Riassunto analitico
Le vendite di veicoli elettrici hanno subito un forte incremento negli ultimi anni e numerose stime prevedono che questo trend sia destinato a crescere in futuro. L’accelerazione è dovuta al sostegno di incentivi statali, a legislazioni sempre più severe sulle emissioni che spingono i costruttori a concentrarsi sulla mobilità sostenibile, ma anche alla diminuzione dei costi ed alle migliori performance delle batterie.
I BEV (battery electric vehicle) segnano un netto cambiamento di impostazione e tecnologico rispetto ai mezzi tradizionali. Alcune delle componenti caratterizzanti sono: inverter, motore elettrico e batteria ad alto voltaggio. Nonostante questi elementi abbiano efficienze molto alte, generano molto calore. Per garantirne il corretto funzionamento si deve ricorrere ad una sistema di gestione termica differente rispetto a quello impiegato su veicoli tradizionali. Infatti, contrariamente al motore a combustione interna, le componenti precedentemente elencate sono progettate per lavorare a temperature inferiori. In particolare la batteria, che funziona in modo ottimale solo all’interno di un ristretto range di temperature: oltre il limite previsto le performance calano e si rischia la degradazione del componente.
Lo scopo principale di questo studio è lo sviluppo di un modello parametrico, in ambiente MATLAB/Simulink, per predire ed investigare il comportamento termico, oltre che idraulico, del circuito di raffreddamento a liquido del pacco batterie di una vettura elettrica. In secondo luogo, la possibilità di rappresentare l’evoluzione del sistema in caso di interazione con il circuito di condizionamento a CO2, rispetto al quale si interfaccia mediante scambiatore chiller.
I dati di input riguardano: parametri della batteria (temperatura iniziale, potenza), parametri degli scambiatori (temperature iniziali dei fluidi) e parametri ambientali (velocità veicolo, quota, temperatura, ecc.). Il programma riceve tali valori e li rielabora secondo una precisa logica di controllo, definendo in conseguenza il funzionamento di pompa, ventola, compressore e valvola. Infine, vengono restituiti i seguenti output: perdite di carico, portate, potenze termiche scambiate, temperature di liquido e batteria.
Il lavoro si articola sui seguenti punti fondamentali. Innanzitutto, lo studio dello stato dell’arte riguardante la gestione termica di veicoli ibridi ed elettrici, con particolare interesse per soluzioni innovative interamente elettriche. Secondariamente, un approfondimento sulla miscela acqua-glicole impiegata nel circuito: rischi per salute ed ambiente, proprietà termofisiche. Si riportano informazioni riguardo la libreria “CoolProp” impiegata per il calcolo delle proprietà di coolant, aria e refrigerante R744. In seguito, si presenta il modello termico transitorio di ciascun componente del circuito, il suo dimensionamento e la sua implementazione software. Successivamente, le equazioni che governano il modello termoidraulico: correlazioni per la caduta di pressione, curve caratteristiche pompa. Infine, i principali risultati delle simulazioni vengono presentati e discussi, anche in ottica di un possibile sviluppo futuro del presente lavoro.
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