L’elettrificazione delle auto, ovvero l’assenza di una importante fonte di calore come il motore endotermico (che sappiamo dissipa in calore la gran parte – oltre il 60% – dell’energia contenuta nella miscela combustibile che flussa nelle camere di combustione ), ha obbligato a sviluppare in modo adeguato molti dei servizi che questo calore lo utilizzavano. Un parziale recupero di quel 60% che contribuiva a migliorare il comfort, ad esempio, controllando la temperatura invernale nell’abitacolo. Per funzionare, i sistemi di condizionamento dei moderni veicoli elettrici devono utilizzare energia prelevata dalle batterie. Per questo è facile immaginare che debbano rispettare elevati standard di efficienza, per impattare il meno possibile sull’autonomia e sulle prestazioni.
I sistemisti come BorgWarner sono quindi stati incentivati a studiare soluzioni altamente efficienti e innovative creando dei riscaldatori elettrici alimentati ad alta tensione (HVCH – High Voltage Coolant Heater). Definiti ‘sistemi intelligenti per il controllo della temperatura’, tendono a utilizzare poca energia per fornire al fluido vettore un’adeguata quantità di calore per mantenere una temperatura gradevole nell’abitacolo, qualunque sia la temperatura esterna.
IL FUTURO E’ (PER ORA) NEL LITIO
Nonostante si parli di tecnologie maggiormente efficienti in termiti di densità di energia, oggi e nel prossimo futuro i veicoli elettrici utilizzeranno batterie agli ioni di litio con elettrolita liquido. In tutto il mondo è infatti in atto una corsa ad aumentare quanto possibile le loro performance. Gli obiettivi più importanti perseguiti dai ricercatori sono il miglioramento della durata (espressa in cicli di carica e scarica), la sicurezza in esercizio e la possibilità di riciclaggio, sia nella cosiddetta ‘seconda vita’ sia nel recupero dei materiali pregiati quando esauste. Tutto, ovviamente, con un occhio di riguardo ai costi, che le Case richiedono essere sempre più bassi per rendere i loro veicoli elettrici di elevate prestazioni accessibili a una più larga fetta di pubblico.
IL SEGRETO E’ NEL CONTROLLO
Per funzionare come accumulatore (ESS – Energy Storage System) le celle agli ioni di litio sono assemblati come moduli interconnessi che formano pacchi batteria di capacità adeguata alle richieste. Nelle fasi di accelerazione e in quelle di decelerazione, oltre che nell’utilizzo dei servizi, la batteria è sottoposta a forti variazioni termiche, dovute alla reazione chimica che viene innescata. Questo fenomeno genera calore che deve essere gestito da un sistema di controllo (BMS – Battery Management System) che si deve occupare anche della carica e della scarica, del monitoraggio della tensione delle singole celle e del corretto bilanciamento delle stesse, oltre ad occuparsi della sicurezza e della diagnosi di eventuali anomalie.
Per mantenere sotto controllo la temperatura delle batterie la parte hardware del BMS è costituito sostanzialmente da un circuito idraulico in cui sono inseriti un vaso d’espansione, una pompa e uno scambiatore. BorgWarner ha sviluppato questi sistemi per il condizionamento delle batterie e dell’abitacolo, il più avanzato dei quali è l’HVCH.
COME FUNZIONA
In un’auto elettrica, in cui non c’è il forte apporto di energia termica da parte del motore a scoppio, l’HVCH di BorgWarner fornisce l’energia termica necessaria al condizionamento dell’abitacolo e dei sistemi in un range di potenza che va dai 3 kW ai 10 kW. Una tecnologia innovativa che consente anche di aumentare la vita della batteria e l’autonomia del veicolo. Oltre a questo la distribuzione della temperatura tra le celle e il pacco batterie resta omogeneo grazie alla bassa inerzia termica che favorisce tempi di reazione molto rapidi sia in fase di riscaldamento che di raffreddamento.
La tecnologia utilizzata nell’HVCH è basata sui TFE (Thick Film Heating Elements), costituiti da un substrato di acciaio inox sul quale sono depositati i layer dielettrici e le resistenze (Fig.1). Disponibile in versione ‘singleplate’ o doubleplate’, entrambi ad alta densità di potenza, il componente prevede anche la possibilità di misurare la temperatura della piastra calda tramite un sensore integrato. I TFE sono alloggiati in un case di alluminio pressofuso resistente agli urti, alle vibrazioni, agli urti e in generale agli stress meccanici, oltre a fungere anche da schermatura elettromagnetica. Il software BorgWarner è in grado di gestire la sicurezza dell’impianto da rischi di surriscaldamento. Progettato per soddisfare i più evoluti standard di sicurezza per questo tipo di impianti, il sistema è in grado di auto spegnersi appena venga rilevata una anomalia.
DUE VERSIONI
L’HVCH è disponibile in due versioni: quella a piastra singola (single plate – Fig.2) può gestire in alternativa il condizionamento dell’abitacolo oppure del pacco batterie; la versione, a doppia piastra (double plate – Fig.3) può invece gestire entrambe le funzioni. La prima è ideale per i veicoli ibridi plug-in che potendo utilizzare il calore generato dal motore endotermico per l’abitacolo richiedono il solo riscaldamento elettrico del pacco batteria. Il secondo, con le sue due ‘piastre calde’ offre l’80% in più di calore a disposizione ed è dedicato alle BEV. La dispersione è ridotta al minimo poichè le piastre calde sono direttamente lambite dal liquido vettore: questo aumenta il rendimento della versione ‘dual plate’ rispetto alla ‘single plate’.
In pratica una versione da 5 kW alimentato con tensione da 220 a 470V e un’efficienza superiore al 97% pesa solo 1,85 kg ed è contenuto in dimensioni di 207x151x80 mm. Una versione allungata (peso tra i 2,0 e i 2,5 kg, dimensioni 288x151x80 mm) con 9 kW generati con una tensione di input di 270-500V può arrivare a un’efficienza del 98%. BorgWarne mette a disposizione dei costruttori OEM di auto ibride ed elettriche questa sua tecnologia e sta già lavorando per portare la tensione di alimentazione degli HVCH verso gli 800V, che sta diventando lo standard degli impianti ad alte prestazioni.
Tratto da una nota tecnica del Dipl. Ing. Timo Stifel, Engineering Manager for High Voltage Coolant Heaters, BorgWarner Emissions, Thermal & Turbo Systems
