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THERMO MANAGEMENT NEI VEICOLI ELETTRICI ED IBRIDI

Qui troverete nozioni di base utili e consigli pratici sul tema del Thermo Management nei veicoli elettrici ed ibridi.

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.

Importante avviso di sicurezza
Le informazioni tecniche e i suggerimenti pratici riportati di seguito sono stati redatti da HELLA per fornire un supporto professionale alle attività svolte in officina. I dati forniti su questo sito Web devono essere utilizzati esclusivamente da personale tecnico specializzato.

 

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

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.

Attualmente i tipici rappresentanti di veicoli Full Hybrid sono la Toyota Prius, la BMW ActiveHybrid X6 (E72) o la VW Touareg Hybrid. Al contrario, la BMW ActiveHybrid 7 e la Mercedes S400 (F04) sono esempi di un Mild Hybrid.

  Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid
Potenza del motore elettrico / alternatore 2 – 3 KW
(recupero della forza frenante con l'alternatore)
10 – 15 KW > 15 KW
Campo di tensione 12 V 42-150 V > 100 V
Risparmio di carburante raggiungibile rispetto ai veicoli con trazione convenzionale < 10 % < 20 % > 20 %
Funzioni che contribuiscono al risparmio di carburante – Funzione Start-Stop
– Sistema di recupero dell'energia
– Funzione Start-Stop
– Funzione Boost
– Sistema di recupero dell'energia
– Funzione Start-Stop
– Funzione Boost
– Sistema di recupero dell'energia
– Propulsione elettrica

 

Come si può vedere dalla panoramica, ciascuna delle tecnologie ha diverse funzioni che contribuiscono al risparmio di carburante. Queste quattro funzioni sono brevemente descritte di seguito.

Funzione Start-Stop

Se il veicolo si ferma, ad esempio a un semaforo o in colonna nel traffico, il motore a combustione interna si spegne. Se si aziona la frizione e si innesta la prima marcia, il motore a combustione interna si avvia automaticamente. Così è subito disponibile.

Sistema di recupero dell'energia

Il recupero è la tecnologia con cui viene recuperata parte dell'energia di frenata. Normalmente, questa energia andrebbe persa come energia termica in frenata. Con il sistema di recupero dell'energia, invece, l'alternatore del veicolo viene utilizzato come freno motore, in aggiunta ai normali freni che agiscono sulle ruote.

 

L'energia generata dall'alternatore durante la decelerazione viene immessa nell'accumulatore (batteria). Questo processo aumenta in particolare la coppia di trascinamento del motore e rallenta così il veicolo.

Funzione Boost

Durante la fase di accelerazione, le coppie disponibili del motore a combustione interna e del motore elettrico si sommano. Un veicolo ibrido può quindi accelerare più velocemente di un veicolo a propulsione convenzionale comparabile.

 

La funzione Boost viene utilizzata per supportare l'avviamento e per sviluppare maggiore potenza durante il sorpasso. Questa forza è generata da un'unità ausiliaria elettrica che la mette a disposizione esclusivamente per questi due scopi. Esempio: sulla VW Touareg Hybrid questo si traduce in un aumento della potenza di 34 KW.

Propulsione elettrica

Se è necessaria una potenza motrice minore, come ad es. nella circolazione urbana, per la propulsione viene utilizzato solo il motore elettrico. Il motore a combustione interno è spento. I vantaggi di questo tipo di trazione si vedono nel lungo periodo: nessun consumo di benzina e niente emissioni.

 

Con queste tecnologie all'interno del veicolo, ci sono anche condizioni modificate di cui si deve tener conto nel lavoro quotidiano.

Tensione elettrica nell'impianto elettrico del veicolo

La potenza che la trazione elettrica di un veicolo elettrico / ibrido richiede e che deve generare, non può essere trattata con tensioni di 12 o 24 Volt. In questo caso sono necessarie gamme di tensione sensibilmente più elevate. 

 

I veicoli con sistemi ad alta tensione sono veicoli che operano con tensioni da 30 volt a 1000 volt AC (corrente alternata) o da 60 volt a 1500 volt DC (corrente continua), unità di azionamento e ausiliarie. Ciò vale per la maggior parte dei veicoli elettrici ed ibridi

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"

VIDEO SULL'ARGOMENTO

Veicoli con sistemi ad alta tensione: avvertenze di sicurezza e componenti

Il video mostra i principali componenti di un veicolo elettrico e fornisce informazioni su come gestire gli impianti ad alta tensione

Aria condizionata e raffreddamento nei 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)

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).

Circuito di raffreddamento e refrigerazione (o raffreddamento indiretto della batteria)

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

Descrizione dei componenti

CHILLER

Il chiller è uno speciale scambiatore di calore collegato sia al circuito di raffreddamento sia a quello del refrigerante che permette di ridurre ulteriormente la temperatura del refrigerante nell'impianto di climatizzazione. Ciò consente un ulteriore raffreddamento indiretto del motore elettrico e dell'elettronica di potenza da parte dell'impianto di climatizzazione, se necessario.
A tale scopo, il liquido refrigerante di un circuito secondario passa attraverso le piastre di raffreddamento della batteria. Dopo l'assorbimento del calore, il liquido di raffreddamento viene raffreddato alla temperatura iniziale in un chiller. La riduzione di temperatura nel chiller avviene attraverso l'evaporazione di un altro refrigerante che circola in un circuito primario.

RADIATORE RAFFREDDAMENTO BATTERIA

Su ogni lato delle piastre poggia un segmento della batteria. I segmenti della batteria e le piastre di raffreddamento costituiscono un modulo unico. Con il raffreddamento diretto della batteria, il refrigerante proveniente dall'impianto di climatizzazione passa attraverso le piastre di raffreddamento. In caso di raffreddamento indiretto della batteria, il liquido refrigerante scorre attraverso le piastre di raffreddamento. Se la capacità di raffreddamento non è sufficiente per il raffreddamento indiretto della batteria, il liquido di raffreddamento può essere ulteriormente raffreddato tramite un chiller. Il chiller è uno speciale scambiatore di calore che viene utilizzato per il raffreddamento indiretto della batteria ed è integrato sia nel circuito del refrigerante sia in quello di raffreddamento.

COMPRESSORE ELETTRICO

Il compressore è azionato elettricamente ad alta tensione. Ciò consente di assicurare la climatizzazione del veicolo anche a motore spento. Inoltre, il refrigerante può essere raffreddato anche con l'ausilio dell'impianto di climatizzazione.

VALVOLA DI INTERCETTAZIONE REFRIGERANTE/LIQUIDO DI RAFFREDDAMENTO

Le valvole di intercettazione del refrigerante/liquido di raffreddamento sono parti del circuito refrigerante/di liquido controllate elettricamente e possono aprire/chiudere parti del circuito in questione a seconda delle necessità o collegare tra loro più circuiti.

RADIATORE A BASSA TEMPERATURA

La temperatura del liquido di raffreddamento del motore elettrico e dell'elettronica di potenza viene mantenuta al di sotto dei 60 °C in un circuito di raffreddamento separato per mezzo di un radiatore a bassa temperatura. 

 

RISCALDATORE DEL LIQUIDO DI RAFFREDDAMENTO AD ALTA TENSIONE

Se le temperature sono troppo basse, il liquido refrigerante viene riscaldato da un riscaldatore elettrico ad alta tensione. Questo è integrato nel circuito di raffreddamento.

TERMOSTATO

I termostati, elettrici o meccanici, mantengono costante la temperatura del liquido di raffreddamento.

RISCALDATORI ELETTRICI / Riscaldatori ad alta tensione

I veicoli elettrici non hanno il calore dissipato del motore, che viene trasferito al liquido di raffreddamento. Per questo motivo è necessario riscaldare l'interno con l'aiuto di un riscaldatore elettrico posizionato nel sistema di ventilazione.

ELETTRONICA DI POTENZA

La sua funzione è quella di controllare i motori elettrici, comunicare con il sistema di controllo del veicolo e diagnosticare la trasmissione. Di norma, l'elettronica di potenza è costituita da una centralina elettronica, un inverter e un convertitore CC/CC. Per mantenere l'elettronica di potenza entro un certo intervallo di temperatura, essa viene collegata al sistema di raffreddamento/riscaldamento del veicolo.

BATTERIA AD ALTA TENSIONE

La batteria ad alta tensione (batteria HV) è, insieme al motore elettrico, uno dei componenti chiave del veicolo elettrico. Si tratta di moduli di batteria interconnessi, che a loro volta sono costituiti da celle.  Le batterie sono generalmente basate sulla tecnologia agli ioni di litio. Hanno un'alta densità di energia. A causa di una reazione chimica decrescente, a temperature inferiori a 0°C si riducono significativamente le prestazioni . A temperature superiori ai 30°C il processo di invecchiamento aumenta notevolmente e a temperature superiori a 40°C la batteria può danneggiarsi. Per ottenere la massima durata ed efficienza possibile, la batteria deve funzionare in un determinato intervallo di temperatura. 

CONDENSATORE

Il condensatore serve a raffreddare il refrigerante riscaldato dalla compressione avvenuta nel compressore. Il refrigerante caldo allo stato gassoso fluisce nel condensatore cedendo calore all'ambiente attraverso le tubazioni e le lamelle. A causa del processo di raffreddamento lo stato di aggregazione del refrigerante passa da gassoso a liquido.

POMPA ACQUA ELETTRONICA

Al contrario le pompe elettriche del liquido di raffreddamento a regolazione elettronica integrata vengono azionate in modo continuo in base alla potenza frigorifera richiesta. Possono essere utilizzate come pompe principali, di bypass o di circolazione. Funzionano in modo indipendente dal motore e in base al fabbisogno. 

Climatizzazione

Grazie alla loro elevata efficienza, gli azionamenti elettrici emettono poco calore nell'ambiente durante il funzionamento e nessun calore quando sono fermi. Per riscaldare l'auto a basse temperature esterne o per sbrinare i cristalli, sono necessari ulteriori riscaldatori. Questi rappresentano ulteriori utenze di energia e gravano sul peso a causa del loro elevato consumo energetico. Consumano parte dell'energia immagazzinata nella batteria, il che ha un notevole effetto sull'autonomia, specialmente in inverno. I riscaldatori elettrici integrati nel sistema di ventilazione sono una forma semplice, efficace ma anche molto dispendiosa in termini di energia. Per questo motivo vengono ora utilizzate anche pompe di calore ad alta efficienza energetica. In estate possono essere utilizzate anche come impianto di climatizzazione per il raffreddamento. I riscaldatori dei sedili e i vetri riscaldati portano il calore direttamente nelle zone da riscaldare, riducendo così anche il fabbisogno di riscaldamento dell'abitacolo. Le auto elettriche spesso trascorrono i loro tempi di inattività nelle stazioni di ricarica. Qui, il veicolo può essere riscaldato o raffreddato prima dell'inizio del viaggio senza caricare la batteria. Lungo il percorso, è richiesta molta meno energia per il riscaldamento o il raffreddamento. Nel frattempo vengono offerte anche applicazioni per smartphone con le quali è possibile controllare il riscaldamento a distanza. 

Gestione delle operazioni di carica e scarica

Per gli accumulatori vengono utilizzati diversi sistemi di gestione, che assumono il controllo di carica e scarica, il monitoraggio della temperatura, la stima dell'autonomia e la diagnosi. La durata dipende essenzialmente dalle condizioni di esercizio e dal rispetto dei limiti di esercizio. I sistemi di gestione delle batterie, compresa la gestione della temperatura, impediscono il sovraccarico dannoso e possibilmente critico per la sicurezza o la scarica profonda degli accumulatori e le condizioni critiche di temperatura. Il monitoraggio di ogni singola cella della batteria consente di reagire prima che si verifichi un guasto o un danno ad altre celle. Le informazioni di stato possono essere memorizzate anche a fini di manutenzione e, in caso di errore, possono essere inviati messaggi corrispondenti al conducente.

 

In sostanza, la capacità della batteria della maggior parte delle auto elettriche è oggi sufficiente per la maggior parte dei motori diesel a breve e medio raggio. Uno studio pubblicato nel 2016 dal Massachusetts Institute of Technology è giunto alla conclusione che l'autonomia delle auto elettriche attualmente sul mercato è sufficiente per l'87% di tutti i viaggi. Tuttavia, l'autonomia è un valore fortemente variabile. La velocità del veicolo elettrico, la temperatura esterna e soprattutto l'uso del riscaldamento e dell'impianto di climatizzazione, portano ad una significativa riduzione dell'autonomia. C'è da dire comunque che i tempi di ricarica sempre più brevi e la costante espansione delle stazioni di ricarica consentono di aumentare ulteriormente il raggio d'azione delle auto elettriche. 

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

 

Osservare le specifiche dei costruttori di veicoli e i nostri consigli per l'officina! 

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

 

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.

COMPRESSORE AD ALTA TENSIONE: FUNZIONAMENTO

Funzionamento del compressore ad alta tensione

I veicoli con tecnologia completamente ibrida utilizzano compressori elettrici ad alta tensione che non dipendono dal funzionamento del motore a combustione interna. Grazie a questo innovativo concetto di azionamento, diventano possibili altre funzioni che aumentano ulteriormente il comfort nel settore della climatizzazione del veicolo.

È possibile preraffreddare l'abitacolo riscaldato alla temperatura desiderata prima di iniziare il viaggio. Il comando può essere dato tramite telecomando.

 

Il raffreddamento autonomo può avvenire in base alla capacità disponibile della batteria. Il compressore viene quindi azionato alla minima potenza possibile, tenendo conto delle richieste necessarie per la climatizzazione.

 

Nei compressori ad alta tensione attualmente in uso, la regolazione della potenza avviene adattando il regime in passi di 50 giri/min. Di conseguenza è possibile rinunciare a una regolazione interna della potenza.

 

Rispetto al principio del piatto oscillante, che viene adottato in modo prioritario nel settore dei compressori azionati a cinghia, nei compressori ad alta pressione per la compressione del refrigerante viene adottato il principio della spirale orbitante. I vantaggi sono un risparmio di peso di circa il 20% e una riduzione della cilindrata dello stesso valore a pari potenza di raffreddamento.

 

Per generare la coppia relativamente grande per l'azionamento del compressore elettrico, viene applicata una tensione continua di oltre 200 Volt, una tensione estremamente elevata nell'area del veicolo. L'inverter integrato nell'unità motore elettrico converte questa tensione continua nella tensione alternata trifase richiesta dal motore elettrico brushless. La necessaria dissipazione di calore dell'inverter e degli avvolgimenti del motore è resa possibile dal flusso di ritorno di refrigerante in aspirazione.

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.

LA FORMAZIONE CONTINUA NECESSARIA PER LA RIPARAZIONE DI VEICOLI ELETTRICI ED IBRIDI: INFORMAZIONI UTILI

Per poter riparare e sottoporre a manutenzione i complessi sistemi di Thermo Management dei veicoli elettrici ed ibridi, è indispensabile frequentare dei corsi di formazione continua. In Germania, ad esempio, i dipendenti che lavorano su tali impianti ad alta tensione necessitano di un'ulteriore formazione di 2 giorni come "Esperti per il lavoro su veicoli ad alta tensione (HV) a sicurezza intrinseca".

 

Grazie alle conoscenze così ottenute è possibile, da un lato, valutare i rischi dei lavori necessari sul sistema, dall'altro impostare la mancanza di tensione per la durata dei lavori. Senza la dovuta formazione è vietato eseguire lavori sui sistemi ad alta tensione o sui loro componenti. La riparazione o la sostituzione di componenti sotto tensione (batterie) richiede una qualifica speciale.

MANUTENZIONE DEI VEICOLI ELETTRICI ED IBRIDI: CONSIGLI PER L'OFFICINA

Anche nei normali lavori di ispezione e riparazione (ad es. su impianti di scarico, pneumatici, ammortizzatori, cambio olio, cambio pneumatici, ecc.) si è di fronte ad una situazione particolare. Questi possono essere eseguiti solo da un"Esperto per i lavori su veicoli ad alta tensione a sicurezza intrinseca" istruito
ed addestrato sui pericoli di questi impianti ad alta tensione. È inoltre obbligatorio utilizzare attrezzature che soddisfano le specifiche definite dai costruttori dei veicoli.

 

Le aziende automobilistiche sono tenute a istruire tutti i dipendenti coinvolti nella gestione, manutenzione e riparazione di veicoli elettrici ed ibridi. Si prega di osservare le rispettive condizioni specifiche del paese. 

ASSISTENZA IN CASO DI GUASTO, TRAINO E RECUPERO DI VEICOLI ELETTRICI Ed IBRIDI: CONSIGLI PER L'OFFICINA

I conducenti di veicoli con impianti ad alta tensione (HV) non sono esposti ad alcun pericolo elettrico diretto, nemmeno in caso di guasto. Numerose misure adottate dai costruttori di veicoli garantiscono la sicurezza del sistema di alta tensione. 

 

Anche l'assistenza in caso di guasto di veicoli con impianti di alta tensione è innocua, purché non sia necessario alcun intervento sull'impianto di alta tensione per eliminare i guasti.

 

Tuttavia, sussistono pericoli in caso di guasto o di traino di veicoli danneggiati da un incidente o che devono essere trainati fuori dalla neve e dall'acqua. Sebbene la sicurezza intrinseca dei veicoli per la protezione contro i rischi di scosse elettriche o archi elettrici sia molto elevata, non esiste una sicurezza completa o al 100% per ogni caso di danno. In caso di dubbio, devono essere prese in considerazione o richieste se non disponibili le rispettive informazioni del costruttore del veicolo. 

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) 

Chi può fornire assistenza stradale?

L'assistenza in caso di guasto di veicoli elettrici ed ibridi può essere fornita da chiunque sia stato appositamente qualificato a tale scopo. I soccorritori ricevono quindi istruzioni per la progettazione e il funzionamento di veicoli con impianti ad alta tensione. Per i lavori non elettrici valgono i requisiti e le condizioni specifiche del rispettivo paese (per la Germania si applica l'informazione DGUV 200-005 "Qualificazione per lavori su veicoli con sistemi ad alta tensione" (precedentemente BGI 8686). Si prega di osservare le rispettive condizioni specifiche del paese.

Primi passi nell'assistenza stradale?

  • Togliere la chiave di accensione (attenzione: i sistemi transponder si accendono automaticamente in prossimità dell'apparecchio) e quindi estrarre il sezionatore/disconnector della batteria ad alta tensione.
  • Controllare visivamente se i componenti dell'AT sono danneggiati.
  • Nessun intervento sui componenti AT. Queste operazioni possono essere eseguite solo da persone qualificate per lavorare su veicoli con impianti ad alta tensione. Ciò vale anche nel caso in cui i componenti dell'impianto HV siano danneggiati o risultino danneggiati durante il servizio di soccorso.
  • Una tensione residua può essere presente anche dopo lo spegnimento dell'impianto HV - alcuni minuti a seconda del produttore. 

Avvio esterno, traino e recupero - Cosa considerare?

AVVIO ESTERNO

Rispettare tassativamente le prescrizioni del costruttore! Solo pochi veicoli possono essere avviati da terzi attraverso l'impianto elettrico di bordo a 12/24 V DC. Dopo lo spegnimento possono essere presenti tensioni residue pericolose che non vengono scaricate tramite resistenze a scarica continua. Prima dell'apertura, osservare le istruzioni per l'uso e/o le informazioni tecniche del costruttore del veicolo.

RECUPERO E RIMORCHIO

  • I veicoli non danneggiati possono generalmente essere caricati su un veicolo di recupero (veicolo a piattaforma).
  • Quando si traina con un'asta o un cavo, è necessario rispettare le specifiche del produttore.
  • Per recuperare i veicoli in sicurezza, devono essere prese in considerazione tutte le misure del capitolo "Assistenza sicura con i veicoli elettrici".
  • Se il veicolo viene trainato/ripristinato con un verricello, nessun componente AT deve trovarsi nella zona dei punti di attacco e né deve essere danneggiato. Lo stesso vale per il sollevamento con un martinetto o una gru di carico. 

Comportamento in caso di incidente

  • In caso di incidente, nella maggior parte dei casi l'impianto HV viene spento quando viene attivato l'airbag. Ciò vale per quasi tutte le autovetture, ma non necessariamente per i veicoli commerciali.
  • Per poter lavorare senza pericoli, devono essere prese in considerazione tutte le misure del capitolo "Regole di base per il lavoro sui veicoli elettrici ed ibridi"
  • Alcuni produttori raccomandano o prescrivono di scollegare il polo negativo della batteria di bordo da 12/24 V DC (ulteriori informazioni sono riportate anche nelle rispettive linee guida per il soccorso).
  • Se le batterie ad alta tensione o i condensatori ad alta tensione (accumulatori di energia nei veicoli commerciali) sono stati danneggiati o strappati da un incidente, ciò costituisce un pericolo particolare. Il personale di emergenza dei vigili del fuoco o della THW (Agenzia federale soccorso tecnico) dovrebbe essere chiamato in aiuto in questo caso. Quando si maneggiano batterie danneggiate, sono necessari adeguati dispositivi di protezione individuale (protezione del viso, guanti di protezione per lavori sotto tensione). 
  • I liquidi fuoriusciti dalla batteria possono essere corrosivi o irritanti, a seconda del tipo di batteria. Evitare il contatto in ogni caso. Dopo un incidente non si può escludere che le batterie ad alta tensione possano ancora prendere fuoco in seguito a reazioni interne. I veicoli sinistrati non devono quindi essere parcheggiati in spazi chiusi.