THERMO MANAGEMENT NEI VEICOLI ELETTRICI ED IBRIDI

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.

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.

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.

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.

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"

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.

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. 

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. 

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! 

• 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

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.

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.

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.

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. 

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.

• 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.