Le batterie e i motori dei veicoli elettrici sono raffreddate a liquido e la loro temperatura viene regolata da un sistema di Thermomanagement attraverso il feedback fornito da sensori; a EVTech Expo ne abbiamo visto uno stampato all’interno di un raccordo in plastica.
Sovente quando si associa l’automobile all’impianto di raffreddamento, la mente riporta al radiatore del motore endotermico, eppure per quanto di primo acchito appaia strano, anche i veicoli elettrici, almeno quelli odierni, hanno un circuito di raffreddamento le cui vicende si intersecano spesso con quelle dell’impianto di climatizzazione dell’abitacolo (EV full-electric) e di refrigerazione del motore endotermico (veicoli ibridi). La ragione è che le batterie al litio di trazione vengono raffreddate da liquido che può servire, nei climi rigidi, anche a riscaldarle; il tutto con il duplice scopo di mantenere il catodo a quei 45÷50 °C sotto ai quali l’efficienza in termini di ricarica e di erogazione di corrente in scarica scende drasticamente.
Quanto ai motori elettrici di trazione, sono anch’essi raffreddati a liquido, mentre quelli utilizzati come booster e quindi i piccoli BSG delle vetture Mild Hybrid, in virtù delle basse potenze in gioco vengono raffreddati ad aria tramite una ventola coassiale all’albero al pari di quanto avviene negli alternatori dei normali autoveicoli con motore endotermico.
A bordo delle ibride e full-electric serve quindi un sistema di gestione termica della batteria e della propulsione, a liquido, la cui regolazione avviene ad opera di un’unità elettronica di Thermomanagement che si basa sull’acquisizione della temperatura in uno o più punti dell’impianto refrigerante, tramite sensori applicati all’esterno delle tubazioni o immersi nel fluido.
Una soluzione molto particolare in tema è stata esposta da Argomm Group alla fiera EVTech Expo di Stoccarda: si tratta di un sensore integrato in un manicotto di raccordo delle tubazioni del liquido refrigerante, applicabile in uno o più punti, stampato direttamente all’interno con una tecnica avanzata sviluppata dalla Inxsense.
Batteria, motore e raffreddamento negli EV
Le batterie utilizzate nella trazione elettrica sono praticamente tutte a ioni di litio; con questa chimica, in carica è importante che gli elettrodi ed in particolare il catodo, siano riscaldati intorno a 45÷50 °C. Fintantoché non si raggiunge tale temperatura, la carica è ostacolata e avviene più lentamente. Tale problema è rilevante nei veicoli ibridi, la cui batteria dev’essere caricata nel più breve tempo possibile e a temperatura ambiente, il che implica una certa lentezza e una scarsa qualità della carica quando fa freddo.
Per questo all’interno del pacco batteria circola del liquido refrigerante (dielettrico se deve entrare in contatto con elettrodi e connessioni elettriche) veicolato attraverso apposite tubazioni; il liquido serve per il raffreddamento quando la batteria scalda molto (in erogazione di forti correnti e nella ricarica rapida) e per il riscaldamento nell’utilizzo del veicolo a basse temperature ambiente. Si parla quindi di termoregolazione e non di semplice raffreddamento.
Per dare un’idea di come viene implementata la gestione termica, la Figura 1 propone l’impianto di climatizzazione dell’Audi Q4 50 e-tron quattro, basato su una pompa di calore e integrato con il sistema di termoregolazione della batteria di trazione.
In questo sistema, il liquido refrigerante funge anche da vettore termico per i motori, ma solo per raffreddarli.
Per le Mild Hybrid, il problema del raffreddamento è limitato dal fatto che i periodi di riscaldamento del motore corrispondono a quando il generatore reversibile (BSG) funziona da motore; però per i BSG di maggiore potenza, come quelli da 5÷10 kW funzionanti a 48, spesso si opta per la refrigerazione a liquido.
Nel caso dei motori elettrici delle vetture con trazione elettrica permanente o alternativa, per raffreddamento si intende tipicamente quello del tipo a liquido, necessario, nell’ordine, nei motori elettrici delle auto ibride con motore elettrico di trazione, perché vicino al motore a combustione interna e quindi maggiormente riscaldato, ed anche perché quasi sempre è inserito fra il motore a combustione interna e la trasmissione e come tale imprigionato e incapace di disperdere agevolmente il calore prodotto dal motore, soprattutto ad elevate potenze di esercizio.
Nei motori delle automobili full-electric il raffreddamento è meno critico, perché è possibile ventilare meglio la sezione di propulsione e trazione, sebbene le potenze in gioco rendano quasi sempre obbligatorio il raffreddamento a liquido a causa dell’elevato rapporto tra potenza e volume; sviluppare elevate potenze in poco spazio, malgrado l’efficienza raggiunta nella progettazione dei moderni motori elettrici, implica la necessità di adottare raffreddamenti a circolazione di liquido, che meglio riescono a smaltire il calore sviluppato durante l’esercizio. Il liquido refrigerante proviene dal raccordo di mandata di un’elettropompa e viene raffreddato facendolo passare in un radiatore collocato di norma sulla parte frontale (in basso) dell’automobile, ovvero convogliandolo nello stesso circuito di raffreddamento del motore endotermico, se trattasi di un’automobile ibrida. Il raccordo di ritorno preleva il liquido caldo e lo manda al radiatore, da dove esce a temperatura minore e può tornare al raffreddamento del motore.
La Figura 2 propone la vista in sezione di un motore elettrico di trazione raffreddato a liquido.
La termoregolazione negli EV
Nelle automobili full-electric è possibile trovare il circuito di raffreddamento dei motori elettrici di trazione integrato in quello di condizionamento d’aria, implementato sfruttando la potenza refrigerante dello stesso compressore utilizzato per raffreddare l’abitacolo; in questo caso il fluido refrigerante passa in uno scambiatore dedicato, cedendo il proprio calore al gas del climatizzatore, che poi viene raffreddato.
Nel circuito di raffreddamento vengono utilizzate elettrovalvole a più vie per commutare il circuito refrigerante tra ICE (motore a combustione interna) e motore elettrico se trattasi di veicoli ibridi, ovvero nelle full-electric, tra batteria e motori di trazione. Le elettrovalvole del sistema di refrigerazione servono perché la pompa di calore, comune all’impianto di condizionamento
d’aria dell’automobile, può dover rimanere accesa a prescindere dalle esigenze della climatizzazione, ad esempio perché ci si trova in una stagione fredda o in autunno e non serve fare il freddo nell’abitacolo ma occorre comunque raffreddare il motore elettrico in trazione o la batteria in fase di ricarica da frenata rigenerativa.
Quindi queste elettrovalvole consentono di collegare alla pompa di calore o al circuito refrigerante l’impianto a fluido che serve al momento, sia esso il climatizzatore dell’abitacolo o il circuito di raffreddamento di motore e batteria; consentono altresì di refrigerare il motore elettrico mentre si riscalda la batteria durante la ricarica mediante frenata rigenerativa, se all’esterno fa troppo freddo e lo sfruttamento dell’energia in ricarica sarebbe scarso a causa, appunto della bassa temperatura della batteria.
Le varie sezioni dell’impianto di termoregolazione della batteria e di raffreddamento del motore elettrico sono aperte o chiuse dalle elettrovalvole in base alla temperatura rilevata, nelle rispettive porzioni di circuito, da appositi sensori.
È qui che entra in gioco la novità presentata a Stoccarda, che consiste nell’integrare il sensore in raccordi dell’impianto contenente il fluido di raffreddamento/riscaldamento, ricorrendo all’elettronica stampata.
Printed is better!
Il sensore in questione è stato sviluppato per Argomm Group dalla Inxsense, una start-up focalizzata sull’elettronica stampata, nata intorno alla facoltà di ingegneria dell’Università degli Studi di Brescia ed è ottenuto con una complessa lavorazione che ne permette l’introduzione nella struttura di un raccordo per liquido refrigerante in modo da rilevare perfettamente la temperatura, pur rimanendo isolato elettricamente. L’elemento sensibile è una serpentina di conduttore elettrico stampata mediante inchiostro conduttivo, la cui resistività e resistenza possono essere dosate con precisione durante la deposizione del materiale sul supporto, così come pure il coefficiente di temperatura; il tutto per meglio adattare le caratteristiche del trasduttore alle esigenze del progetto. Il sensore è sostanzialmente un termistore integrato in un tubo/raccordo di plastica stampata e l’insieme è omologato per funzionare tra -40 e +80 °C.
Il sensore è un conduttore disposto a serpentina stampato su supporto plastico già curvato, al quale poi vengono applicate per termocompressione due elettrodi per la connessione elettrica; in Figura 3 è possibile vedere il dettaglio della serpentina dall’interno del raccordo in plastica.
La sua costruzione si svolge in più passaggi partendo dalla porzione esterna del raccordo, ottenuta per stampaggio a iniezione e riportante una finestrella nella quale sarà incastrato poi il supporto in plastica grigia del sensore a serpentina, che ha sezione cilindrica per combaciare con la finestrella del raccordo. Il sensore è stampato direttamente all’interno del supporto curvo (con una stampante 3D a 5 assi) perché se venisse stampato su supporto piano, la curvatura di quest’ultimo per adattarlo alla superficie del raccordo potrebbe provocare crepe sul materiale metallico deposto, causando interruzioni o alterazioni della resistenza. Il sensore su supporto curvo grigio è l’elemento realizzato dalla Inxsense.
Dopo la stampa, il sensore su supporto curvo viene applicato all’interno del tubo, sigillato e ricoperto (per passivarlo) da uno strato di silicone; la sigillatura serve a evitare che liquido refrigerante scappi dalla parte dalla quale fuoriescono i contatti, che hanno sezione quadra er vengono introdotti a caldo poco prima nel supporto, quindi termosaldati alle stremità della serpentina. Infine all’interno del raccordo si introduce e si salda un secondo tubo coassiale e perfettamente aderente. L’intero raccordo è il componente proposto da Argomm Group, visibile nella Figura 4 e ben descritto nella Figura 5, dove si nota la dicitura EVTech Expo, dato che si tratta di un campione realizzato apposta per la presentazione alla Fiera di Stoccarda.
Ma che cos’ha di particolare questo sensore di temperatura dei liquidi stampato. Ebbene, rispetto a un NTC rileva meglio temperatura, con meno inerzia e resistenza termica; non serve immergerlo nel liquido, unica maniera per ottenere un buon rilevamento. Inoltre ha una bassa resistenza elettrica, quindi migliore immunità ai disturbi elettrici causati a bordo dalle elettroniche di potenza degli EV; in più è possibile adattarne il valore resistivo regolando opportunamente in produzione il processo di stampa.
La soluzione della Inxsense è oltretutto di facile integrazione nel processo produttivo del raccordo, garantisce un buon isolamento e la sigillatura e semplifica l’installazione, perché basta montare il raccordo sulle tubazioni e poi collegare i due elettrodi.
