i consumatori esigono non solo una maggiore autonomia, ma anche prestazioni affidabili in tutte le condizioni climatiche. Questo studio fornisce una strada chiara verso questo obiettivo, dimostrando che con gli strumenti giusti e un approccio rigoroso, è possibile superare le limitazioni imposte dal freddo.
In sintesi, il lavoro di Wang Fujian, Xie Jihong, Shao Jie, Cai Jiakang e Tang Kui rappresenta un progresso significativo nell’ingegneria dei veicoli elettrici. Non solo hanno ottenuto un aumento sostanziale dell’autonomia in condizioni di freddo, ma hanno anche stabilito un quadro metodologico che può essere applicato ad altri veicoli e condizioni. I loro risultati sottolineano l’importanza della gestione termica, del recupero energetico intelligente e del design sistemico, offrendo una roadmap chiara per lo sviluppo futuro di veicoli elettrici più efficienti e resistenti.
Wang Fujian, Xie Jihong, Shao Jie, Cai Jiakang, Tang Kui, SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.03.20