Scambiatori di Calore per Motori Ibridi: Un Approfondimento Tecnico e Applicativo

L'efficienza energetica è un imperativo categorico in numerosi settori, dall'industria all'HVAC, e in particolare nel crescente comparto dei veicoli ibridi ed elettrici. Al centro di questa ricerca di efficienza si colloca lo scambiatore di calore, un componente cruciale che permette il trasferimento termico tra fluidi diversi. Comprendere il funzionamento, le tipologie e le applicazioni degli scambiatori di calore nei motori ibridi è fondamentale per ottimizzare le prestazioni, ridurre i consumi e minimizzare l'impatto ambientale. Questo articolo mira a fornire una guida completa e approfondita su questo argomento, esplorando le diverse sfaccettature di questa tecnologia innovativa.

Il Principio Fondamentale degli Scambiatori di Calore

Negli impianti industriali e nei sistemi HVAC, l'efficienza dello scambiatore di calore è un parametro cruciale. Questo valore esprime l'efficienza con cui il calore viene trasferito da un fluido all'altro attraverso la parete dello scambiatore. Un sistema performante consente non solo di risparmiare energia, ma anche di ridurre i costi operativi e prolungare la durata degli impianti. Ogni scambiatore introduce una resistenza al flusso del fluido, che si traduce in perdite di carico. Materiali come rame, acciaio inox e titanio hanno diverse capacità di condurre calore. Il flusso controcorrente è il più efficiente, in quanto mantiene una differenza di temperatura costante lungo lo scambiatore. Un ΔT (delta T) troppo basso o una portata non ottimizzata impediscono un corretto scambio termico. Apen Group, ad esempio, sviluppa soluzioni che integrano i principi di alta efficienza termica e ottimizzazione energetica.

Caldaie Ibride: Un Ponte tra Efficienza e Comfort

La caldaia ibrida è una soluzione smart e innovativa per un buon comfort abitativo e al contempo controllare i consumi. Un sistema ibrido è un dispositivo o un impianto nel quale sono presenti più generatori di calore alimentati da differenti fonti di energia. Mettiamo caso che tu abbia già una caldaia a condensazione in casa e che decida di aggiungere una pompa di calore a supporto. Il meccanismo di funzionamento di una caldaia ibrida si basa sulla combinazione di una pompa di calore e una caldaia a condensazione. Nelle stagioni più calde, non serve molta potenza termica per innalzare le temperature di casa o per scaldare l'acqua sanitaria, e la pompa di calore è sufficiente. Nelle stagioni fredde, le temperature si abbassano e la pompa di calore non può più agire in maniera indipendente. Ecco che entra in campo la caldaia a condensazione: il suo compito è fornire parte del calore utile a scaldare l'impianto. In sostanza, un sistema ibrido cerca, quando possibile, di impiegare la pompa di calore, utilizzando la caldaia a condensazione solo a supporto.

Il sistema ibrido riconosce da solo qual è il generatore più conveniente da usare in base alle condizioni climatiche esterne e interne alla casa, garantendo un avvicendamento automatico e senza intervento dell'utente.

Caldaia Ibrida vs. Caldaia a Condensazione e Pompa di Calore: Un Confronto Approfondito

Non è una domanda banale, perché in effetti le caldaie a condensazione di ultima generazione sono soluzioni più efficienti ed ecologiche rispetto alle caldaie tradizionali. La caldaia a condensazione è alimentata da gas metano o GPL. Questo funzionamento è lo stesso in una caldaia tradizionale, ma con una differenza: nelle caldaie a condensazione, il calore dei gas combusti è recuperato grazie a uno speciale scambiatore. Questo sistema funziona ancora benissimo ed è ancora lo stato dell'arte per gli impianti di riscaldamento. Per quanto vantaggiosa, i consumi con una caldaia a condensazione sono comunque più alti rispetto a quelli di una pompa di calore. Ecco perché la caldaia ibrida rappresenta la soluzione che meglio coniuga l'esigenza ambientale con il comfort abitativo garantito dalla caldaia a condensazione. L'aspetto "ambientale" è anche la differenza principale tra i due sistemi: con la caldaia a condensazione sei sempre schiavo del gas per alzare la temperatura in casa o riscaldare l'acqua sanitaria.

Allora perché non usare la sola pompa di calore? La pompa di calore è perfetta per quegli impianti nei quali le temperature di mandata restano basse (come negli impianti a pavimento), ma assolutamente antieconomica per un impianto di riscaldamento a radiatori. Insomma: anche i vantaggi della pompa di calore sono limitati. La caldaia ibrida, quindi, emerge come la soluzione migliore per ottimizzare i consumi, con efficienze e risparmi, in molteplici casistiche.

Requisiti Tecnici Minimi e Condizioni di Impiego Ideali

Per un sistema ibrido, il rapporto tra la potenza termica utile nominale della pompa di calore e la potenza termica utile nominale della caldaia deve essere ≤ 0,5. Altri requisiti tecnici minimi riguardano i coefficienti di prestazione e il rapporto di efficienza energetica della pompa di calore, che puoi trovare dichiarati sul libretto tecnico del tuo impianto sotto le sigle COP e EER.

La caldaia ibrida è la soluzione ideale in diverse situazioni, tra cui:

• Abitazioni sprovviste di spazio a sufficienza per inserire una pompa di calore e il relativo serbatoio per la produzione di acqua calda sanitaria.
• Case molto grandi e non coibentate, quindi con un fabbisogno termico notevole. Qui la pompa di calore da sola non sarebbe sufficiente perché ha dei limiti di potenza termica.
• Quando si ha bisogno di molta acqua calda. La pompa di calore da sola non riuscirebbe a garantire un elevato apporto di acqua calda sanitaria (come ad esempio in un condominio con riscaldamento centralizzato).
• Quando non si può sostituire l'impianto a termosifoni preesistente. In passato, le pompe di calore non permettevano di raggiungere le temperature richieste da un sistema di riscaldamento come quello a caloriferi.

Ottimizzazione dei Consumi e Risparmio con la Caldaia Ibrida

Quanto affrontato in precedenza sarebbe incompleto se non parlassimo pure di come, e quanto, è possibile risparmiare con una caldaia ibrida. Esistono allora alcune tecniche che permettono di far lavorare meglio il sistema ibrido:

• Impostare una soglia di temperatura esterna più bassa per l'avvio della caldaia a condensazione.
• Impostare temperature simili di pompa di calore e caldaia a condensazione.
• Aumentare il tempo di accensione della caldaia.
• Valutare attentamente la potenza della pompa di calore che si è acquistata.
• Lavare l'impianto. Questa semplice operazione evita la formazione di alghe e sporco nei radiatori.

Tipologie di Caldaie Ibride, Dimensioni e Composizioni

Esistono numerose tipologie di caldaie ibride, ognuna con caratteristiche specifiche adatte a diverse esigenze. Nel caso di ECOhybrid, i due generatori (pompa di calore e caldaia a condensazione) si presentano come prodotti distinti. Il sistema è caratterizzato da tre unità: caldaia a condensazione, pompa di calore e injection box. Un'altra tipologia è la caldaia monoblocco, una soluzione ottima quando vi sono dei vincoli architettonici, per esempio legati agli interventi sulla facciata o l'impossibilità di installare pannelli solari termici. I condomini utilizzano spesso questa tipologia di impianto, poiché la sola pompa di calore richiederebbe un serbatoio di acqua molto voluminoso per la produzione di acqua calda sanitaria e la necessità di raggiungere potenze troppo elevate per rispondere alle esigenze di riscaldamento di un intero condominio.

Abbiamo parlato numerose volte della potenza di una caldaia ibrida. Ci sono infatti importanti differenze di potenza tra, per dire, una caldaia ibrida 24 kW, una caldaia ibrida 32 kW e una caldaia ibrida 100 kW. Questo valore indica il "calore" che la caldaia ibrida è in grado di produrre.

Scambiatori di Calore per Motori Ibridi nel Settore Automotive

L'industria automobilistica si sta attivamente orientando verso carburanti sostenibili e puliti. Si prevede inoltre che le vendite e la produzione di veicoli elettrici registreranno un tasso di crescita fenomenale. La crescente consapevolezza sulle preoccupazioni ambientali ha portato all'adozione di nuovi veicoli energetici. La crescente adozione di veicoli elettrici in Cina, ad esempio, ha costretto i produttori di scambiatori di calore tradizionali a sviluppare efficienti sistemi di gestione termica delle batterie, come gli scambiatori di calore a piastre raffreddati a liquido, e ad espandere il proprio portafoglio di prodotti.

Ad esempio, nel luglio 2023 Magneti Marelli ha lanciato un nuovo modulo integrato di gestione termica per veicoli elettrici per migliorare l'efficienza, la sicurezza e l'autonomia del veicolo fino al 20%. Le crescenti vendite di veicoli elettrici, inclusi i veicoli elettrici a batteria, veicoli elettrici ibridi e veicoli elettrici ibridi plug-in, hanno portato ad un aumento della domanda di batterie agli ioni di litio. Queste batterie possono immagazzinare energia in un piccolo spazio. Tuttavia, ci sono vari problemi associati alle batterie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici. Ad esempio, se il limite di carica supera i 4.2 volt, potrebbe causare il surriscaldamento della placcatura al litio, danneggiando le celle e riducendo le prestazioni generali e la durata della batteria. Il sistema di gestione termica della batteria svolge un ruolo significativo nel migliorare le prestazioni e l'efficienza del veicolo elettrico.

Componenti Critici e Tecnologie Innovative negli Scambiatori di Calore Automotive

Uno scambiatore di calore per autoveicoli è un dispositivo progettato per scambiare o trasferire calore tra due mezzi diversi a temperature variabili. Consiste in un minimo di due mezzi vicini l'uno all'altro. È ulteriormente diviso da una barriera che può essere costituita da metallo con adeguate proprietà di trasferimento del calore. Lo scambiatore di calore è costituito principalmente da fluidi caldi e freddi.

UFI Filters, ad esempio, è un leader globale nelle tecnologie della filtrazione e soluzioni per il thermal management. L'azienda fornisce lo scambiatore di calore per il nuovo motore elettrico anteriore ePT-160, da 160kW, montato sulle nuove Renault Megane E-Tech e Nissan Ariya. Questo scambiatore è di tipo a piastre in alluminio, prodotto secondo tecnologia di brasatura a vuoto che consente la realizzazione di un prodotto molto robusto e pulito. È composto da 4 strati dedicati all'olio e 4 al liquido di raffreddamento. L'ingresso dell'olio avviene attraverso la piastra di base fissata direttamente sull'esterno del motore elettrico. La configurazione dello scambiatore di calore è a flussi incrociati controcorrente. Per la versione 4x4 disponibile su Nissan Ariya e-4ORCE 4WD, UFI Filters fornisce anche un secondo scambiatore di calore per il motore elettrico posteriore, composto da 7 strati per l'olio e 6 per il liquido di raffreddamento, con una configurazione a flussi paralleli controcorrente.

La gestione dei fluidi compatta ed efficiente dal punto di vista del prezzo è ottenuta grazie a un alloggiamento modulare in cui le interfacce dei vari circuiti di fluidi, come olio, carburante o refrigeranti, vengono utilizzate attraverso un'integrazione funzionale aggiuntiva. Questo risultato garantisce massima flessibilità e adattamento delle soluzioni ai mercati globali. È possibile assemblare versioni ottimizzate per le prestazioni in tutte le condizioni di installazione e funzionamento. I condotti di collegamento corti e sagomati e la commutazione intelligente delle valvole di controllo assicurano la minore resistenza al flusso possibile. Si sta inoltre lavorando intensamente allo sviluppo di componenti ibridi alluminio-plastica, sfruttando l'esperienza nella pressofusione e nello stampaggio a iniezione per implementare al meglio i vantaggi ecologici ed economici di questo design.

L'Importanza del Thermal Management System nei Veicoli Elettrici e Ibridi

In questi anni si sta assistendo a una crescente diffusione di veicoli elettrici, spinta anche dalla decisione dell'UE di bandire dal 2035 la vendita di automobili con motori a combustione interna. Questa tecnologia presenta, però, anche alcune criticità, relative soprattutto alle temperature di esercizio delle celle. Il loro funzionamento ottimale, infatti, è garantito se i valori restano in una fascia compresa tra i 15 e i 35 °C. Sopra e sotto questo intervallo si possono verificare un decadimento delle prestazioni delle batterie e problemi di sicurezza. Tutto ciò spiega come sulle auto elettriche, così come su quelle ibride, sia essenziale l'adozione di un Thermal Management System, ossia di un dispositivo che monitori e gestisca le temperature delle batterie. Questo fa sì che esse rimangano sempre all'interno dell'intervallo di funzionamento corretto. UFI Filters, consapevole dell'importanza sempre crescente che questi componenti avranno nei prossimi anni, nel 2022 ha creato una propria Business Unit dedicata ai sistemi di Thermal Management. Oggi UFI Filters propone sette linee di prodotti dedicati alla gestione termica di veicoli elettrici, ibridi e dotati di motori a combustione. Gli scambiatori di calore destinati agli e-axle rivestono un ruolo fondamentale nell'ottimizzazione delle temperature della trasmissione e del motore elettrico. L'eccellenza dei sistemi di gestione termica fa sì che UFI Filters li fornisca per il primo equipaggiamento ai maggiori produttori mondiali di autoveicoli.

Panorama Competitivo nel Mercato Cinese degli Scambiatori di Calore per Autoveicoli

Il mercato cinese degli scambiatori di calore per autoveicoli è moderatamente consolidato, con alcuni attori importanti tra cui DENSO Corporation, Magneti Marelli, Hanon System, Jiangsu Jiahe, Ningbo Lurun Cooler, Pierburg China e altri. Diversi produttori chiave di scambiatori di calore per autoveicoli sono concentrati sull'adozione di strategie di espansione come accordi di collaborazione, sviluppo di prodotti, fusioni, acquisizioni, ecc., per esplorare il mercato e sono attivamente focalizzati sull'espansione del mercato.

Ad esempio, nel febbraio 2023, SANHUA Holding Group ha annunciato il lancio dello scambiatore di calore a piastre brasate, progettato con una pressione di esercizio fino a 50 Bar e compatibile con refrigeranti come R410A, R32, R454B, R290. Nel dicembre 2022, Conflux Technology ha lanciato uno scambiatore di calore a cartuccia sviluppato con la tecnologia di stampa 3D. Lo scambiatore di calore a cartuccia incorpora un nucleo prodotto in modo additivo in alloggiamenti prodotti in modo tradizionale. Giugno 2023: LU-VE Group, un produttore multinazionale con sede in Italia, ha annunciato l'espansione delle sue attività in Cina e negli Stati Uniti, comprendendo le più grandi attività nel settore degli scambiatori di calore automobilistici per applicazioni HVAC e frigoriferi. Ottobre 2022: Aiways ha annunciato le nuove specifiche del coupé SUV Aiways U6. Il veicolo è dotato di un nuovo scambiatore di calore che utilizza il calore di scarto in modo ottimale per il riscaldamento dell'abitacolo o il condizionamento del pacco batteria.

Elaborazione Elettronica per Motori Mild Hybrid Diesel e Benzina

I motori auto Mild Hybrid sono una soluzione intermedia tra i motori tradizionali a combustione interna e le auto completamente elettriche, combinando un motore termico con un piccolo motore elettrico che assiste in determinate fasi di guida.

Motori Mild Hybrid Diesel

I motori diesel Mild Hybrid possono beneficiare notevolmente di una centralina aggiuntiva digitale come il CHIPBOX DIESEL, che si collega al sistema elettronico del motore per ottimizzare parametri fondamentali come l'iniezione del carburante e la gestione della sovralimentazione. Nei motori diesel, la coppia è spesso il parametro più rilevante per la percezione di prestazioni, soprattutto a bassi e medi regimi, dove i motori diesel tendono a operare più frequentemente. Il CHIPBOX DIESEL interviene modificando in maniera calibrata (in base al tipo di sistema iniezione) i tempi e la quantità di iniezione del carburante, permettendo di ottenere una combustione più energica senza compromettere l'affidabilità del motore. Allo stesso tempo, la centralina digitale può ottimizzare la gestione del turbocompressore, aumentando la pressione di sovralimentazione in modo controllato durante le fasi di richiesta di potenza. Questo si traduce in un incremento significativo della coppia disponibile già dai regimi più bassi, migliorando l'accelerazione e la prontezza del veicolo senza alterare il funzionamento del sistema Mild Hybrid.

Motori Mild Hybrid Benzina

Anche nei motori a benzina Mild Hybrid, l'adozione di un CHIPBOX BENZINA può portare a miglioramenti importanti sia in termini di coppia che di potenza massima. I motori a benzina hanno generalmente un range di coppia più vasto rispetto ai diesel, quindi ogni ottimizzazione nella gestione dell'iniezione e della sovralimentazione può avere effetti immediatamente percepibili sulle prestazioni. Il CHIPBOX BENZINA permette di regolare con precisione i tempi di iniezione del carburante e l'anticipo della scintilla, ottimizzando la combustione e riducendo le perdite di energia durante i regimi intermedi e alti. Parallelamente, la centralina può aumentare in modo controllato la pressione del turbocompressore (se presente) incrementando la quantità di aria disponibile per la combustione e, di conseguenza, la potenza erogata. Nei motori a benzina Mild Hybrid, l'integrazione con il motore elettrico consente inoltre di ottenere un boost immediato in accelerazione, poiché l'energia accumulata nella batteria può essere sincronizzata con l'incremento di coppia fornito dal CHIPBOX, ottenendo una risposta più pronta senza richiedere interventi meccanici invasivi.

Modulo Aggiuntivo Pedale Acceleratore su Motori Mild Hybrid

Anche sulle auto Mild Hybrid, dove la gestione del motore termico è supportata da un piccolo motore elettrico, è possibile migliorare la reattività della guida attraverso l'uso di un modulo aggiuntivo per il pedale dell'acceleratore. Questo tipo di dispositivo si collega direttamente al sensore di posizione del pedale acceleratore e permette di ridurre il ritardo tra l'input del conducente e la risposta effettiva del motore. Il modulo pedale acceleratore PEDALBOOSTER® interviene proprio su questo aspetto, calibrando l'elettronica del sensore in modo da rendere il comando più diretto e rapido.

Un altro vantaggio di PEDALBOOSTER® sulle auto Mild Hybrid è la possibilità di selezionare diversi livelli di risposta del pedale. Ciò significa che il guidatore può adattare il comportamento del motore alle proprie preferenze o alle condizioni di guida: una risposta più aggressiva per una guida sportiva e dinamica, oppure una risposta più morbida e progressiva per una guida tranquilla in città. Questa flessibilità migliora sensibilmente il piacere di guida, perché riduce quella sensazione di "input ritardato" che a volte si percepisce in motori moderni ottimizzati per consumi e basse emissioni. L'installazione di questi moduli è generalmente semplice e non invasiva: si agganciano ai connettori originali del sensore del pedale acceleratore, senza richiedere modifiche permanenti. È poi sempre possibile riportare il sistema alle condizioni di serie senza lasciare tracce, mantenendo intatta la garanzia del veicolo e la sua integrità elettronica.

L'Elettronica di Potenza nei Veicoli Elettrici e Ibridi

Le spinte progettuali nei veicoli elettrici e ibridi per migliorare l'efficienza della conversione di energia sono orientate verso dispositivi dotati di packaging compatto e assemblaggio dei moduli elettronici di potenza ad alta affidabilità termica per la distribuzione e gestione dell'energia nel veicolo, con riduzione delle perdite dovute alla resistenza dei commutatori. L'elettronica di potenza in EV ed HEV è ottimizzata attraverso uno studio basato su efficacia di raffreddamento, dimensioni dei componenti e affidabilità. L'utilizzo di contenitori più piccoli e facili da raffreddare e di dispositivi di potenza come Mosfet e IGBT con un basso valore di Rds(on), drain-source sulla resistenza, garantisce la massima efficienza del sistema.

Il "power electronics" è parte integrante del sistema di un'autovettura elettrica o ibrida, unitamente al motore, al pacco batteria e all'inverter, inclusi i componenti ausiliari. Nei veicoli ibridi ed elettrici i principali sistemi elettronici di potenza sono i convertitori boost DC/DC e gli inverter DC/AC. I sistemi elettronici messi a punto per l'e-mobility vanno dai sensori di temperatura, corrente, tensione, fino ai semiconduttori basati su carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). I sensori di temperatura al platino, ad esempio, garantiscono intervallo di temperatura esteso, massimo grado di precisione e stabilità affidabile a lungo termine.

La tendenza è orientata verso l'adozione di soluzioni per l'alimentazione con package sempre più compatto e con alti livelli di potenza. I parametri progettuali sono diversi e prendono in considerazione il livello di potenza, l'efficienza di conversione, la temperatura di funzionamento Tf del motore nel sistema powertrain del veicolo, la capacità di dissipazione dell'energia termica, il package del sistema. I veicoli EV/HEV presentano dei componenti che per certi aspetti potrebbero essere considerati critici in una fase progettuale, come batteria, motore elettrico e controller. Una notevole riduzione dei costi può essere ottenuta selezionando i sensori adatti, consentendo risparmi nell'uso dei materiali e miglioramenti nei processi di imballaggio e integrazione dei componenti.

L'elettronica di potenza che comprende tutte le power applications è la tecnologia più innovativa per l'alimentazione dei motori elettrici e la ricarica delle batterie. I veicoli elettrici e ibridi sono il campo applicativo più esteso per i produttori di dispositivi e sistemi di power electronics. L'elettronica di potenza per EV si arricchisce di dispositivi di alimentazione SiC che soddisfano la necessità di migliorare l'efficienza energetica del sistema, la robustezza e la densità di potenza nei veicoli elettrici e in tutte quelle applicazioni high power dove è richiesta alta tensione e alta potenza, offrendo così un contributo importante per le prestazioni del sistema e l'affidabilità a lungo termine. Il campo di impiego di questi dispositivi è nei caricabatterie integrati, nei convertitori DC-DC, nelle stazioni di ricarica e in tutto ciò che concerne il controllo trazione e propulsione.

I SiC MOSFET hanno elevata resistenza al degrado e ai guasti che possono verificarsi quando un picco di tensione supera la tensione di rottura del dispositivo. I semiconduttori al carburo di silicio sono altamente innovativi e presentano caratteristiche adatte a migliorare l'efficienza del sistema, sostenere temperature operative più elevate e ridurre i costi nei progetti di elettronica di potenza. In particolare i dispositivi di alimentazione SiC offrono anche minori perdite di commutazione, più alte temperature di funzionamento, maggiore frequenza di commutazione, minori esigenze di raffreddamento e, non ultima, un'induttanza parassita estremamente bassa. La densità di potenza dei dispositivi SiC è più elevata e consente un fattore di forma compatto. Inoltre i prodotti SiC possono essere combinati con altri dispositivi, quali microcontrollori a 8, 16 e 32 bit, dispositivi di gestione dell'alimentazione, sensori analogici, controller touch e gestuali oltre a soluzioni di connettività wireless. I semiconduttori in SiC e GaN vengono utilizzati nel controllo del motore perché garantiscono una commutazione più rapida che può essere necessaria per i motori che funzionano a frequenze fondamentali elevate e richiedono un'ondulazione ben filtrata. Tuttavia le alte velocità di commutazione ottenute dai dispositivi SiC, se da un lato offrono maggiori efficienze di conversione, dall'altro generano variazioni molto veloci di tensioni che si traducono in alte velocità di variazione della tensione (dv/dt) che possono sollecitare l'isolamento degli avvolgimenti del motore.

La progettazione per EV/HEV può riguardare il monitoraggio dell'azionamento elettrico o della cella della batteria, test delle procedure per i motori elettrici, gestione della temperatura nel ciclo di carica per ottimizzare i tempi di ricarica della batteria, gestione della temperatura nei moduli dell'elettronica di potenza. Le caratteristiche dei sensori devono soddisfare i requisiti di stabilità, risposta e precisione. Il peso e il prezzo di un veicolo elettrico sono strettamente collegati alle scelte dei sensori di corrente e voltaggio, in termini di stabilità a lungo termine e precisione. L'energia elettrica è immagazzinata in accumulatori sotto forma di una o più batterie di trazione o di alimentazione. I veicoli elettrici utilizzano l'elettricità immagazzinata in un pacco batteria per alimentare un motore elettrico che fornisce l'azionamento alle ruote.

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