1. Requisiti di gestione termica dei veicoli elettriciHVCH)
L'abitacolo è lo spazio ambientale in cui il conducente vive mentre il veicolo è in funzione. Per garantire un ambiente di guida confortevole, la gestione termica dell'abitacolo deve controllare la temperatura, l'umidità e la temperatura dell'aria immessa nell'ambiente interno del veicolo. I requisiti di gestione termica dell'abitacolo in diverse condizioni sono riportati nella Tabella 1.
Il controllo della temperatura delle batterie è un prerequisito fondamentale per garantire il funzionamento efficiente e sicuro dei veicoli elettrici. Temperature troppo elevate possono causare perdite di liquido e autocombustione, compromettendo la sicurezza di guida; temperature troppo basse, invece, riducono significativamente la capacità di carica e scarica della batteria. Grazie all'elevata densità energetica e al peso ridotto, le batterie al litio sono diventate le batterie più diffuse per i veicoli elettrici. La Tabella 2 riporta i requisiti di controllo della temperatura delle batterie al litio e il carico termico della batteria in diverse condizioni, stimati in base alla letteratura. Con il progressivo aumento della densità energetica delle batterie, l'ampliamento dell'intervallo di temperatura di funzionamento e l'incremento della velocità di ricarica rapida, l'importanza del controllo della temperatura delle batterie nel sistema di gestione termica è diventata ancora più rilevante, non solo per soddisfare le diverse condizioni stradali e le diverse modalità di carica e scarica. Il carico di controllo della temperatura varia in base alle condizioni di lavoro del veicolo, l'uniformità del campo di temperatura tra i pacchi batteria e la prevenzione e il controllo dell'instabilità termica devono inoltre soddisfare tutti i requisiti di controllo della temperatura in diverse condizioni ambientali, come zone con freddo intenso, caldo elevato e umidità elevata, e zone con estati calde e inverni freddi.
2. Il primo stadio di riscaldamento PTC
Nella fase iniziale dell'industrializzazione dei veicoli elettrici, la tecnologia di base si basa essenzialmente sulla sostituzione di batterie, motori e altri sistemi di alimentazione, con miglioramenti graduali. Il climatizzatore dei veicoli elettrici puri e quello dei veicoli a combustione interna realizzano entrambi la funzione di refrigerazione attraverso il ciclo di compressione del vapore. La differenza tra i due è che il compressore del climatizzatore dei veicoli a combustione interna è azionato indirettamente dal motore tramite una cinghia, mentre i veicoli elettrici puri utilizzano direttamente il compressore elettrico per azionare il ciclo di refrigerazione. Quando i veicoli a combustione interna vengono riscaldati in inverno, il calore di scarto del motore viene utilizzato direttamente per riscaldare l'abitacolo senza una fonte di calore aggiuntiva. Tuttavia, il calore di scarto del motore dei veicoli elettrici puri non è sufficiente a soddisfare le esigenze di riscaldamento invernale. Pertanto, il riscaldamento invernale è un problema che i veicoli elettrici puri devono risolvere. Il riscaldatore a coefficiente di temperatura positivo (coefficiente di temperatura positivo, PTC) è composto da un elemento riscaldante in ceramica PTC e un tubo di alluminio (Riscaldatore del liquido di raffreddamento PTC/Riscaldatore ad aria PTC), che presenta i vantaggi di una bassa resistenza termica e di un'elevata efficienza di trasferimento del calore, ed è utilizzato nella struttura di base dei veicoli a combustibile. Pertanto, i primi veicoli elettrici utilizzavano la refrigerazione a ciclo di compressione di vapore più il riscaldamento PTC per ottenere la gestione termica dell'abitacolo.
2.1 Applicazione della tecnologia della pompa di calore nella seconda fase
Nell'uso pratico, i veicoli elettrici presentano un elevato fabbisogno di energia per il riscaldamento in inverno. Dal punto di vista termodinamico, il COP (coefficiente di prestazione) del riscaldamento PTC (Packet Transfer Cell) è sempre inferiore a 1, il che comporta un elevato consumo energetico e un basso tasso di utilizzo dell'energia, limitando seriamente l'autonomia dei veicoli elettrici. La tecnologia a pompa di calore utilizza il ciclo di compressione del vapore per sfruttare il calore a bassa temperatura presente nell'ambiente e il COP teorico durante il riscaldamento è superiore a 1. Pertanto, l'utilizzo di un sistema a pompa di calore al posto del PTC può aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici in condizioni di riscaldamento. Con l'ulteriore miglioramento della capacità e della potenza delle batterie, anche il carico termico durante il loro funzionamento aumenta gradualmente. La tradizionale struttura di raffreddamento ad aria non è in grado di soddisfare i requisiti di controllo della temperatura della batteria. Pertanto, il raffreddamento a liquido è diventato il metodo principale per il controllo della temperatura della batteria. Inoltre, poiché la temperatura di comfort richiesta dal corpo umano è simile alla temperatura alla quale la batteria funziona normalmente, i requisiti di raffreddamento dell'abitacolo e della batteria possono essere soddisfatti collegando in parallelo degli scambiatori di calore nel sistema a pompa di calore dell'abitacolo. Il calore della batteria viene dissipato indirettamente dallo scambiatore di calore e dal sistema di raffreddamento secondario, migliorando così il grado di integrazione del sistema di gestione termica del veicolo elettrico. Tuttavia, nonostante il miglioramento del livello di integrazione, il sistema di gestione termica in questa fase si limita a integrare il raffreddamento della batteria e dell'abitacolo, senza sfruttare efficacemente il calore di scarto della batteria e del motore.
Data di pubblicazione: 4 aprile 2023
