Sistemi di raffreddamento dei veicoli elettrici e ruolo dei sensori di pressione

L'aumento della popolarità e dell'adozione dei veicoli elettrici non può essere semplicemente espresso a parole; bisogna guardare i dati.

Entro la fine del 2020, oltre 10 milioni di auto elettriche percorrevano le strade di tutto il mondo.

I veicoli elettrici attraggono gli acquirenti per molte ragioni: producono meno emissioni, possono essere utilizzati a costi notevolmente inferiori e offrono migliori prospettive a lungo termine rispetto alle auto a benzina.

Una delle maggiori sfide per convincere più persone a convertirsi ai veicoli elettrici è stata a lungo la questione dell'autonomia di percorrenza limitata con una singola carica.

Tuttavia, questo ostacolo viene costantemente superato. I miglioramenti tecnologici delle batterie sono in costante aumento e l'autonomia massima dei veicoli elettrici viene estesa ad ogni step, rendendo la proprietà dei veicoli elettrici un'opzione più praticabile per la futura generazione di proprietari d'auto.

L'importanza dei sistemi di raffreddamento nei veicoli elettrici

I tentativi di migliorare la capacità della batteria, tuttavia, possono presentare alcune sfide. La domanda principale è relativa al raffreddamento. Le batterie generano calore quando si caricano e si scaricano. Pertanto, più energia immagazzina una batteria e più rapidamente si carica o scarica, più calore tenderà a creare. I veicoli interamente elettrici sono dotati di un sistema di raffreddamento che mantiene particolari limiti di temperatura nell'elettronica di potenza del veicolo e nei pacchi batteria.

Il ruolo principale del sistema di raffreddamento è garantire che la temperatura della batteria rimanga entro limiti operativi di sicurezza. Se la temperatura del pacco batteria agli ioni di litio in una determinata cella diventa troppo calda, può provocare una reazione a catena nota come runaway termico, in cui l'intero pacco batteria subisce una decomposizione esotermica catastrofica.

Prevenire il surriscaldamento e l'instabilità termica è, ovviamente, fondamentale. La maggior parte dei sistemi di raffreddamento per veicoli elettrici mira a mantenere i pacchi batteria alla loro temperatura operativa ottimale per la maggior parte del tempo. Di solito, ciò significa una distribuzione della temperatura quasi uniforme nell'intervallo 15 - 35 °C.

Se le temperature possono variare in modo significativo all'interno del pacco o non rientrano in questo particolare intervallo, i tempi di ricarica e l'efficienza possono essere influenzati negativamente con una riduzione della durata della batteria.

Le tecnologie di raffreddamento dei veicoli elettrici impiegano diversi principi di raffreddamento per gestire la temperatura dei sistemi di alimentazione: ad aria, con alette e raffreddamento a liquido. Il raffreddamento ad alette è un meccanismo di raffreddamento passivo semplice ed economico che ha dimostrato di avere successo nel mondo dell'elettronica.

In effetti, la costruzione di componenti ad alta intensità energetica con alette di dissipazione anziché superfici piatte, migliora la velocità con cui possono dissipare il calore nell'ambiente circostante.

Tuttavia, le alette hanno un'applicazione limitata nei veicoli elettrici in quanto possono aumentare significativamente il peso dei sistemi di alimentazione.

Aria condizionata, la circolazione di aria relativamente fredda sulla superficie di un oggetto caldo, è un'altra tecnologia relativamente semplice in quanto lo raffredderà più rapidamente.

Il raffreddamento ad aria è in genere conveniente ed è stato impiegato in alcuni modelli di auto elettriche (compresi i primi modelli della Nissan Leaf). Tuttavia, questo sistema può essere relativamente ad alta intensità energetica e le auto che dipendono dal raffreddamento ad aria possono avere problemi quando fa caldo.⁸

Raffreddamento a liquido è il modo più efficiente per controllare la temperatura delle batterie e dei sistemi di alimentazione nei veicoli elettrici.

Le tubazioni del liquido di raffreddamento attraverso i sistemi di alimentazione facilitano un'efficace dispersione del calore e, sebbene sia relativamente costoso e complesso, offre un controllo della temperatura più preciso dei sistemi elettronici e dei pacchi batteria nei veicoli elettrici.

Poiché i produttori stanno spingendo verso l'installazione di pacchi batteria di capacità sempre maggiore nei veicoli elettrici, aumentano anche le richieste che questi sistemi di raffreddamento devono essere in grado di soddisfare.

I sistemi di raffreddamento a liquido stanno diventando più cruciali e complessi con l'aumento delle velocità di ricarica e della capacità della batteria.^9,10 I sistemi di raffreddamento a liquido nei veicoli elettrici odierni possono richiedere la suddivisione del sistema di raffreddamento in più circuiti e lo scambio di calore tra il liquido di raffreddamento della batteria e il sistema A/C refrigerant.

Il ruolo dei sensori di pressione nei sistemi di raffreddamento dei veicoli elettrici

La pressione è un parametro chiave nel sistema di raffreddamento a liquido di un veicolo elettrico. I sensori di pressione sono componenti vitali sia per il feedback per la regolazione e l'ottimizzazione del sistema di raffreddamento, sia per essere in grado di rilevare la perdita di pressione che potrebbe suggerire una perdita.

Con la crescente complessità dei sistemi di raffreddamento a liquido, la richiesta di sensori di pressione accurati e robusti Sistemi di raffreddamento per veicoli elettrici ora è più grande di qualsiasi altra volta. 

Merit Sensor Systems progetta e produce un'ampia gamma di sensori di pressione ad alte prestazioni adatti per applicazioni EV impegnative. I sensori della serie TR sono stati sviluppati per offrire misurazioni precise della pressione in fluidi aggressivi come gas, oli e refrigeranti.

I sensori di pressione della serie TR incorporano uno stampo sigillato ermeticamente che è in grado di effettuare misurazioni della pressione dal retro, dove il fluido entra in contatto solo con il substrato ceramico.

I sensori della serie TR offrono anche una rilevazione della pressione accurata e affidabile in complesse applicazioni di sistemi di fluidi per EV, pur essendo classificati per temperature da -40 °C a 150 °C.

Immagine 1. Integrazione della sigillatura frontale della serie TR (MeriTrek starter Kit) in un alloggiamento di metallo/plastica. Immagine da: Merit Sensor 

Sensori della serie TVC sono stati ottimizzati per la misura di pressioni medio-alte in refrigerant gas fino a 2,000 kPa.

Il montaggio dell'elemento di rilevazione in silicio sulla parte superiore di una porta di pressione in ceramica consente ai sensori TVC di avere la capacità di misurare la pressione sul retro mentre separano il fluido dall'elettronica interna, offrendo misurazioni della pressione affidabili e consisteti (pressione di scoppio 5x) per una durata di servizio prolungata, anche in condizioni difficili.

Immagine 2. Serie TVC facile integrazione in alloggiamenti in metallo/plastica con tenuta radiale (o-ring). Credito immagine: Merit Sensor

Grazie alla semplice tenuta e ai collegamenti elettrici, i sensori di pressione delle serie TR e TVC sono stati progettati per integrarsi perfettamente in tubazioni complesse di sistemi di fluidi e connettori rapidi grazie all'affidabile tenuta frontale e radiale.

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Riferimenti

1. Lutsey, N. & Nicholas, M. Aggiornamento sui costi dei veicoli elettrici negli Stati Uniti fino al 2030. (2019).
2. Global EV Outlook 2021 – Analisi. AIE https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2021.
3. Quanto sono verdi le auto elettriche? | Ambiente | Il guardiano.
4. Costi di esercizio dei veicoli elettrici: quanto costa acquistare e far funzionare un'auto elettrica | OVO Energia. https://www.ovoenergy.com/guides/energy-guides/how-much-does-it-cost-to-charge-and-run-an-electric-car.html, https://www.ovoenergy.com/guides/energy-guides/how-much-does-it-cost-to-charge-and-run-an-electric-car.html.
5. Quanto tempo prima di rimanere senza combustibili fossili? Il nostro mondo in dati https://ourworldindata.org/how-long-before-we-run-out-of-fossil-fuels.
6. I veri ostacoli all'adozione dei veicoli elettrici. MIT Sloan https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/real-barriers-to-electric-vehicle-adoption.
7. Feng, X., Ren, D., He, X. e Ouyang, M. Mitigazione della fuga termica delle batterie agli ioni di litio. Joule 4, 743-770 (2020).
8. Chen, D., Jiang, J., Kim, G.-H., Yang, C. & Pesaran, A. Confronto di diversi metodi di raffreddamento per le celle della batteria agli ioni di litio. Ingegneria termica applicata 94, 846-854 (2016).
9. Progettazione di sistemi di raffreddamento a liquido diretto e indiretto per pacchi batteria agli ioni di litio ad alta capacità e potenza elevata su JSTOR. https://www.jstor.org/stable/26169002.

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