Deformación en conducto de aire: causa radica en software
En el dinámico mundo de la movilidad eléctrica, donde la innovación y la fiabilidad deben avanzar de la mano, incluso los sistemas más avanzados pueden enfrentar desafíos inesperados. Un caso reciente, surgido del análisis de un componente aparentemente secundario —el conducto de aire caliente en un sistema de climatización por bomba de calor de expansión directa— se ha convertido en un ejemplo emblemático de cómo un problema físico puede tener su origen en una lógica de control mal calibrada, y no en un fallo de hardware.
Este hallazgo, derivado de un riguroso proceso de diagnóstico llevado a cabo por ingenieros de Jiangxi Jiangling Group New Energy Vehicle Co., Ltd., no solo resolvió un problema puntual en un modelo de vehículo eléctrico (VE), sino que también sentó un precedente para la gestión de sistemas térmicos en automóviles modernos, donde el software juega un papel determinante en la integridad de los componentes físicos.
La bomba de calor ha emergido como una tecnología clave en la evolución de los vehículos eléctricos, especialmente en climas fríos, donde la eficiencia energética del sistema de calefacción directamente impacta en la autonomía. Mientras que los sistemas tradicionales de calefacción por resistencia (PTC) consumen energía eléctrica de la batería de manera directa, las bombas de calor trasladan calor del entorno al interior del vehículo, logrando una relación de eficiencia mucho más favorable. En China, por ejemplo, la penetración de sistemas de bomba de calor en vehículos nuevos de energía ha pasado del 11% en 2020 al 38% en 2022, una tendencia que refleja una adopción acelerada impulsada por la necesidad de maximizar el rendimiento energético.
Sin embargo, con este crecimiento viene una mayor responsabilidad en cuanto a la fiabilidad a largo plazo. A pesar de su importancia, los estudios detallados sobre fallos en campo de estos sistemas son escasos en la literatura técnica pública. La mayoría de las investigaciones se centran en simulaciones, optimización de ciclos termodinámicos o pruebas de laboratorio, dejando un vacío en el análisis de fallos reales que involucran interacciones complejas entre hardware, materiales y software.
Fue precisamente en este espacio donde surgió un caso crítico: un número limitado de vehículos comenzó a reportar deformaciones visibles en el conducto de aire caliente, específicamente en la sección cercana a la salida del calentador PTC (Coeficiente de Temperatura Positiva). Los técnicos de servicio observaron que el material plástico del conducto mostraba signos de ablandamiento y distorsión, junto con un cambio de color amarillento en las juntas de goma de las compuertas mezcladoras. Aunque el sistema seguía funcionando y no representaba un riesgo inmediato de seguridad, el fenómeno indicaba un problema de durabilidad que, de no abordarse, podría escalar a reclamaciones masivas o afectar la percepción de calidad del producto.
La primera hipótesis apuntó hacia un fallo de material. ¿Podría el plástico del conducto no soportar las temperaturas de operación? ¿Había una contaminación externa o un defecto en la fabricación? O, peor aún, ¿se trataba de un incendio interno causado por un objeto inflamable?
Para responder a estas preguntas de manera sistemática, el equipo de ingeniería, liderado por Hu Chaochang, aplicó el método de Análisis del Árbol de Fallos (FTA, por sus siglas en inglés), una técnica deductiva ampliamente utilizada en industrias de alto riesgo para identificar todas las causas posibles de un modo de fallo. El FTA permitió estructurar el problema —la deformación del conducto— en una jerarquía de factores potenciales, desde fallas electrónicas hasta condiciones ambientales extremas.
La primera rama del árbol evaluó la posibilidad de un fallo en la unidad de control de aire acondicionado (ACCU). Este módulo es responsable de gestionar todo el sistema térmico: velocidad del compresor, flujo de refrigerante, operación del ventilador y activación del calentador PTC. Si la ACCU no desactivaba el PTC en el momento adecuado, el calentamiento prolongado podría causar una acumulación excesiva de calor. Para verificarlo, el equipo realizó pruebas en banco con el controlador del vehículo defectuoso, simulando múltiples escenarios de operación. Los resultados mostraron que el controlador respondía correctamente a las señales de temperatura y emitía órdenes de apagado según lo programado. No se detectó ningún malfuncionamiento en el hardware del controlador, descartando esta causa.
A continuación, el enfoque se dirigió al conjunto HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado). Varias piezas internas podrían teóricamente contribuir a una sobrecalentamiento: la compuerta mezcladora, que dirige el flujo de aire entre el intercambiador de calor y los conductos de derivación, podría haber quedado atascada en una posición que bloqueara la salida del aire caliente. Alternativamente, un fallo en el motor del ventilador o en su módulo de control podría haber interrumpido el flujo de aire mientras el PTC seguía activo —una condición conocida como «fuego en seco»—, lo que puede elevar rápidamente la temperatura más allá de los límites seguros.
Cada una de estas posibilidades fue sometida a pruebas rigurosas. El conjunto HVAC fue extraído del vehículo y montado en un banco de pruebas que replicaba condiciones reales de operación. El movimiento y la retroalimentación de posición de la compuerta mezcladora fueron verificados durante múltiples ciclos, sin detectar atascos ni desviaciones. El motor del ventilador fue operado en sus siete velocidades durante 1,5 horas cada una, monitoreando constantemente el consumo de corriente, el caudal de aire y el aumento de temperatura. No se observó degradación ni fallo. Del mismo modo, el módulo de control de velocidad mantuvo un rendimiento estable en todas las pruebas.
Otra posibilidad, más sutil, era un fallo en el sensor de temperatura del PTC. Este componente proporciona retroalimentación en tiempo real a la ACCU sobre la temperatura del aire de salida, permitiendo un control en bucle cerrado. Si el sensor fallaba —por cortocircuito, circuito abierto o valores de resistencia inexactos— podría inducir a la unidad de control a creer que el sistema estaba más frío de lo que realmente era, provocando un calentamiento continuo. Para evaluar esto, el equipo midió la resistencia del sensor a temperatura ambiente y la encontró dentro de los parámetros especificados (7,45 kΩ, frente a un promedio de 7,40 kΩ en una muestra de sensores nuevos). Más importante aún, se sometieron tanto el sensor defectuoso como unidades de referencia a temperaturas elevadas en una cámara controlada, incrementando de 70°C a 120°C en pasos de 5 grados. En cada intervalo, los valores de resistencia permanecieron consistentes con las curvas esperadas de un termistor, descartando cualquier deriva térmica.
Con los componentes de hardware descartados, la investigación se centró en factores externos. ¿Podría haber una fuente de fuego externa, como un cigarrillo encendido o residuos inflamables, que hubiera causado la deformación? La inspección visual no reveló señales de combustión, como hollín, cenizas o pérdida de material estructural, solo amarilleo y ablandamiento, consistentes con envejecimiento térmico prolongado. Para confirmarlo, el equipo realizó una prueba de combustión controlada con una muestra del material de la junta de la compuerta mezcladora, hecho de elastómero termoplástico. Al exponerlo a llama directa, el material se carbonizó y se consumió progresivamente, a diferencia del amarilleo observado en los vehículos, lo que confirmó que no hubo combustión, eliminando esta hipótesis.
Otra hipótesis fue que el material del conducto carecía de resistencia térmica adecuada. El cuerpo del HVAC está fabricado típicamente en polipropileno (PP) o una variante reforzada para aplicaciones automotrices. Aunque el PP estándar comienza a ablandarse alrededor de 130°C, los materiales de grado automotriz incluyen aditivos que aumentan su rango operativo. Para evaluarlo, el equipo sometió el conjunto a temperaturas sostenidas de 100°C, 115°C, 130°C y 140°C durante dos horas cada una. No se produjo deformación, incluso a 140°C, demostrando que el material era capaz de soportar condiciones térmicas superiores a las normales de operación.
En este punto, todas las causas plausibles de hardware y ambientales habían sido descartadas. La única rama restante del árbol de fallos apuntaba al software: específicamente, a la estrategia de control integrada en el firmware del ACCU. Esta era una hipótesis significativa, ya que los problemas de software son más difíciles de detectar y requieren herramientas de diagnóstico especializadas.
Al recuperar la versión de software del controlador del vehículo defectuoso, el equipo descubrió que estaba ejecutando una versión temprana de calibración, etiquetada como A03. Esta versión pertenecía al lanzamiento inicial de producción y había sido superada por una versión más reciente, A06, que incluía varias mejoras en la gestión térmica.
Un análisis comparativo reveló diferencias críticas. En la versión A03, la lógica de apagado del PTC se basaba en una reducción gradual de potencia una vez alcanzada la temperatura objetivo. Además, el umbral de protección por sobrecalentamiento estaba fijado en 120°C, un valor relativamente alto considerando la proximidad de componentes plásticos. Lo más importante: cuando el sistema se apagaba, el ventilador se detenía inmediatamente, atrapando el calor residual en el conducto.
En contraste, la versión A06 introdujo tres mejoras clave: (1) una estrategia más agresiva de reducción de potencia al alcanzar la temperatura máxima de salida, (2) un umbral de corte por sobrecalentamiento reducido a 100°C, y (3) una secuencia de apagado retrasada del ventilador. Específicamente, cuando el sistema se desconectaba, el ventilador continuaba funcionando a velocidad 3 durante 15 segundos después de que el PTC se desactivara, permitiendo que el calor residual se expulsara del conducto.
Para validar el impacto de estos cambios, el equipo realizó una prueba comparativa. Instalaron el controlador A03 en un vehículo de prueba y monitorearon la temperatura de salida del PTC con dos termopares colocados dentro del conducto. Cuando el sistema alcanzó su temperatura objetivo y se apagó, la temperatura máxima registrada después del apagado alcanzó 165°C —exactamente el punto de fusión del material del conducto (PP-TD20), que se ablanda alrededor de los 155°C y tiene una temperatura de uso continuo máxima de 140°C.
En la misma configuración con el controlador A06, la temperatura máxima después del apagado se limitó a 102°C, bien dentro del rango seguro del material. La operación retrasada del ventilador disipó eficazmente el calor residual, previniendo la acumulación térmica.
Este hallazgo fue concluyente. La causa raíz de la deformación del conducto no fue un defecto en materiales, ensamblaje o componentes individuales, sino una estrategia de control de software desactualizada que permitía una acumulación excesiva de calor durante el apagado del sistema. Aunque la versión A03 funcionaba adecuadamente durante la operación normal, su falta de una lógica robusta de enfriamiento post-ciclo creaba un riesgo latente bajo ciertas condiciones —especialmente después de ciclos de calefacción prolongados seguidos de un apagado abrupto.
Con esta información, el fabricante inició una acción de campo. Se realizó una auditoría de versiones de software en todos los vehículos equipados con el sistema de bomba de calor afectado. Aquellos que aún ejecutaban la versión A03 fueron identificados y programados para actualizaciones OTA (over-the-air) o en concesionarios a la versión A06. No fue necesario reemplazar ningún componente físico, minimizando costos e inconvenientes para los clientes.
Las implicaciones de este caso trascienden un modelo o una revisión de software específica. Ilustra la creciente complejidad de los sistemas automotrices modernos, donde el software ya no es un componente periférico, sino un determinante central de la fiabilidad. A medida que los vehículos se electrifican y conectan, la interacción entre algoritmos de control y componentes físicos se intensificará. Un retraso aparentemente menor en el apagado del ventilador o un umbral de temperatura ligeramente más alto puede tener efectos en cascada en la durabilidad del material y la integridad del sistema.
Además, esta investigación subraya la importancia del monitoreo proactivo en campo y de mecanismos de respuesta rápida. La detección temprana de problemas sutiles —como un ligero amarilleo o una leve deformación— puede prevenir campañas de recall a gran escala o daños reputacionales. También demuestra el valor de metodologías de diagnóstico estructuradas como el FTA, que permiten a los ingenieros navegar por paisajes de fallos complejos sin llegar a conclusiones prematuras.
Para la industria del VE en general, este caso sirve como una advertencia y un ejemplo de buenas prácticas. A medida que la adopción de bombas de calor continúa aumentando, los fabricantes deben asegurarse de que sus estrategias de control no solo sean eficientes, sino también conservadoras desde el punto de vista térmico, especialmente en regiones con inviernos extremos. La modelización térmica y la validación en campo deben incluir no solo el rendimiento en estado estacionario, sino también el comportamiento transitorio durante los ciclos de arranque y apagado.
Además, la gestión del ciclo de vida del software embebido debe evolucionar. Al igual que los vehículos reciben recall de hardware, es probable que necesiten revisiones de software para abordar interacciones imprevistas o efectos de envejecimiento. Las capacidades de actualización OTA, ahora estándar en la mayoría de los VE nuevos, ofrecen una herramienta poderosa para tales intervenciones, permitiendo la implementación rápida de correcciones sin visitas físicas al taller.
En conclusión, la resolución del problema de deformación del conducto de aire caliente en el sistema de bomba de calor de expansión directa de Jiangling ejemplifica el tipo de pensamiento meticuloso y basado en sistemas que requiere la ingeniería automotriz moderna. Lo que parecía un fallo de material o mecánico fue finalmente rastreado hasta un parámetro de control de software, un recordatorio de que en la era de los vehículos inteligentes, la línea entre hardware y software está cada vez más difuminada. Al aplicar métodos analíticos rigurosos y abrazar la mejora continua, los fabricantes de automóviles pueden mejorar tanto el rendimiento como la longevidad de sus sistemas térmicos, asegurando que confort y fiabilidad vayan de la mano.
Hu Chaochang, Wenkui Zhao, Jin Wu, Liwei Chen, Xiyu Ren, Shuyou Liu, Jiangxi Jiangling Group New Energy Vehicle Co., Ltd., Refrigeration, doi: 10.3969/J.ISSN.1005-9180.2024.03.0016