Nova estratégia de bomba de calor melhora desempenho de BEVs em climas frios
A mobilidade elétrica continua a enfrentar um dos seus maiores desafios: manter desempenho confiável e conforto térmico em ambientes rigorosamente frios. À medida que a demanda por veículos elétricos cresce em regiões do norte, os consumidores exigem soluções que garantam autonomia e aquecimento eficiente mesmo quando as temperaturas caem bem abaixo do ponto de congelamento. Um estudo recente publicado no Chinese Journal of Automotive Engineering apresenta um avanço significativo nesse campo, introduzindo uma estratégia de controle inovadora para o sistema de gerenciamento térmico que otimiza o funcionamento de veículos elétricos a bateria (BEV) em condições extremas. Liderado por Dong Zheming e uma equipe de engenheiros do Centro Tecnológico da Dongfeng Motor Group Corporation, a pesquisa demonstra como a integração da recuperação de calor residual com a tecnologia de bomba de calor por ar pode estender os limites operacionais e melhorar a eficiência energética mesmo em climas severamente frios.
O estudo concentra-se em um modelo BEV específico, projetado para uso diversificado que inclui cenários urbanos e off-road. Embora as bombas de calor tenham se tornado comuns em veículos elétricos modernos devido ao seu coeficiente de desempenho (COP) superior em comparação com aquecedores resistivos tradicionais, sua eficácia geralmente diminui abaixo de -10 °C. Essa limitação é causada pela redução da eficiência da troca de calor entre o ar externo e o refrigerante, juntamente com um maior esforço do compressor em temperaturas ambiente baixas. Em climas particularmente severos, alguns sistemas têm dificuldade até mesmo para funcionar, forçando o veículo a depender de aquecedores PTC (coeficiente de temperatura positivo), menos eficientes, que consomem energia diretamente da bateria, acelerando assim a perda de autonomia.
Dong Zheming e sua equipe abordaram esse desafio repensando a arquitetura térmica do veículo. Em vez de depender exclusivamente do ar ambiente como fonte de calor, eles desenvolveram um sistema híbrido capaz de aproveitar o calor residual gerado pelos próprios componentes do veículo, especificamente a bateria, o motor e o controlador do motor. Esses componentes de alta tensão produzem uma quantidade substancial de energia térmica durante a operação, especialmente em condições de condução prolongada. Ao capturar e reutilizar esse calor que de outra forma seria desperdiçado, a equipe criou uma fonte secundária de calor, mais estável e menos dependente das condições climáticas externas.
Essa abordagem de fonte dupla permite que a bomba de calor do veículo funcione eficazmente mesmo quando as temperaturas externas caem drasticamente. A inovação-chave não reside apenas na integração do hardware, mas na estratégia de controle inteligente que determina quando e como cada modo é ativado. O sistema avalia dinamicamente múltiplas entradas, incluindo temperatura ambiente, velocidade do veículo, estado de carga da bateria e demanda de aquecimento da cabine, para determinar a combinação ideal das fontes de calor.
Um dos resultados mais notáveis do estudo é a extensão do limite operacional inferior efetivo da bomba de calor. Tradicionalmente, as bombas de calor por ar em BEVs são consideradas viáveis apenas até cerca de -15 °C. Abaixo desse limite, seu COP diminui significativamente, muitas vezes caindo abaixo do de aquecedores PTC. No entanto, por meio da implementação da estratégia assistida por calor residual, a equipe de Dong Zheming conseguiu estender o limite operacional inferior para -20 °C. Essa melhoria de cinco graus pode parecer modesta na teoria, mas na prática se traduz em ganhos significativos em conforto dos passageiros e autonomia para usuários em regiões como o nordeste da China, onde as temperaturas invernais frequentemente caem abaixo de -15 °C.
A lógica de controle por trás desse avanço é sofisticada, mas pragmática. Quando o veículo é iniciado em condições de frio extremo, o sistema pode inicialmente depender de um breve impulso PTC para elevar as temperaturas do refrigerante a um nível onde a bomba de calor possa operar com eficiência. Assim que os componentes do trem de força começam a gerar calor residual – tipicamente dentro de alguns minutos de condução – o sistema transiciona para o modo de recuperação de calor residual. Nesse estado, a bomba de calor utiliza o refrigerante previamente aquecido pelos circuitos de refrigeração do motor e da bateria como fonte primária de calor, reduzindo drasticamente a necessidade de troca de calor entre o ar e o refrigerante. Isso minimiza o risco de formação de gelo no trocador de calor externo, um problema comum que afeta os sistemas convencionais de bomba de calor por ar em condições frias e úmidas.
A acumulação de gelo é um problema crítico porque isola o trocador de calor, reduzindo sua capacidade de absorver calor do ambiente. Para combater isso, muitos sistemas empregam ciclos de degelo periódicos, que temporariamente invertem o fluxo do refrigerante para derreter o gelo. Embora eficazes, esses ciclos consomem energia adicional e interrompem o aquecimento da cabine, causando flutuações na temperatura interna e um consumo energético maior. Ao minimizar a dependência da unidade externa, a estratégia baseada em calor residual reduz inerentemente a frequência e a duração dos eventos de degelo, contribuindo para uma regulação térmica mais suave e um consumo energético geral menor.
A pesquisa também destaca a importância da integração do sistema e do desenvolvimento de software para alcançar essas melhorias de desempenho. Ao contrário das gerações anteriores de sistemas de gerenciamento térmico que dependiam de controladores separados para o HVAC e a refrigeração da bateria, essa nova arquitetura consolida as funções de controle dentro do Controlador do Domínio de Potência (PDCU). Essa integração permite uma comunicação mais rápida entre os subsistemas e uma tomada de decisões mais coordenada. Por exemplo, se a bateria exigir aquecimento para um desempenho ideal de carregamento enquanto a cabine também precisar ser aquecida, o sistema pode priorizar a distribuição de calor com base em prioridades em tempo real, como se o veículo está em movimento ou conectado a uma estação de carregamento.
Para validar sua abordagem, a equipe da Dongfeng empregou um processo de desenvolvimento rigoroso que combinou simulações unidimensionais, testes de hardware em malha fechada e uma extensa calibração em veículos reais. As simulações iniciais foram usadas para modelar vários cenários de aquecimento sob diferentes condições ambientais, ajudando a identificar as estratégias operacionais mais eficientes energeticamente. Esses modelos previram que, a -7 °C durante um ciclo de teste CLTC (China Light-duty Vehicle Test Cycle), o modo de bomba de calor com apenas calor residual poderia alcançar um COP de 2,95 – significativamente mais alto que o COP de 2,00 do modo apenas por ar. Essa percepção orientou diretamente o design da estratégia de controle, que priorizava a utilização do calor residual sempre que uma quantidade suficiente de energia térmica estivesse disponível do trem de força.
Após a simulação, a equipe realizou testes de desempenho em banco para verificar a funcionalidade em nível de componente. Usando um banco de testes climatizado, eles replicaram condições de condução realistas e mediram parâmetros-chave como saída de calor, temperatura do refrigerante e COP do sistema. Os resultados confirmaram que os componentes selecionados – compressor, condensador e evaporador – atendiam ou superavam as metas de projeto, validando as decisões iniciais de hardware. Mais importante ainda, os testes demonstraram que o software de controle podia modular com precisão as posições das válvulas, as velocidades das bombas e a operação do compressor para manter temperaturas estáveis na cabine enquanto maximizava a eficiência.
A próxima fase envolveu testes em veículos reais através de múltiplas etapas de protótipos. Os primeiros protótipos de teste foram usados para calibração em câmaras ambientais, onde os engenheiros refinaram os parâmetros de controle PID (proporcional-integral-derivativo) para tarefas como manter a pressão-alvo do lado de alta pressão e regular a temperatura da água no núcleo do aquecedor. À medida que o design do veículo amadurecia, protótipos posteriores foram submetidos a testes em estrada em condições reais de frio, incluindo ambientes off-road simulados como lama, areia e terreno rochoso. Esses testes foram cruciais para avaliar a robustez e adaptabilidade do sistema sob cargas e demandas térmicas imprevisíveis.
Um achado particularmente revelador surgiu dos testes em estrada a -7 °C usando o ciclo CLTC. Quando operava no modo apenas por ar, o veículo experimentava quedas de desempenho notáveis durante a condução em alta velocidade devido à acumulação de gelo no trocador de calor externo. Sem uma grade ativa (AGS) para regular o fluxo de ar, o sistema lutava para manter uma saída de calor constante, levando a ciclos de degelo mais longos e reduzindo o conforto dos passageiros. No entanto, quando a estratégia de controle otimizada – priorizando a recuperação do calor residual – foi implementada, o veículo manteve temperaturas estáveis na cabine com dependência mínima do aquecimento de backup PTC. Essa mudança resultou em uma redução mensurável do consumo de energia, traduzindo-se diretamente em uma melhor retenção de autonomia.
Quando o veículo atingiu sua configuração final pré-produção, o sistema de gerenciamento térmico havia passado por múltiplas iterações de refinamento. Dados de fases sucessivas de testes mostraram uma diminuição constante na potência média do compressor durante o ciclo de teste CLTC a -7 °C – de mais de 1,4 kW em versões iniciais para apenas 0,9 kW no sistema final calibrado. Essa redução de 35,7% no uso de energia do compressor destaca o impacto cumulativo da otimização estratégica, desde a seleção de componentes até o ajuste do software.
O critério final de sucesso foi a retenção de autonomia do veículo em baixas temperaturas. De acordo com o estudo, a configuração final alcançou uma taxa de atenuação de autonomia de 31,2% sob condições CLTC a -7 °C. Embora todos os BEVs experimentem alguma perda de autonomia em climas frios devido ao aumento da resistência ao rolamento, redução da eficiência da frenagem regenerativa e cargas auxiliares, uma redução de 31,2% coloca este modelo entre os veículos de melhor desempenho em sua categoria. Benchmarks da indústria sugerem que muitos veículos elétricos de mercado massivo experimentam perdas de autonomia superiores a 40% sob condições semelhantes, tornando esse resultado particularmente impressionante.
Além dos benefícios imediatos de desempenho, a pesquisa tem implicações mais amplas para o futuro do gerenciamento térmico de veículos elétricos. À medida que os fabricantes de automóveis se esforçam para atender a padrões de eficiência energética cada vez mais rigorosos e às expectativas dos consumidores, sistemas térmicos integrados e de múltiplas fontes provavelmente se tornarão padrão. O trabalho da equipe de Dong Zheming ilustra como estratégias de controle inteligentes podem desbloquear o potencial oculto em componentes existentes do veículo, transformando o calor residual em um recurso valioso em vez de um fardo.
Além disso, o estudo enfatiza a importância de um design de sistema holístico. Em vez de tratar o aquecimento da cabine, o condicionamento da bateria e a refrigeração do motor como funções separadas, a nova abordagem as vê como elementos interconectados de um ecossistema térmico unificado. Essa perspectiva permite uma distribuição de energia mais eficiente, como usar o calor excedente da bateria para aquecer a cabine durante a partida em frio ou direcionar o calor residual do motor para manter a temperatura ideal da bateria durante o carregamento rápido.
Os resultados também têm relevância para mercados globais além da China. À medida que a adoção de veículos elétricos cresce em regiões de clima frio como Escandinávia, Canadá e norte dos Estados Unidos, soluções que melhorem a usabilidade no inverno serão críticas para a aceitação em massa. Embora alguns veículos elétricos premium já contem com sistemas avançados de bomba de calor, o trabalho da equipe da Dongfeng mostra que benefícios semelhantes podem ser alcançados por meio de engenharia cuidadosa e otimização de software, possivelmente pavimentando o caminho para uma implementação mais ampla em diferentes segmentos de veículos.
Em conclusão, a pesquisa conduzida por Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia e He Qifu representa um avanço significativo no gerenciamento térmico de veículos elétricos. Ao estender o limite operacional dos sistemas de bomba de calor para -20 °C e alcançar uma taxa de retenção de autonomia líder em sua categoria de 31,2% a -7 °C, seu trabalho aborda duas das preocupações mais prementes dos proprietários de veículos elétricos em climas frios. A integração da recuperação de calor residual com uma lógica de controle inteligente não apenas melhora a eficiência energética, mas também aumenta o conforto dos passageiros e a confiabilidade do sistema. À medida que a indústria automotiva continua sua transição para a eletrificação, estudos como este desempenharão um papel vital na configuração da próxima geração de veículos elétricos de alto desempenho e adequados para todas as condições climáticas.
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