Propiedades termofísicas y gestión térmica de los vehículos eléctricos

Elementos del diseño térmico

Existen múltiples métodos de calefacción y refrigeración que se pueden emplear en un vehículo eléctrico para promover un sistema de gestión térmica estable. Las principales automotrices utilizarán una combinación de técnicas diferentes para aumentar la eficiencia del diseño de sus vehículos eléctricos. Podemos clasificar dos de las técnicas más comunes de refrigeración como métodos pasivos o activos. Existen numerosos estudios que comparan las diferencias entre estos dos métodos de calefacción y refrigeración. Estos concluyeron que se requieren tanto las técnicas activas como las pasivas para que un vehículo eléctrico funcione en un amplio rango de temperatura. La mayoría de los primeros modelos de vehículos eléctricos utilizaban aire para la calefacción y la refrigeración del paquete de la batería; sin embargo, en los últimos estudios se demostró que este método convencional de disipación de calor es insuficiente, en particular para los módulos de baterías más grandes. Un calentador eléctrico puede ser una alternativa para calefaccionar baterías, en especial en ambientes con temperaturas más bajas. El uso de un líquido refrigerante, como el fluido dieléctrico de los transformadores, también supera al aire para calefaccionar y refrigerar una batería. Un sistema refrigerador dedicado puede resultar extremadamente útil para mantener el líquido refrigerante a una temperatura ideal al conducir. La desventaja de incorporar equipos grandes, como un sistema de refrigeración o un evaporador, en el diseño de un vehículo eléctrico es que pueden ser extremadamente abultados, complejos y costosos. Idealmente, un sistema de gestión térmica debería ser liviano, fácil de embalar, confiable y efectivo en cuanto al costo.

Calefacción y refrigeración de la cabina

Mantener una temperatura agradable y uniforme en la cabina también puede contribuir al funcionamiento más fluido y eficiente del vehículo eléctrico. Los vehículos a gasolina reutilizan el calor del escape del motor para producir el aire caliente que se emplea para calefaccionar la cabina. Un vehículo eléctrico no cuenta con esta fuente de calor, por lo que utilizará la energía general de la batería para regular la temperatura de la cabina. Los aires acondicionados convencionales emplean un calentador eléctrico como fuente de energía. Este tipo de calefacción aumentará en gran medida el consumo de energía y agotará la batería del automóvil, por lo que no resultará en una opción deseable para usar en un vehículo eléctrico debido a la significativa reducción en su autonomía. La bomba de calor es una alternativa al aire acondicionado convencional. Este sistema se utiliza frecuentemente para calefaccionar y refrigerar la cabina de un vehículo eléctrico y tiene un impacto mínimo en su autonomía. Una bomba de calor puede regular la temperatura en el interior de la cabina del automóvil, utilizando la diferencia de temperatura entre un refrigerante y el aire externo. Esto brinda un efecto de calefacción sin consumir demasiada energía. El condensador externo, uno de los principales componentes de la bomba de calor, absorbe el calor de la atmósfera y lo comprime para crear aire forzado a alta temperatura. Luego, el aire frío en la cabina se calienta a medida que ingresa el aire caliente comprimido desde las rejillas del aire acondicionado. Una vez que se descomprime el calor a una temperatura menor, se libera hacia el exterior del auto. Durante el verano, se absorbe el calor desde el interior de la cabina y se libera al exterior a través del condensador externo. Estos sistemas bidireccionales de calefacción y refrigeración hacen que la bomba de calor se destaque frente a otros métodos convencionales que solo utilizan aire.

Materiales utilizados en la cabina

Un componente adicional de los vehículos eléctricos que puede tener un rol crítico para mantener la eficiencia de un sistema de gestión térmica interior se relaciona con la efusividad térmica (efusión térmica) de los materiales utilizados en el interior de los mismos. La efusividad térmica describe la sensación de frío o calor al tocar un material, lo que explica la razón por la cual el metal se siente más frío al tacto que la madera, aun cuando estos dos materiales diferentes estén expuestos a la misma temperatura circundante. La transferencia de calor que se produce desde la piel hasta el metal ocurre más rápido que la transferencia de calor entre la piel y la madera. La efusividad térmica es igual a la raíz cuadrada del producto de la conductividad térmica y la capacidad térmica de un material. Un material con alta conductividad térmica también tiene una elevada efusividad térmica. Por ejemplo, la conductividad térmica de la plata es 406 W/(m/K) y presenta una efusividad térmica de 32 520 W√s/m²K. La relación entre estas dos propiedades térmicas es evidente al comparar estos valores con los de la madera. La madera posee una conductividad térmica promedio de 0,194 W/(/K) y una efusividad térmica de 526 W√s/m²K. Los interiores del vehículo, como la espuma o los polímeros, exhiben propiedades térmicas similares a la madera. Con frecuencia, se los elige durante el diseño del vehículo debido a su capacidad de ahorro de energía por tener baja conductividad térmica y efusividad térmica. Esta medición se puede utilizar para diseñar materiales que transmitan sensación de calidez a cualquier temperatura de cabina, lo que reduciría el nivel de calefacción necesario de la superficie activa o de toda la cabina para generar la misma sensación y, a su vez, reduciría el consumo de energía. La efusividad térmica se puede utilizar también para lograr una sensación de frescura en los elementos del interior, utilizando materiales sintéticos para lograr el equivalente auténtico.