Estrategia de bomba de calor mejora rendimiento en frío extremo
La movilidad eléctrica continúa enfrentando uno de sus mayores desafíos: mantener el rendimiento y la comodidad del habitáculo en climas severamente fríos. A medida que los consumidores de regiones del norte exigen vehículos que operen sin problemas durante los inviernos rigurosos, los fabricantes de automóviles se ven obligados a innovar más allá de las soluciones de calefacción tradicionales. Un estudio reciente publicado en la revista Chinese Journal of Automotive Engineering presenta un avance significativo en este campo, describiendo una estrategia de control innovadora para el sistema de gestión térmica que mejora el rendimiento de los vehículos eléctricos de batería (BEV) incluso en condiciones de frío extremo. Liderado por Dong Zheming y un equipo de ingenieros del Centro Tecnológico del Grupo Dongfeng Motor Corporation, la investigación demuestra cómo la integración de la recuperación de calor residual con la tecnología de bomba de calor por aire puede extender los límites operativos y mejorar la eficiencia energética en entornos por debajo de cero.
El estudio se centra en un modelo BEV específico diseñado para condiciones de conducción diversas, incluyendo escenarios off-road y urbanos. Aunque los sistemas de bomba de calor se han vuelto cada vez más comunes en vehículos eléctricos modernos debido a su mayor coeficiente de rendimiento (COP) en comparación con los calentadores resistivos tradicionales, su efectividad generalmente disminuye por debajo de los -10 °C. Esta limitación se debe a la reducción de la eficiencia de intercambio de calor entre el aire exterior y el refrigerante, así como al mayor esfuerzo del compresor en temperaturas ambiente bajas. En condiciones de frío extremo, algunos sistemas apenas pueden operar, lo que obliga a depender de calentadores PTC (coeficiente de temperatura positivo) menos eficientes, que extraen energía directamente de la batería y aceleran la pérdida de autonomía.
Dong Zheming y sus colegas abordaron este desafío replanteando la arquitectura térmica del vehículo. En lugar de depender únicamente del aire ambiente como fuente de calor, desarrollaron un sistema híbrido capaz de aprovechar el calor residual generado por los propios componentes del vehículo, específicamente la batería, el motor y el controlador del motor. Estos componentes de alto voltaje producen una cantidad sustancial de energía térmica durante la operación, especialmente bajo condiciones de conducción prolongada. Al capturar y reutilizar este calor que de otro modo se perdería, el equipo creó una fuente de calor secundaria, más estable y menos dependiente de las condiciones climáticas externas.
Este enfoque de doble fuente permite que la bomba de calor del vehículo funcione eficazmente incluso cuando las temperaturas exteriores descienden drásticamente. La innovación clave no reside únicamente en la integración del hardware, sino en la estrategia de control inteligente que determina cuándo y cómo se activa cada modo. El sistema evalúa dinámicamente múltiples entradas, incluyendo la temperatura ambiente, la velocidad del vehículo, el estado de carga de la batería y la demanda de calefacción del habitáculo, para determinar la combinación óptima de fuentes de calor.
Uno de los logros más destacados del estudio es la extensión del rango operativo efectivo de la bomba de calor. Tradicionalmente, las bombas de calor por aire en BEV se consideran viables solo hasta aproximadamente -15 °C. Por debajo de este umbral, su COP disminuye significativamente, a menudo cayendo por debajo del de los calentadores PTC. Sin embargo, mediante la implementación de la estrategia asistida por calor residual, el equipo de Dong Zheming logró extender el límite operativo inferior a -20 °C. Esta mejora de cinco grados puede parecer modesta en teoría, pero en términos prácticos, se traduce en ganancias significativas tanto en comodidad del pasajero como en autonomía para usuarios en regiones como el noreste de China, donde las temperaturas invernales frecuentemente caen por debajo de -15 °C.
La lógica de control detrás de este avance es sofisticada pero pragmática. Cuando el vehículo se enciende por primera vez en condiciones extremadamente frías, el sistema puede depender inicialmente de un breve impulso PTC para elevar las temperaturas del refrigerante a un nivel donde la bomba de calor pueda operar eficientemente. Una vez que los componentes del tren motriz comienzan a generar calor residual, típicamente dentro de unos minutos de conducción, el sistema transiciona al modo de recuperación de calor residual. En este estado, la bomba de calor utiliza el refrigerante previamente calentado desde los circuitos de refrigeración del motor y la batería como fuente principal de calor, reduciendo drásticamente la necesidad de intercambio de calor aire-refrigerante. Esto minimiza el riesgo de formación de escarcha en el intercambiador de calor exterior, un problema común que afecta a los sistemas convencionales de bomba de calor por aire en condiciones húmedas y congeladas.
La acumulación de escarcha es un problema crítico porque aísla el intercambiador de calor, reduciendo su capacidad para absorber calor del entorno. Para contrarrestar esto, muchos sistemas emplean ciclos de descongelación periódicos, que invierten temporalmente el flujo del refrigerante para derretir el hielo. Aunque efectivos, estos ciclos consumen energía adicional e interrumpen la calefacción del habitáculo, provocando fluctuaciones en la temperatura interior y un mayor consumo energético. Al minimizar la dependencia del intercambiador exterior, la estrategia basada en el calor residual reduce inherentemente la frecuencia y duración de los eventos de descongelación, contribuyendo a una regulación térmica más uniforme y a un menor consumo energético general.
La investigación también destaca la importancia de la integración del sistema y del desarrollo de software para lograr estas mejoras de rendimiento. A diferencia de generaciones anteriores de sistemas de gestión térmica que dependían de controladores independientes para el HVAC y la refrigeración de la batería, esta nueva arquitectura consolida las funciones de control dentro del controlador del dominio de potencia (PDCU). Esta integración permite una comunicación más rápida entre los subsistemas y una toma de decisiones más coordinada. Por ejemplo, si la batería requiere calefacción para un rendimiento óptimo de carga mientras que el habitáculo también necesita calentarse, el sistema puede priorizar la distribución de calor según las prioridades en tiempo real, como si el vehículo está en movimiento o conectado a un cargador.
Para validar su enfoque, el equipo de Dongfeng empleó un proceso de desarrollo riguroso que combinó simulaciones unidimensionales, pruebas de hardware en bucle y una extensa calibración en condiciones reales. Las simulaciones de etapa inicial se utilizaron para modelar diversos escenarios de calefacción bajo diferentes condiciones ambientales, ayudando a identificar las estrategias de operación más eficientes energéticamente. Estos modelos predijeron que a -7 °C durante un ciclo de prueba CLTC (China Light-duty Vehicle Test Cycle), el modo de bomba de calor con solo calor residual podía alcanzar un COP de 2.95, significativamente más alto que el COP de 2.00 del modo solo por aire. Esta información guió directamente el diseño de la estrategia de control, que priorizaba la utilización del calor residual siempre que estuviera disponible una cantidad suficiente de energía térmica del tren motriz.
Después de la simulación, el equipo realizó pruebas de rendimiento en banco para verificar la funcionalidad a nivel de componente. Utilizando un banco de pruebas climatizado, replicaron condiciones de conducción realistas y midieron parámetros clave como la salida de calor, la temperatura del refrigerante y el COP del sistema. Los resultados confirmaron que los componentes seleccionados, incluyendo el compresor, el condensador y el evaporador, cumplían o superaban los objetivos de diseño, validando las decisiones iniciales de hardware. Más importante aún, las pruebas demostraron que el software de control podía modular con precisión las posiciones de las válvulas, las velocidades de las bombas y la operación del compresor para mantener temperaturas estables en el habitáculo mientras maximizaba la eficiencia.
La siguiente fase implicó pruebas en vehículos reales a través de múltiples etapas de prototipos. Los primeros prototipos de prueba se utilizaron para la calibración en cámaras ambientales, donde los ingenieros afinaron los parámetros de control PID (proporcional-integral-derivativo) para tareas como mantener la presión objetivo del lado de alta presión y regular la temperatura del agua del núcleo del calentador. A medida que el diseño del vehículo maduraba, los prototipos posteriores se sometieron a pruebas en carretera en condiciones reales de frío, incluyendo entornos off-road simulados como barro, arena y terreno rocoso. Estas pruebas fueron cruciales para evaluar la solidez y adaptabilidad del sistema bajo cargas y demandas térmicas impredecibles.
Un hallazgo particularmente revelador surgió de las pruebas en carretera a -7 °C utilizando el ciclo CLTC. Cuando operaba en modo solo por aire, el vehículo experimentaba caídas de rendimiento notables durante la conducción a alta velocidad debido a la acumulación de escarcha en el intercambiador de calor exterior. Sin una rejilla activa (AGS) para regular el flujo de aire, el sistema luchaba por mantener una salida de calor constante, lo que llevaba a ciclos de descongelación más largos y una comodidad reducida para los pasajeros. Sin embargo, cuando se implementó la estrategia de control optimizada, priorizando la recuperación del calor residual, el vehículo mantuvo temperaturas estables en el habitáculo con una dependencia mínima del respaldo PTC. Este cambio resultó en una reducción medible del consumo de energía, traduciéndose directamente en una mejor retención de autonomía.
Para cuando el vehículo alcanzó su configuración final pre-producción, el sistema de gestión térmica había pasado por múltiples iteraciones de refinamiento. Los datos de fases sucesivas de pruebas mostraron una disminución constante en la potencia promedio del compresor durante el ciclo de prueba CLTC a -7 °C, desde más de 1.4 kW en versiones iniciales hasta solo 0.9 kW en el sistema final calibrado. Esta reducción del 35.7% en el uso de energía del compresor subraya el impacto acumulativo de la optimización estratégica, desde la selección de componentes hasta el ajuste del software.
El criterio final de éxito fue la retención de autonomía del vehículo a bajas temperaturas. Según el estudio, la configuración final logró una tasa de atenuación de autonomía del 31.2% bajo condiciones CLTC a -7 °C. Aunque todos los BEV experimentan algún grado de pérdida de autonomía en climas fríos debido al mayor resistencia a la rodadura, la reducción de la eficiencia de la regeneración y las cargas auxiliares, una reducción del 31.2% coloca a este modelo entre los vehículos de mejor rendimiento en su clase. Los puntos de referencia de la industria sugieren que muchos vehículos eléctricos de mercado masivo experimentan pérdidas de autonomía superiores al 40% bajo condiciones similares, lo que hace que este resultado sea particularmente impresionante.
Más allá de los beneficios de rendimiento inmediatos, la investigación tiene implicaciones más amplias para el futuro de la gestión térmica de vehículos eléctricos. A medida que los fabricantes de automóviles se esfuerzan por cumplir con estándares de eficiencia energética cada vez más estrictos y con las expectativas de los consumidores, los sistemas térmicos integrados y de múltiples fuentes probablemente se vuelvan estándar. El trabajo del equipo de Dong Zheming ilustra cómo las estrategias de control inteligentes pueden desbloquear el potencial oculto en los componentes existentes del vehículo, transformando el calor residual en un recurso valioso en lugar de una carga.
Además, el estudio enfatiza la importancia de un diseño de sistema holístico. En lugar de tratar la calefacción del habitáculo, el acondicionamiento de la batería y la refrigeración del motor como funciones separadas, el nuevo enfoque las ve como elementos interconectados de un ecosistema térmico unificado. Esta perspectiva permite una distribución de energía más eficiente, como usar el calor excesivo de la batería para calentar el habitáculo durante los arranques en frío o dirigir el calor residual del motor para mantener la temperatura óptima de la batería durante la carga rápida.
Los hallazgos también tienen relevancia para mercados globales más allá de China. A medida que la adopción de vehículos eléctricos crece en regiones de clima frío como Escandinavia, Canadá y el norte de Estados Unidos, las soluciones que mejoran la usabilidad en invierno serán críticas para la aceptación generalizada. Aunque algunos vehículos eléctricos premium ya cuentan con sistemas avanzados de bomba de calor, el trabajo del equipo de Dongfeng muestra que beneficios similares pueden lograrse mediante una ingeniería cuidadosa y la optimización del software, posiblemente allanando el camino para una mayor implementación en diferentes segmentos de vehículos.
En conclusión, la investigación realizada por Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia y He Qifu representa un avance significativo en la gestión térmica de vehículos eléctricos. Al ampliar el rango operativo de los sistemas de bomba de calor a -20 °C y lograr una tasa de retención de autonomía líder en su clase del 31.2% a -7 °C, su trabajo aborda dos de las preocupaciones más apremiantes para los propietarios de vehículos eléctricos en climas fríos. La integración de la recuperación de calor residual con una lógica de control inteligente no solo mejora la eficiencia energética, sino que también aumenta la comodidad del pasajero y la confiabilidad del sistema. A medida que la industria automotriz continúa su transición hacia la electrificación, estudios como este desempeñarán un papel vital en la configuración de la próxima generación de vehículos eléctricos de alto rendimiento y aptos para todo tipo de clima.
Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia, He Qifu, Technology Center of Dongfeng Motor Group Corporation, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.01.08