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  • Immagine del redattoreMarco Bonifaccino

Thermo Management nei Veicoli Elettrici ed Ibridi

Aggiornamento: 15 giu 2022

Le seguenti informazioni forniscono una panoramica delle rispettive tecnologie elettriche ed ibride. Dalle nozioni di base e proprietà di sistema, alle soluzioni per il Thermo Management e alle particolarità in materia di manutenzione, riparazione e traino. Troverete anche informazioni importanti sulle qualifiche richieste per il lavoro in questione.


Avviso importante per la sicurezza

Le informazioni tecniche e i suggerimenti pratici riportati di seguito sono stati redatti da AC diagnosis su fonte HELLA TECH WORLD per offrire un'assistenza professionale alle officine. Le informazioni contenute in questo sito web devono essere utilizzate esclusivamente da personale tecnico specializzato.

 

QUANTO SONO IMPORTANTI LE TECNOLOGIE ELETTRICHE ED IBRIDE PER L'OFFICINA?

Più di 2 milioni di auto elettriche ed ibride plug-in sono stati venduti per la prima volta in tutto il mondo nel 2018.

Con 2,1 milioni di veicoli venduti, la loro quota di mercato è salita al 2,4% di tutte le nuove immatricolazioni e la tendenza è in aumento

(Center of Automotive Management).

In Norvegia, ad esempio, la quota di mercato è già al 50%!


Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), la crescita della mobilità elettrica ed ibrida è guidata principalmente da programmi governativi come i bonus di vendita, i divieti locali di circolazione per le auto con motori a combustione interna o gli obiettivi per l'aria pulita. L'autorità ritiene che i veicoli elettrici siano una delle numerose tecnologie di propulsione attuali che possono essere utilizzate per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità a lungo termine di riduzione delle emissioni. Secondo uno studio della società di consulenza gestionale PricewaterhouseCoopers,

un'auto nuova su tre immatricolata in Europa nel 2030 potrebbe essere un'auto elettrica.

Non si tratta quindi più di stabilire se i veicoli con tecnologie elettriche, ibride o a idrogeno prevarranno davvero. Diventeranno presto parte della vita quotidiana nelle nostre strade.


Anche questi veicoli dovranno essere sottoposti a manutenzione e riparazione e il tema del Thermo Management diventerà sempre più complesso.

Il controllo della temperatura della batteria e dell'elettronica di potenza svolge un ruolo importante quanto il riscaldamento e il raffreddamento dell'abitacolo del veicolo.

Anche per questi tipi di azionamenti sono necessari componenti per il condizionamento dell'aria e la loro importanza sta addirittura aumentando, poiché l'impianto di climatizzazione ha spesso un'influenza diretta o indiretta sul raffreddamento delle batterie e dell'elettronica. La manutenzione del climatizzatore avrà quindi un ruolo ancora più importante in futuro.



PANORAMICA DELLE TECNOLOGIE IBRIDE: CONFRONTO

Il termine "ibrido", in quanto tale, significa miscela o combinazione. In ingegneria automobilistica, significa che il motore a combustione interna di un veicolo con tecnologia di propulsione convenzionale è stato combinato con gli elementi di un veicolo elettrico.

La tecnologia ibrida sta diventando sempre più sofisticata in tre fasi: dalla tecnologia micro, alla tecnologia mild fino alla tecnologia full hybrid. Nonostante le differenze tecniche, tutte le tecnologie hanno in comune il fatto che la batteria utilizzata viene caricata recuperando l'energia di frenata.


MICRO HYBRID

solitamente sono dotati di un motore a combustione interna convenzionale con sistema Start-Stop automatico e recupero dell'energia in frenata (il cosiddetto sistema di recupero dell'energia).

MILD HYBRID

invece dispongono anche di un piccolo motore elettrico e di una batteria più potente. La trazione elettrica ausiliaria viene utilizzata esclusivamente come supporto all'avviamento e per una maggiore erogazione di potenza in fase di sorpasso, il cosiddetto "Boost".

FULL HYBRID

non solo dispongono della funzione "boost", ma possono viaggiare come veicoli elettrici puri. A tale scopo sono dotati di un gruppo propulsore elettrico completo. Tuttavia, questo richiede una batteria molto più potente di un ibrido leggero.

PLUG-IN HYBRID

offrono la possibilità di ricaricare gli accumulatori, ad esempio di notte, L'effetto collaterale positivo di questo tipo di veicolo è che l'abitacolo può essere contestualmente portato alla temperatura desiderata già prima della partenza. Ciò significa che il veicolo è immediatamente pronto all'uso la mattina seguente. Il Plug-in Hybrid rappresenta una sottospecie di Full Hybrid.



SISTEMI AD ALTA TENSIONE NEI VEICOLI ELETTRICI: FUNZIONAMENTO

Per definizione, un veicolo elettrico è un veicolo azionato da un motore elettrico. L'energia elettrica necessaria per il suo movimento è ottenuta da una batteria di trazione (accumulatore), cioè non da una cella a combustibile o da un estensore di autonomia (range extender). Poiché l'auto elettrica stessa non emette sostanze inquinanti durante il funzionamento, è classificata come veicolo senza emissioni.


Nei veicoli elettrici, le ruote sono azionate da motori elettrici. L'energia elettrica è immagazzinata in accumulatori sotto forma di una o più batterie di trazione o di alimentazione. I motori elettrici a controllo elettronico sono in grado di erogare la coppia massima anche a treno fermo. A differenza dei motori a combustione interna, di solito non richiedono un cambio manuale e possono accelerare fortemente già a basse velocità. I motori elettrici sono più silenziosi dei motori a benzina o diesel, quasi privi di vibrazioni e non emettono gas di scarico nocivi. La loro efficienza di oltre il 90% è molto elevata.


Il risparmio di peso dovuto all'eliminazione dei vari componenti (motore, cambio, serbatoio) del motore a combustione interna è compensato dal peso relativamente elevato degli accumulatori. I veicoli elettrici sono quindi generalmente più pesanti dei corrispondenti veicoli con motore a combustione interna. La capacità della/e batteria/e ha un'elevata influenza sul peso del veicolo e sul prezzo.


In passato, i veicoli elettrici avevano un corto raggio d'azione con una sola carica della batteria. Recentemente, tuttavia, il numero di auto elettriche che possono raggiungere distanze di diverse centinaia di chilometri sta aumentando, ad esempio: Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.

Al fine di aumentare ulteriormente la gamma dei veicoli elettrici, a volte vengono utilizzati dispositivi aggiuntivi (di solito sotto forma di motore a combustione interna) per generare elettricità. Si parla di "estensore di autonomia" o "range extender"



ARIA CONDIZIONATA E RAFFREDDAMENTO DEI VEICOLI ELETTRICI

Per far sì che un veicolo elettrico possa avere un rendimento elevato, è necessario mantenere la temperatura del motore elettrico, dell'elettronica di potenza e della batteria entro un intervallo termico ottimale.

A tal fine occorre dotarsi di un sofisticato sistema di Thermo Management:


- Impianto frigorifero (o raffreddamento diretto della batteria)

VEICOLO ELETTRICO - Circuito frigorifero

Il circuito dell'impianto frigorifero è costituito dai componenti principali: condensatore, evaporatore e unità batteria (celle batteria, piastra di raffreddamento e riscaldatore elettrico ausiliario). Viene alimentato dal circuito frigorifero dell'impianto di climatizzazione e controllato separatamente tramite valvole e sensori di temperatura. La descrizione del funzionamento dei singoli componenti è riportata nella spiegazione del sistema di raffreddamento e refrigerazione (b).


- Coolant and refrigerant-based circuit (or indirect battery cooling)

Più potenti sono le batterie, più è necessario che il circuito di raffreddamento e refrigerazione sia complesso.

VEICOLO ELETTRICO - Circuito di raffreddamento e refrigerazione

L'intero sistema di raffreddamento è suddiviso in diversi circuiti, ciascuno con il proprio radiatore (radiatore a bassa temperatura), pompa del refrigerante, termostato e valvola di intercettazione del liquido di raffreddamento. Il circuito frigorifero dell'impianto di climatizzazione è integrato anche attraverso uno speciale scambiatore di calore (chiller). Un riscaldatore del liquido di raffreddamento ad alta tensione garantisce un sufficiente controllo della temperatura della batteria a basse temperature esterne.


Con l'ausilio di un radiatore a bassa temperatura è possibile mantenere la temperatura del liquido di raffreddamento del motore elettrico e dell'elettronica di potenza al di sotto dei 60 °C all'interno di un circuito separato (circuito interno del grafico). Per garantire il rendimento più elevato e la massima vita utile della batteria, è necessario che la temperatura del relativo liquido di raffreddamento sia compresa tra 15 e 30 °C circa. Se le temperature sono troppo basse, il liquido di raffreddamento viene riscaldato da un riscaldatore ausiliario ad alta tensione. Quando invece le temperature sono troppo alte, il liquido viene raffreddato mediante un radiatore a bassa temperatura. Se ciò non risulta sufficiente (ad esempio in caso di temperature esterne torride), il liquido di raffreddamento viene ulteriormente raffreddato mediante un refrigeratore integrato sia nel circuito del liquido di raffreddamento sia in quello del refrigerante. Il refrigerante dell'impianto di climatizzazione che attraversa il chiller raffredda ulteriormente il liquido di raffreddamento circolante anch'esso attraverso il refrigeratore. L'intero ciclo di regolazione della temperatura avviene mediante l'ausilio di singoli termostati, sensori, pompe e valvole.



CLIMATIZZAZIONE DELL'ABITACOLO: INFORMAZIONI DI BASE

Nei sistemi a trazione convenzionali con motore a combustione interna, la climatizzazione dell'abitacolo dipende direttamente dal funzionamento del motore, a causa dell'azionamento meccanico del compressore. Anche sui veicoli definiti dagli esperti Micro Hybrid e che dispongono solo della funzione Start-Stop, vengono montati compressori con trasmissione a cinghia. Da questo deriva il seguente problema: in caso di arresto del veicolo e spegnimento del motore, la temperatura all'uscita dell'evaporatore del climatizzatore aumenta già dopo 2 secondi. Il conseguente lento aumento della temperatura di uscita della ventilazione e l'aumento dell'umidità dell'aria vengono percepiti con fastidio dai passeggeri.


Per ovviare a questo problema, possono essere utilizzati accumulatori di freddo di nuova concezione, i cosiddetti evaporatori ad accumulo.


L'evaporatore ad accumulo è costituito da due blocchi: un blocco evaporatore e un blocco accumulatore. Entrambi i blocchi verranno alimentati con refrigerante nella fase di avvio o a motore acceso. Nel frattempo, un componente latente all'interno dell'evaporatore viene raffreddato fino al congelamento. Questo lo trasforma quindi in un accumulatore di freddo.


Nella fase di arresto, il motore viene spento e quindi il compressore non viene azionato. L'aria calda che passa davanti all'evaporatore si raffredda e avviene uno scambio termico. Questo scambio continua finché il componente non si è completamente sciolto. Alla ripresa della marcia, il processo ricomincia da capo, al punto che già dopo un minuto l'evaporatore ad accumulo è nuovamente in grado di raffreddare l'aria.


Nei veicoli senza evaporatore di stoccaggio, è necessario riavviare il motore dopo un breve periodo di inattività se la temperatura è molto elevata. Solo in questo modo è possibile mantenere costante il raffreddamento dell'abitacolo.


L'aria condizionata interna del veicolo include anche il riscaldamento dell'abitacolo, se necessario. Nei veicoli completamente ibridi, il motore a combustione interna viene spento durante la fase di guida elettrica. Il calore residuo presente nel circuito dell'acqua è sufficiente per riscaldare l'abitacolo solo per breve tempo. Come supporto, i riscaldatori dell'aria ad alta tensione vengono poi attivati per assumere la funzione di riscaldamento. Il funzionamento è simile a quello di un asciugacapelli: l'aria aspirata dalla ventola dell'abitacolo viene riscaldata passando davanti agli elementi riscaldanti per poi fluire nell'abitacolo.



GESTIONE DELLA TEMPERATURA DELLA BATTERIA: CONFRONTO

La batteria è essenziale per il funzionamento di un veicolo elettrico ed ibrido. Questo deve fornire la quantità di energia necessaria per l'azionamento in modo rapido ed affidabile. La maggior parte di queste sono batterie ad alta tensione ibride agli ioni di litio e al nichel-metallo. In questo modo vengono ulteriormente ridotti il peso e le dimensioni delle batterie per i veicoli ibridi.


È indispensabile che le batterie utilizzate siano azionate con un determinato intervallo di temperatura.

La vita utile si riduce a partire da una temperatura di funzionamento di +40°C, mentre rendimento e potenza diminuiscono al di sotto dei -10°C.

Inoltre la differenza di temperatura tra le singole celle non deve superare un determinato valore.


I picchi di carico a breve termine in connessione con correnti elevate, come il recupero e l'aumento della tensione, portano ad un riscaldamento non trascurabile delle celle. Inoltre le elevate temperature esterne nei mesi estivi contribuiscono al rapido raggiungimento della temperatura critica di 40°C.


Il superamento della temperatura ha come conseguenza un invecchiamento più rapido e quindi il corrispondente guasto anticipato della batteria. I costruttori di veicoli puntano ad una durata della batteria pari a quella del veicolo (circa 8-10 anni). Quindi il processo di invecchiamento può essere contrastato solo gestendo in modo ottimale la temperatura.


Finora sono state utilizzate tre diverse opzioni di gestione della temperatura.


- Possibilità 1

L'aria viene aspirata dall'abitacolo climatizzato del veicolo e utilizzata per raffreddare la batteria. La temperatura dell'aria fredda aspirata dall'abitacolo del veicolo è inferiore a 40°C. Quest'aria viene utilizzata per fluire intorno alle superfici liberamente accessibili del pacco batteria.


Gli svantaggi di questa possibilità sono:

  • La scarsa efficacia di raffreddamento.

  • L'aria aspirata dall'abitacolo non può essere utilizzata per una riduzione uniforme della temperatura.

  • Il notevole costo per il convogliatore dell'aria.

  • Possibili rumori fastidiosi nell'abitacolo causati dalla ventola.

  • I condotti dell'aria forniscono un collegamento diretto tra l'abitacolo e la batteria. Per motivi di sicurezza (ad es. rilascio di gas dalla batteria) questa situazione è classificata come problematica.

  • Da non sottovalutare è il pericolo di penetrazione di sporcizia nel pacco batterie, in quanto l'aria dell'abitacolo contiene anche della polvere. La polvere si deposita tra le celle e forma, insieme alla condensa dell'umidità dell'aria, uno strato conduttore. Questo strato favorisce la formazione di correnti di dispersione superficiale nella batteria.

Per evitare questo pericolo, l'aria aspirata viene filtrata. In alternativa il raffreddamento dell'aria può essere effettuato anche da un piccolo climatizzatore separato, simile ai climatizzatori separati per la zona posteriore dei veicoli delle classi superiori.


- Possibilità 2

Una speciale piastra evaporatore racchiusa nella cella della batteria è collegata all'impianto di climatizzazione del veicolo. Questo avviene con uno schema in derivazione sui lati di alta e di bassa pressione mediante apposite tubazioni e una valvola di espansione. In questo modo l'evaporatore dell'abitacolo e la piastra evaporatrice della batteria, che funziona come un evaporatore convenzionale, sono collegati ad un solo circuito.


I diversi compiti dei due evaporatori comportano requisiti diversi per il flusso del refrigerante. Mentre il raffreddamento dell'abitacolo deve soddisfare le richieste di comfort dei passeggeri, la batteria ad alta tensione deve essere raffreddata con maggiore o minore intensità a seconda delle condizioni di marcia e della temperatura esterna.


Questi requisiti si traducono nel complesso controllo della quantità di refrigerante evaporato. Il particolare design della piastra evaporatore e la conseguente integrazione nella batteria offre un'ampia superficie di contatto per lo scambio termico. In questo modo è possibile garantire che la temperatura critica massima di 40°C non venga superata.


A temperature esterne molto basse, sarebbe necessario un aumento della temperatura fino alla temperatura ideale della batteria di almeno 15° C. Tuttavia, in questa situazione, la piastra evaporatrice non può essere d'aiuto. Una batteria fredda è meno efficiente di una completamente in temperatura e con temperature ben al di sotto del punto di congelamento non è più possibile caricarla. Nei Mild Hybrid questo può essere tollerato: nei casi estremi la funzione ibrida è disponibile solo in modalità limitata. La guida con il motore a combustione interna è comunque possibile. Sui veicoli puramente elettrici, invece, si deve prevedere un riscaldamento della batteria, per poter effettuare l'avviamento e viaggiare in inverno, in qualsiasi situazione.


Nota

Le piastre evaporatrici, che sono integrate direttamente nella batteria, non possono essere sostituite singolarmente Quindi, in caso di danno, si deve sostituire sempre l'intera batteria.


- Possibilità 3

Nelle batterie con maggiore capacità, è particolarmente importante garantire una corretta regolazione della temperatura. Per questo, in caso di temperature molto basse, è necessario un riscaldamento supplementare della batteria, per mantenerla nel campo di temperatura ideale. Solo in questo campo è possibile raggiungere un'autonomia soddisfacente nella modalità "Propulsione elettrica".


Per effettuare questo riscaldamento supplementare, la batteria è integrata in un circuito secondario. Questo circuito garantisce il mantenimento costante della temperatura di funzionamento ideale, tra 15° e 30°C.


Una piastra di raffreddamento montata nel blocco batterie viene attraversata dal liquido di raffreddamento composto da acqua e glicole (circuito verde). Alle basse temperature, il liquido di raffreddamento può essere rapidamente scaldato con un riscaldatore, per raggiungere la temperatura ideale. Al contrario, se durante l'uso della funzione ibrida la temperatura nella batteria aumenta, il riscaldatore viene disinserito. Il liquido di raffreddamento può essere poi raffreddato dalla ventilazione dinamica nel radiatore batteria nella parte frontale del veicolo o nel radiatore a bassa temperatura.


Se il raffreddamento da parte del radiatore della batteria non è sufficiente in presenza di temperature esterne elevate, il liquido di raffreddamento passa attraverso uno speciale scambiatore di calore. Il refrigerante dell'impianto di climatizzazione del veicolo viene fatto evaporare in questo modo. Inoltre, il calore può essere trasferito in modo molto compatto e ad alta densità di potenza dal circuito secondario al refrigerante in evaporazione. Viene effettuato un ulteriore raffreddamento di ritorno del liquido di raffreddamento. Utilizzando lo speciale scambiatore di calore, la batteria può essere azionata in una finestra di temperatura con efficienza ottimale.



REGOLA DI BASE PER I LAVORI SUI VEICOLI ELETTRICI ED IBRIDI: CONSIGLI PRATICI

I componenti ad alta tensione sono sempre presenti su veicoli elettrici ed ibridi e sono contrassegnati con targhette di avvertenza univoche. Inoltre, tutti i cavi ad alta tensione di tutti i costruttori sono realizzati con un colore arancione brillante.


La seguente procedura si applica quando si lavora su veicoli con impianti ad alta tensione:

  1. Togliere tensione

  2. Impedirne il reinserimento

  3. Accertare la mancanza di tensione


A cosa devo prestare attenzione in qualità di operatore?

  • Avviare e spostare il veicolo: Per poter guidare un veicolo con un impianto ad alta tensione - anche se solo da o verso l'officina - la persona interessata deve essere istruita

  • Servizio e manutenzione: I lavori di assistenza e manutenzione (cambio ruote, lavori di ispezione) su veicoli ad alta tensione possono essere eseguiti solo da persone che sono state precedentemente informate dei pericoli di questi impianti ad alta tensione e istruite di conseguenza da uno "specialista per i lavori su veicoli ad alta tensione a sicurezza intrinseca"

  • Sostituzione di componenti ad alta tensione: Le persone che sostituiscono componenti ad alta tensione, come ad esempio un compressore per il condizionamento dell'aria, devono essere in possesso di qualifiche adeguate (esperti per i lavori su veicoli ad alta tensione a sicurezza intrinseca)

  • Sostituzione della batteria: La riparazione o la sostituzione di componenti sotto tensione (batterie) richiede una qualifica speciale.

  • Assistenza stradale/rimorchio/recupero: Chiunque fornisca assistenza in caso di guasto su veicoli con impianti ad alta tensione o che li traini o li recuperi deve aver ricevuto istruzioni sulla struttura e sul funzionamento dei veicoli e dei loro impianti ad alta tensione. Inoltre, le rispettive istruzioni del costruttore del veicolo devono essere prese in considerazione in anticipo. Se i componenti ad alta tensione (batteria) sono danneggiati, consultare i vigili del fuoco



Come si riconosce se il veicolo è dotato di un impianto ad alta tensione?

  • Sulle scritte sul cruscotto o sul veicolo

  • Sui cavi di colore arancione per alta tensione (vedi figura). Come regola generale vige il divieto di contatto con le mani dei componenti ad alta tensione e dei cavi arancioni

  • Sui contrassegni dei componenti AT (vedi figura)












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