Introduzione
I veicoli elettrici e ibridi hanno necessità di raffreddamento del motore elettrico e di gestione della temperatura dell’abitacolo diverse rispetto ai veicoli a combustione interna. Il condizionamento deve fornire un ambiente di viaggio confortevole per guidatore e passeggeri e assicurare che l’intero veicolo funzioni correttamente ed efficientemente. La gestione del calore del motore e il sistema di condizionamento abitacolo dei veicoli elettrici sono più evoluti e complessi rispetto a quelli tradizionali.
Abitacolo
Se parliamo di condizionamento abitacolo, la refrigerazione è ottenuta tramite un compressore elettrico indipendente dal motore di trazione, il riscaldamento è ottenuto utilizzando PTC (Positive Temperature Coefficient) ceramici ad aria e ad acqua. I sistemi di riscaldamento PTC riscaldano direttamente l’aria proveniente dall’esterno prima di convogliarla all’interno dell’abitacolo. Il costo è relativamente basso, ma, essendo il riscaldatore normalmente posizionato dentro l’abitacolo, il suo uso potrebbe portare con se problemi di sicurezza. La temperatura del riscaldatore è elevata e, scaldando la plastica dei convogliatori, può emanare cattivi odori. I riscaldatori a liquido fanno uso di un riscaldatore elettrico ad alta tensione posto esternamente all’abitacolo e di un circuito di circolazione idraulico. Il componente PTC scalda il liquido di scambio termico che, tramite scambiatore, scalda l’aria proveniente dall’esterno. In questo modo si hanno meno pericoli e nessun cattivo odore, però il sistema si complica notevolmente (pompa, scambiatore, riscaldatore, tubazioni e altro) e quindi il costo è elevato.
Il motore
Nel motore elettrico, sia nella fase di trazione che in quella di recupero di energia in frenata, il nucleo dello statore e i suoi avvolgimenti subiscono perdite di energia sotto forma di calore che si irradia dal core verso l'esterno del motore. Al fine di garantire un funzionamento affidabile e duraturo del motore, è necessario un buon sistema di ventilazione e raffreddamento. La quantità di calore generata dai motori elettrici, e quindi da rimuovere, dipende dal tipo di uso che se ne fa (dal ciclo di funzionamento). I circuiti di controllo e di potenza elettronici adattano i flussi d’aria o di fluido di raffreddamento alle varie condizioni.
Un sistema di dissipazione del calore ad aria è di norma costituito da una ventola coassiale che garantisca una circolazione d’aria, sia all’interno che all’esterno del motore, sufficiente a mantenere un buon equilibrio termico sotto i 30°. L’aria viene indirizzata direttamente al motore e alle sue alette superficiali con un sistema relativamente semplice e costo basso. Per contro, l’efficienza e l’affidabilità di un sistema a ventilazione sono molto dipendenti dalle condizioni ambientali e climatiche. L’uso della sola aria per la maggioranza delle applicazioni industriali è efficace, non lo è per i veicoli a causa delle condizioni di lavoro nelle quali il motore si ritrova a operare e del fatto che la compattezza richiesta è tale da non consentire l’estensione superficiale necessaria a un buon raffreddamento a sola ventilazione forzata.
Un sistema di raffreddamento a liquido introduce il liquido nello statore o nel cavo del rotore attraverso tubi e passaggi. Il design del motore deve essere studiato per ottimizzare i passaggi del liquido. Le valvole di intercettazione del refrigerante/liquido di raffreddamento sono controllate elettricamente e possono aprire/chiudere parti del circuito a seconda delle necessità o collegare tra loro più circuiti. Il liquido scorre continuamente sottraendo calore al rotore e allo statore. Lo scambio termico con l’ambiente avviene tramite un radiatore sul quale è integrata un ventola controllata elettronicamente che ne migliora l’efficienza. Sebbene il costo di un impianto di raffreddamento a liquido sia leggermente superiore a quello del raffreddamento ad aria, la sua efficacia è superiore, agisce più uniformemente, ha migliore affidabilità e minore rumorosità. Inoltre la sua efficacia è meno dipendente dagli agenti atmosferici e le condizioni ambientali. Per contro, il sistema è più complicato e necessita maggiore manutenzione.
Negli impianti più evoluti, per rendere più compatti i sistemi di raffreddamento, è utilizzata la canalizzazione a due tubi coassiali. Uno scambiatore di calore siffatto ha due sezioni: un evaporatore (estremità calda) e un condensatore (estremità fredda). Il processo di trasferimento del calore inizia con il calore fornito all'estremità dell'evaporatore. Lo stoppino del tubo di calore è realizzato in materiale poroso riempito con il liquido di lavoro. Questo liquido viene vaporizzato a causa del calore in ingresso. Il vapore viene quindi spinto verso il condensatore attraverso la camera del vapore e si condensa nuovamente sottraendo calore. Infine, il liquido dall'estremità del condensatore ritorna all'evaporatore attraverso lo stoppino grazie alla capillarità. Alette all'esterno dei tubi e una ventola possono migliorare la velocità di dissipazione del calore. Gli attuatori (ventilatori centrifughi, ventola del radiatore e pompa del liquido di raffreddamento) consentono di regolare la temperatura di funzionamento del motore regolando le portate dell'aria e del liquido di raffreddamento. Il trasferimento di calore può avvenire con un flusso equicorrente o controcorrente, a seconda che il fluido nella camicia (intercapedine tra i due tubi coassiali) e quello nel tubo più interno scorrano nello stesso verso o in verso opposto.
