Pompe di calore a CO₂ nei veicoli elettrici: nuovi dati sull’ottimizzazione della carica
Nell’era dell’elettrificazione automobilistica, dove l’attenzione si concentra spesso sulla densità energetica delle batterie e sulla rete di ricarica, un elemento cruciale del sistema di gestione termica sta guadagnando crescente rilevanza: l’efficienza del riscaldamento e del raffreddamento dell’abitacolo e della batteria. A differenza dei veicoli a motore termico, che sfruttano il calore residuo del motore per riscaldare l’abitacolo, i veicoli elettrici (VE) devono ricorrere a soluzioni completamente elettriche, con un impatto diretto sulla loro autonomia. In particolare nei climi freddi, l’uso di resistenze elettriche per il riscaldamento può ridurre significativamente la percorrenza, alimentando quella che i consumatori conoscono come “ansia da autonomia”. In questo scenario, le pompe di calore a CO₂ stanno emergendo come una delle tecnologie più promettenti per affrontare questa sfida, grazie alla loro elevata efficienza e al ridotto impatto ambientale.
Il biossido di carbonio (CO₂), utilizzato come refrigerante, presenta caratteristiche termodinamiche uniche che lo rendono particolarmente adatto ai cicli transcritici, tipici dei sistemi di climatizzazione per veicoli elettrici. A differenza di refrigeranti sintetici come il R134a — ormai in via di progressiva eliminazione per il loro elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP) — il CO₂ ha un GWP pari a 1, è non infiammabile, non tossico e di origine naturale. Tuttavia, il suo funzionamento in regime transcritico, dove il passaggio di stato nel gas cooler non avviene a pressione costante, rende il sistema altamente sensibile alla quantità esatta di refrigerante presente nel circuito. Una carica insufficiente o eccessiva può compromettere non solo l’efficienza, ma anche la stabilità operativa del sistema.
È proprio su questo aspetto critico che si è concentrata una recente ricerca condotta da Wang Congfei della Chinese Association of Refrigeration, in collaborazione con Jia Fan, Yin Xiang e Cao Feng dell’Università Jiaotong di Xi’an. Il loro studio, pubblicato sul International Journal of Refrigeration, analizza con precisione come le condizioni operative influenzino la carica ottimale di CO₂ nei sistemi termici dei veicoli elettrici. Attraverso un modello di simulazione dinamica altamente dettagliato, il team ha esaminato l’impatto di variabili ambientali come la temperatura esterna, il flusso d’aria interno e la velocità del vento esterno sulla carica minima necessaria per un funzionamento stabile. Inoltre, il lavoro esplora il comportamento del sistema in condizioni di carica non ottimale, identificando meccanismi di instabilità e proponendo strategie di controllo per mitigarli.
Il modello di simulazione, sviluppato sulla piattaforma CT-Suite, riproduce fedelmente un sistema di gestione termica completo per veicoli elettrici. Include un compressore, due scambiatori di calore interni, uno esterno, un serbatoio liquido con funzione di scambio termico interno, uno scambiatore per la batteria, valvole di espansione elettroniche (EEV) e una valvola a quattro vie per il passaggio tra modalità di riscaldamento e raffreddamento. Questa architettura permette al sistema di gestire simultaneamente il clima interno, la sbrinatura, la sgonfiatura e la termoregolazione della batteria — funzioni essenziali per la fruibilità del veicolo in tutte le stagioni.
La validazione del modello è stata effettuata confrontando i risultati della simulazione con dati sperimentali ottenuti da un banco prova fisico identico al sistema simulato. Le deviazioni tra i valori simulati e quelli misurati per parametri chiave come il coefficiente di prestazione (COP) e il carico termico sono risultate inferiori al ±10%, confermando l’affidabilità del modello per analisi predittive. Questa precisione è fondamentale quando si studiano fenomeni complessi come la migrazione del refrigerante all’interno del circuito, dove piccoli errori possono portare a conclusioni fuorvianti.
Uno dei risultati più significativi dello studio riguarda l’effetto della temperatura ambiente sulla carica minima richiesta in modalità pompa di calore (riscaldamento). I ricercatori hanno scoperto che, al contrario di quanto si potrebbe intuitivamente pensare, la carica minima aumenta all’aumentare della temperatura esterna. Ad esempio, quando la temperatura passa da -10 °C a 5 °C, la carica ottimale aumenta del 18,6%. La spiegazione risiede nella fisica del ciclo transcritico: a temperature esterne più elevate, la pressione di scarico ottimale del compressore aumenta per mantenere un’efficiente rigenerazione termica nel gas cooler. Questa maggiore pressione aumenta la densità del refrigerante nel lato a bassa pressione, in particolare nello scambiatore esterno (che funge da evaporatore in modalità riscaldamento), richiedendo così una massa totale maggiore di refrigerante per garantire un funzionamento stabile.
Anche la velocità del vento esterno ha un impatto considerevole. Un aumento della velocità da 1,0 m/s a 6,0 m/s a 0 °C provoca un incremento della carica minima richiesta del 18,9%. Un flusso d’aria più intenso migliora lo scambio termico nello scambiatore esterno, consentendo un’evaporazione più efficace e un maggiore flusso massico del refrigerante. Di conseguenza, più refrigerante si accumula nell’evaporatore, richiedendo una carica totale più elevata per evitare un funzionamento instabile. Questo dato ha implicazioni dirette per il design dei veicoli destinati a funzionare ad alta velocità o in zone ventose.
Il flusso d’aria interno, pur avendo un effetto meno marcato, rimane significativo. In modalità riscaldamento, una riduzione del flusso d’aria interno porta a un aumento della carica minima richiesta. Lo studio ha registrato un incremento del 6,16% quando il flusso d’aria è sceso da 6,0 kg/min a 1,0 kg/min a 5 °C. Un flusso d’aria più basso riduce l’assorbimento di calore nello scambiatore interno (che in questa modalità funge da condensatore), alterando l’equilibrio della distribuzione del refrigerante tra i lati ad alta e bassa pressione. Il sistema compensa richiedendo più refrigerante nel lato a bassa pressione per mantenere condizioni di aspirazione adeguate per il compressore.
In modalità raffreddamento, il comportamento è diverso. Qui, la carica minima richiesta diminuisce all’aumentare della temperatura ambiente. Ad esempio, quando la temperatura passa da 25 °C a 40 °C, la carica necessaria si riduce del 7,03%. Questo accade perché temperature più elevate innalzano la pressione di scarico ottimale, aumentando la temperatura in uscita dal gas cooler. Allo stesso tempo, la pressione di evaporazione (nel lato interno) tende a diminuire, riducendo la densità del refrigerante nel lato a bassa pressione. Con meno massa di refrigerante necessaria nell’evaporatore, la carica totale del sistema può essere ridotta senza compromettere la stabilità.
Il flusso d’aria interno in modalità raffreddamento gioca un ruolo cruciale. Aumentare il flusso d’aria migliora la capacità di raffreddamento ma riduce la quantità di refrigerante richiesta nell’evaporatore grazie a uno scambio termico più rapido e a una minore ritenzione di refrigerante. Lo studio ha registrato una riduzione del 7,85% nella carica minima quando il flusso d’aria interno è aumentato da 1,5 kg/min a 6,0 kg/min a 35 °C. Questa relazione inversa sottolinea l’importanza di strategie di controllo adattive che possano regolare la gestione del refrigerante in base alle condizioni reali dell’abitacolo.
La velocità del vento esterno in modalità raffreddamento ha avuto l’impatto più contenuto tra i tre fattori, con un aumento del 2,27% nella carica minima quando la velocità del vento è passata da 1,5 m/s a 6,0 m/s a 25 °C. Tuttavia, la tendenza rimane positiva: un migliore flusso d’aria migliora lo smaltimento del calore nel gas cooler, abbassando la temperatura di scarico e aumentando la densità del refrigerante nel lato ad alta pressione. Ciò comporta una ritenzione leggermente maggiore di refrigerante nell’unità esterna, richiedendo quindi una carica totale marginalmente superiore.
Questi risultati evidenziano una sfida fondamentale nella progettazione dei sistemi di gestione termica per i veicoli elettrici: non esiste un singolo valore “ottimale” di carica che funzioni in tutte le condizioni. Al contrario, la carica ideale è dinamica, variabile in risposta a condizioni ambientali e operative. Questo pone una sfida significativa per gli ingegneri, chiamati a progettare sistemi in grado di adattarsi a queste fluttuazioni senza compromettere efficienza o sicurezza.
Il problema si complica ulteriormente considerando scenari di carica non ottimale — situazioni in cui la quantità reale di refrigerante si discosta dal range ideale. I ricercatori hanno scoperto che condizioni di sottocarica o sovracarica possono portare a instabilità del sistema, specialmente durante operazioni transitorie come l’avviamento o il cambio di modalità. In un caso simulato, un sistema sovracarico in modalità pompa di calore ha causato l’ingresso di refrigerante liquido nella linea di aspirazione del compressore — una condizione nota come “slugging” che può causare danni meccanici e ridurre drasticamente l’efficienza.
La simulazione ha rivelato un pericoloso loop di retroazione: con l’ingresso di liquido nel compressore, la temperatura di scarico è crollata bruscamente, facendo scendere la temperatura dell’aria nell’abitacolo al di sotto del setpoint. In risposta, il sistema di controllo ha aumentato la velocità del compressore per aumentare l’output, mentre la valvola di espansione elettronica si è aperta ulteriormente per ridurre la pressione di scarico. Tuttavia, queste azioni hanno peggiorato il problema, aumentando il flusso massico e aggravando il carryover di liquido. Il sistema ha raggiunto uno stato di instabilità di controllo, con il compressore che funzionava alla velocità massima (8.000 giri/min) e la EEV completamente aperta, senza riuscire a stabilizzarsi.
Questo scenario illustra un’intuizione fondamentale: in condizioni di carica non ideale, la logica di controllo tradizionale — dove la posizione della valvola regola la pressione e la velocità del compressore regola la temperatura — può fallire. La causa sottostante è un cambiamento nella relazione tra input di controllo e output del sistema a causa di una distribuzione anomala del refrigerante. Quando troppo liquido si accumula nella parte sbagliata del circuito, i meccanismi di retroazione tradizionali non producono più le risposte attese.
Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno proposto una strategia di mitigazione innovativa: regolare dinamicamente il setpoint di pressione di scarico in base allo stato del sistema. Nella simulazione, hanno intenzionalmente aumentato il setpoint da 8,6 MPa a 9,5 MPa, causando la chiusura della EEV e la riduzione del flusso di refrigerante verso l’evaporatore. Questo ha permesso al sistema di eliminare gradualmente il liquido in eccesso dalla linea di aspirazione. Una volta ripristinato un funzionamento stabile, il setpoint di pressione è stato riportato ai livelli normali. Questo approccio disaccoppia efficacemente il controllo dalla sensibilità alla carica, alterando temporaneamente il punto di funzionamento del sistema per correggere la distribuzione del refrigerante.
Le implicazioni di questa ricerca vanno ben oltre l’interesse accademico. Per i costruttori automobilistici, fornisce dati concreti per progettare sistemi di gestione termica più robusti. Un’applicazione immediata riguarda il dimensionamento del serbatoio liquido — il componente responsabile dell’accumulo del refrigerante in eccesso e della corretta distribuzione. Comprendendo come la richiesta di carica varia con le condizioni ambientali, gli ingegneri possono ottimizzare il volume del serbatoio per ridurre peso e costi, mantenendo al contempo le prestazioni in un’ampia gamma di climi.
Inoltre, i risultati supportano lo sviluppo di algoritmi di controllo più intelligenti, in grado di adattarsi in tempo reale a condizioni mutevoli. Piuttosto che affidarsi a setpoint fissi, i futuri sistemi potrebbero utilizzare dati provenienti da sensori — come temperatura ambiente, velocità del veicolo e flusso d’aria interno — per prevedere i requisiti ottimali di carica e regolare i parametri di controllo di conseguenza. Modelli di machine learning addestrati su dataset come quelli generati in questo studio potrebbero abilitare una gestione termica predittiva, migliorando ulteriormente l’efficienza energetica e il comfort del passeggero.
Dal punto di vista della sostenibilità, l’avanzamento dei sistemi basati su CO₂ si allinea con gli sforzi globali per ridurre le emissioni di gas serra. Con un GWP di appena 1 — confrontato con migliaia per alcuni refrigeranti sintetici — il CO₂ rappresenta una soluzione a impatto quasi nullo. Inoltre, la sua origine naturale e la non infiammabilità lo rendono più sicuro e sostenibile rispetto a molte alternative in fase di valutazione.
Tuttavia, l’adozione diffusa affronta ancora ostacoli. I sistemi a CO₂ operano a pressioni molto più elevate rispetto ai refrigeranti convenzionali, richiedendo materiali più resistenti e tecnologie di tenuta più robuste. I costi di produzione rimangono elevati e l’infrastruttura di servizio è ancora limitata. Tuttavia, come dimostra questa ricerca, le sfide tecniche vengono affrontate sistematicamente attraverso modellazione rigorosa e sperimentazione.
Lo studio sottolinea anche l’importanza della collaborazione interdisciplinare nello sviluppo della tecnologia automobilistica. Il team ha riunito competenze in ingegneria frigorifera, termodinamica e modellazione di sistemi — campi che devono convergere per risolvere le complesse sfide della mobilità moderna. Il loro lavoro esemplifica il tipo di ricerca rigorosa e basata su evidenze necessaria per guidare l’innovazione nel settore automobilistico.
In conclusione, la ricerca condotta da Wang Congfei, Jia Fan, Yin Xiang e Cao Feng rappresenta un contributo significativo nel campo della gestione termica dei veicoli elettrici. Quantificando l’impatto di variabili ambientali e operative sui requisiti di carica del refrigerante e identificando strategie per mitigare l’instabilità in condizioni non ottimali, il loro lavoro fornisce una base solida per la prossima generazione di veicoli elettrici ad alta efficienza e resilienza climatica. Mentre l’industria automobilistica prosegue la sua transizione verso l’elettrificazione, studi come questo svolgeranno un ruolo cruciale nel garantire che comfort, efficienza e sostenibilità procedano di pari passo.
Wang Congfei, Jia Fan, Yin Xiang, Cao Feng. Università Jiaotong di Xi’an e Chinese Association of Refrigeration. Pubblicato su International Journal of Refrigeration. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4339.2024.04.059