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Thermo Management nei veicoli ibridi

Qui troverete informazioni di base utili e suggerimenti preziosi sul tema del Thermo Management nei veicoli ibridi.

Come via di mezzo al vero e proprio veicolo elettrico vengono lanciati sul mercato sempre più modelli dotati di tecnologia ibrida. Questi richiedono nuove soluzioni per la climatizzazione dell'abitacolo e il Thermo Management. Questa pagina vi offre un'ottima panoramica sul tema dei veicoli ibridi: i principi di base, le proprietà del sistema, le soluzioni per il Thermo Management e le peculiarità negli interventi di manutenzione e riparazione.

Avvertenza di sicurezza importante
Le informazioni tecniche e i suggerimenti pratici indicati di seguito sono stati redatti da HELLA per fornire un supporto professionale alle attività svolte in officina. Le informazioni riportate sul presente sito web devono essere utilizzate esclusivamente da personale specializzato istruito ad-hoc.

 

PANORAMICA DELLE TECNOLOGIE IBRIDE: CONFRONTO

Il termine "ibrido" in sé ha lo stesso significato di miscela o combinazione. Nella tecnologia automobilistica indica che in un veicolo sono stati combinati un motore a combustione interna con trasmissione convenzionale e gli elementi di un veicolo elettrico.

 

La tecnologia ibrida diventa sempre più sofisticata a livello tecnico in tre passi: dalla tecnologia ibrida Micro, a quella Mild (leggera), fino a quella Full (completa). Nonostante le differenze tecniche, tutte le tecnologie hanno in comune il fatto che la batteria utilizzata viene caricata recuperando energia in 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 motorino 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 questo scopo sono equipaggiati con una trasmissione completamente elettrica. Tuttavia questo richiede una batteria molto più potente di quella di un veicolo Mild Hybrid.

Un'opzione del Full Hybrid è il "Plug-in Hybrid" (ibrido plug-in), che consente di caricare gli accumulatori durante la notte. Un effetto secondario positivo di questo tipo di veicolo è che nello stesso tempo si può portare la cellula dell'abitacolo alla temperatura desiderata. In questo modo, il mattino dopo, il veicolo è già pronto all'uso.

 

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

  Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid
Potenza del motorino elettrico / alternatore 2 – 3 KW
(recupero dell'energia in frenata attraverso 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 emerge dal prospetto, ognuna delle tecnologie dispone di diverse funzioni che contribuiscono al risparmio di carburante. Queste quattro funzioni sono rappresentate brevemente qui di seguito.

Funzione Start-Stop

Quando il veicolo si ferma, o a un semaforo o in coda, il motore a combustione interna si spegne. Se viene premuta la frizione o inserita la prima marcia, il motore si riaccende automaticamente. Ed è così subito disponibile al momento della ripartenza.

Sistema di recupero dell'energia

Il sistema di recupero dell'energia è la tecnica che consente di recuperare una parte dell'energia in frenata. Normalmente questa energia andrebbe persa durante la frenata sotto forma di energia termica. Con il sistema di recupero dell'energia, invece, l'alternatore del veicolo viene utilizzato come freno motore, in aggiunta ai normali freni delle ruote.

 

L'energia generata dall'alternatore durante la decelerazione viene convogliata nell'accumulatore di corrente (batteria). Questo processo incrementa in modo mirato la coppia frenante del motore rallentando così il veicolo.

Funzione Boost

Durante la fase di accelerazione si combinano la coppia motrice del motore a combustione e del motorino elettrico. In questo modo un veicolo ibrido può accelerare più velocemente di uno tradizionale simile.

 

La funzione Boost serve da supporto nell'avviamento e per una maggiore erogazione di potenza in fase di sorpasso. Questa forza viene generata da una trazione elettrica utilizzata esclusivamente per questi due scopi di utilizzo. Esempio: sulla VW Touareg 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 motorino elettrico. Il motore a combustione è spento. I vantaggi di questo tipo di trazione si vedono nel lungo periodo: nessun consumo di benzina e niente emissioni.

 

Queste tecnologie del veicolo producono anche variazioni nei prerequisiti da osservare quotidianamente.

Tensione elettrica nell'impianto elettrico di bordo

La potenza che la trazione elettrica di un veicolo ibrido richiede e che deve generare, non può essere trattata con tensioni di 12 o 24 volt. In questo caso sono necessarie tensioni notevolmente maggiori.

 

A questo proposito si deve assolutamente tener conto che a partire da 25 V per le tensioni alternate e da 60 V per le tensioni continue si entra nel campo delle alte tensioni. Secondo la norma ISO queste tensioni sono classificate come pericolose per le persone.

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

Nei veicoli ibridi vengono montati obbligatoriamente componenti ad alta tensione contrassegnati con targhette di avvertenza univoche. Inoltre tutte le linee ad alta tensione sono fornite da tutti i costruttori con un colore arancione riflettente.

 

Come regola di base per i lavori sui veicoli ibridi vale la seguente procedura:

  1. Togliere tensione
  2. Impedire il reinserimento
  3. Accertare la mancanza di tensione

 

Osservare le istruzioni del costruttore del veicolo.

CLIMATIZZAZIONE DELL'ABITACOLO: PRINCIPI 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 sull'uscita dell'evaporatore del sistema di climatizzazione 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 prevenire questo problema, prossimamente potranno essere impiegati nuovi accumulatori del freddo di ultima generazione, 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. Un liquido latente che si trova nell'evaporatore viene nel mentre raffreddato al punto che gela, convertendosi così in un accumulatore del freddo.

 

Nella fase di arresto, il motore è spento e il compressore non viene di conseguenza azionato. L'aria calda passante nell'evaporatore si raffredda generando uno scambio di calore. Questo scambio dura finché il liquido latente non è completamente fuso. 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.

 

Sui veicoli privi di evaporatore ad accumulo, quando fa molto caldo, è necessario riaccendere il motore già poco dopo essersi fermati. Solo in questo modo è possibile mantenere costante il raffreddamento dell'abitacolo.

Nella climatizzazione dell'abitacolo rientra anche il riscaldamento della cellula dell'abitacolo in caso di necessità. Nei veicoli Full Hybrid, il motore a combustione viene spento nella fase della guida elettrica. Il calore residuo presente nel circuito dell'acqua è sufficiente per riscaldare l'abitacolo solo per breve tempo. In aiuto intervengono gli elementi riscaldanti PTC elettrici, che si assumono la funzione del 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 compressori elettrici ad alta tensione vengono montati sui veicoli con tecnologia Full Hybrid e sono indipendenti dal funzionamento del motore a combustione interna. Grazie a questo innovativo concetto di azionamento, diventano possibili funzioni che aumentano ulteriormente il comfort nel settore della climatizzazione del veicolo.

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

 

Il raffreddamento autonomo viene effettuato 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 molto alta in questo settore di veicoli. L'inverter integrato nell'unità del motorino elettrico commuta questa tensione continua nella tensione alternata trifase necessaria al motore elettrico senza spazzole. La necessaria dispersione termica dell'inverter e degli avvolgimenti del motorino è resa possibile dal passaggio del flusso di ritorno del refrigerante verso il lato di aspirazione.

GESTIONE DELLA TEMPERATURA DELLA BATTERIA: CONFRONTO

Per il funzionamento di un veicolo ibrido la batteria è essenziale. Questa deve mettere a disposizione in modo veloce ed affidabile le notevoli quantità di energia necessarie per il funzionamento. Per lo più si tratta di batterie ad alta tensione nichel-metallo idruro, ma è in aumento l'uso delle batterie ad alta tensione agli ioni litio. In questo modo vengono ulteriormente ridotti il peso e le dimensioni delle batterie per i veicoli ibridi.

 

È assolutamente necessario che le batterie impiegate vengano utilizzate in 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 i 5°-10° Kelvin.

 

Picchi di sollecitazione di breve durata in combinazione con le alte correnti del sistema di recupero dell'energia e del Boost causano un notevole riscaldamento 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 conseguente guasto anticipato della batteria. I costruttori dei veicoli mirano a una durata calcolata della batteria pari alla vita di 1 auto (circa 8-10 anni). Quindi il processo di invecchiamento può essere contrastato solo gestendo in modo opportuno la temperatura.

 

Attualmente esistono 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 fatta circolare attorno alle superfici accessibili del pacco batterie.

 

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 dal ventilatore centrifugo.
  • I condotti dell'aria costituiscono un collegamento diretto tra abitacolo e 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 gestire questo pericolo, l'aria aspirata viene filtrata. In alternativa il raffreddamento ad 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 evaporatrice, inclusa nella cella della batteria, viene collegata al sistema 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.

 

Date le diverse funzioni dei due evaporatori, le richieste di flusso del refrigerante saranno conformemente diverse. 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 ambiente.

 

Da queste richieste deriva la costosa regolazione della quantità di refrigerante evaporato. La forma particolare della piastra evaporatrice, e quindi la possibile integrazione nella batteria, offre una grande superficie di contatto per lo scambio di calore. In questo modo è possibile garantire che la temperatura critica massima di 40°C non venga superata.

 

Con temperature esterne estreme sarebbe necessario un aumento della temperatura a quella 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 a 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 modo limitato. Tuttavia è ancora possibile guidare con il motore a combustione. 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 eseguire questo riscaldamento aggiuntivo, la batteria viene collegata a un circuito secondario. Questo circuito garantisce il mantenimento costante della temperatura di funzionamento ideale, tra 15 °C 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 dal flusso d'aria nel radiatore batteria nella parte anteriore del veicolo.

Speciale scambiatore di calore

Se, con temperature esterne elevate, il raffreddamento mediante radiatore batteria non è sufficiente, il liquido di raffreddamento fluisce attraverso un apposito scambiatore di calore all'interno del quale viene fatto evaporare il refrigerante del sistema di climatizzazione del veicolo. Inoltre il calore può essere trasferito con ingombri molto ridotti e con un'elevata densità di potenza dal circuito secondario al refrigerante che viene fatto evaporare. Viene eseguito un ritorno aggiuntivo del liquido di raffreddamento. Impiegando lo speciale scambiatore di calore, è possibile azionare la batteria nella finestra di temperatura ottimale per il rendimento.

NECESSITÀ DI FORMAZIONE AGGIUNTIVA SULLA RIPARAZIONE DEI VEICOLI IBRIDI: INFORMAZIONI UTILI

Per poter riparare e sottopore a manutenzione i complessi sistemi di Thermo Management dei veicoli ibridi, è indispensabile frequentare dei corsi di formazione continua. In Germania ad esempio i lavoratori che eseguono interventi su tali circuiti ad alta tensione devono seguire un corso aggiuntivo di due giorni per ottenere la qualifica di "Personale elettrotecnico specializzato in sistemi ad alta tensione".

 

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 il dovuto corso di formazione è vietato eseguire lavori sui sistemi ad alta tensione.

MANUTENZIONE DI VEICOLI 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.

 

Tali interventi devono essere eseguiti solo da dipendenti appositamente informati ed addestrati sui pericoli di questi sistemi ad alta tensione durante il corso per "Specialista elettrotecnico di sistemi ad alta tensione".

 

Inoltre si devono tassativamente utilizzare attrezzi che soddisfino le specifiche dei costruttori di veicoli ibridi.

 

Durante il controllo e la manutenzione del climatizzatore è importante ricordare che i compressori elettrici per climatizzatore non devono essere lubrificati con i soliti oli PAG. Questi ultimi non posseggono infatti le caratteristiche di isolamento necessarie. Per questo motivo si utilizza di solito l'olio POE, che possiede tali caratteristiche.

 

Di conseguenza per il controllo e lamanutenzione dei climatizzatori dei veicoli ibridi sono consigliabili stazioni di recupero e carica per climatizzatori con funzione di lavaggio interna e serbatoio dell'olio fresco. In questo modo è possibile evitare la miscelazione dell'olio fresco con altri tipi di olio.