En los coches eléctricos, una buena gestión térmica es un factor primordial para conseguir una buena autonomía. El motivo es que se trata de vehículos tan eficientes que cualquier pequeño desperdicio de energía se va a traducir en una merma en la máxima distancia que podemos recorrer.
Por ese motivo, el sistema de refrigeración de los componentes mecánicos y de climatización del habitáculo de un coche eléctrico es sensiblemente más sofisticado y complejo que el de un coche térmico. Esa complejidad se traduce en que, al abrir el vano motor, encontramos un montón de conductos y válvulas que parecen llevar fluidos de un lado para otro. Y la pregunta es… ¿cómo funciona todo ese entramado?
Para responderla, contamos con una maqueta del sistema de refrigeración del nuevo Kia EV9, un todocamino grande con un enfoque lujoso y un sistema de refrigeración y climatización realmente sofisticado, que incluso incluye una unidad específica para las segunda y tercera filas.
El Kia EV9, por cierto, ya está disponible desde 85.100 euros, y cuenta con 385 CV de potencia, una batería de 100 kWh de capacidad neta, tracción a las cuatro ruedas y configuraciones de seis o siete plazas. Con una longitud de 5,015 metros y un interior absolutamente premium, es la única alternativa eléctrica a modelos como el Tesla Model X (y además, cuesta menos).
Muchas fuentes y una bomba de calor
En un coche eléctrico, el reto de la refrigeración y la climatización consiste en mover calor de la manera más eficiente posible. Esencialmente, las fuentes de calor son las siguientes.
- El habitáculo, del que hay que extraer calor en verano e inyectar calor en invierno.
- La electrónica, de la que hay que extraer calor siempre para mantenerla a una temperatura de unos 60 grados como máximo.
- El motor, del que hay que extraer calor siempre para mantenerlo a una temperatura inferior a 90 grados.
- La batería, que hay que poder calentar en invierno para poder conseguir buenas velocidades de recarga… y enfriar durante el funcionamiento normal para mantener las celdas a unos 35 grados de temperatura.
- El ambiente… que es una fuente y sumidero infinitos de calor, pero cuya temperatura no podemos controlar.
El reto consiste en conseguir satisfacer todas las necesidades de refrigeración y calefacción vertiendo o tomando la mínima cantidad posible de energía del ambiente, porque cada caloría que cedamos al exterior son Wh de energía de batería que estamos desperdiciando.
Para conseguir resolver el puzle, los coches eléctricos más avanzados cuentan con cuatro circuitos de refrigeración independientes (batería, electrónica, motor y habitáculo), intercambiadores de calor (que permiten transferir energía entre los circuitos) y una bomba de calor que es capaz de tomar energía del ambiente e introducirla en el sistema y viceversa.
El caso particular del KIA EV9
En el Kia EV9 encontramos todos los elementos que hemos mencionados… más uno extra: los denominados calefactores PTC o Positive Temperature Coefficient. Se trata de resistencias eléctricas que proporcionan calor de una manera no muy eficiente pero sí muy rápida y efectiva, y que se utilizan para dar el primer golpe de calor. Un ejemplo de esa situación sería, por ejemplo, el calentar el habitáculo cuando se arranca el coche en condiciones muy frías, en las que el retraso en la respuesta de la bomba de calor sería inaceptable.
La unidad HVAC del KIA EV9
La unidad de climatización o HVAC del EV9 funciona como el split de un sistema de aire acondicionado con bomba de calor doméstico. Incorpora un ventilador y un componente que puede funcionar tanto como evaporador como condensador.
Cuando evapora gas de refrigeración en su interior, extrae calor de habitáculo. Cuando lo condensa, vierte calor al habitáculo. Esta unidad HVAC cuenta también con un circuito de agua que puede recibir calor del circuito de refrigeración del motor y la electrónica. Y finalmente cuenta con un calefactor PTC (de 7 kW de potencia) que puede calentar directamente el aire.
La unidad trasera HVAC trasera del KIA EV9
La unidad trasera de climatización del EV9 presta servicio a la segunda y tercera fila y es un poco más sencilla. De entrada, no es capaz de coger aire del exterior, sino que absorbe aire del habitáculo. Ese aire puede enfriarse en un evaporador (similar al de la unidad HVAC delantera) o calentarse mediante un calefactor PTC de 4 kW de potencia.
Los intercambiadores de calor del Kia EV9
Estos componentes permiten transferir energía de un fluido caliente a otro más frio. Por su interior circula el refrigerante de los cuatro circuitos que hemos mencionado: motor, electrónica, batería y habitáculo. Regulando la cantidad de flujo es posible trasladar calor del motor y la electrónica al habitáculo o la batería.
Los radiadores del Kia EV9
El Kia EV9 cuenta con dos radiadores. El más grande está conectado a los sistemas de refrigeración de motor, electrónica y batería, y su función es ceder calor al ambiente. Este radiador grande funciona solo con líquido, y eso significa que sólo funciona en una dirección: sólo es capaz de ceder calor al ambiente.
Motor y electrónica pueden funcionar a más temperatura de la que jamás vamos a soportar en el exterior, de manera que el único requisito de diseño es que sea lo bastante grande como para enfriar esos elementos cuando la diferencia de temperatura es mínima (por ejemplo, en un desierto y a 50 grados).
El segundo radiador, más pequeño, es un poco más complicado. Por él circula el refrigerante del climatizador, y en su interior pueden ocurrir dos cosas diferentes. Cuando necesitamos coger calor del ambiente, lo que hacemos es que inyectamos el refrigerante líquido y dejamos que se convierta en gas dentro del radiador. Esta operación requiere captar calor de la atmósfera. Después, el calor captado se extrae condensando el gas en el HVAC principal.
En cambio, cuando necesitamos frio, lo que hacemos es comprimir gas refrigerante en el radiador hasta que se condensa. Esta operación obliga al gas a ceder el calor que ha captado en el HVAC a la atmósfera.
El compresor del Kia EV9
Para condensar el gas, ya sea en el HVAC o en el radiador delantero, necesitamos comprimirlo. De eso se encarga esta unidad eléctrica a alta tensión… que es muy parecida a la que podemos encontrar en cualquier aire acondicionado doméstico.
Y aún se podría complicar más…
El Kia EV9 utiliza un intercambiador de calor para enfriar la batería… y un calefactor PTC para calentarla. Sin embargo, podríamos ir más allá, montando un evaporador específico para la batería que permitiera calentar o enfriar el refrigerante de la batería sin recurrir a intercambiadores de calor.
Mas allá incluso de eso, ya hay marcas que empiezan a utilizar lo que se denomina refrigeración directa en sus baterías. Esto implica que la batería se calienta y enfría utilizando directamente fluido refrigerante.
De esta forma, la temperatura de la batería no está controlada por una mezcla de agua y glicol, sino por un refrigerante que se puede evaporar en la batería (para enfriarla) o condensar dentro de la misma (para calentarla). Esta solución elimina un intermediario (el intercambiador de calor) y permite acondicionar la batería de una manera aún más eficiente. .
La opinión de Autofácil…
La climatización de los vehículos eléctricos es radicalmente más compleja que la de un coche convencional, dotado de un motor térmico. Durante años, los coches se han aprovechado del hecho de que un motor térmico desperdicia el 70% de la energía del combustible (como mínimo) en forma de calor… de manera que la calefacción nunca ha sido un problema.
Un coche eléctrico cuenta con diferentes zonas que deben, además, estar a distintas temperaturas. Eso implica que motor, electrónica, batería y habitáculo deben contar con su propio sistema de acondicionamiento.
Además, los sistemas de propulsión eléctricos son tan eficientes que no existen fuentes de calor ‘gratuitas’. Por supuesto que los motores eléctricos, la electrónica de potencia y la batería generan pequeñas cantidades de calor… y claro que ese calor se puede aprovechar de manera inteligente.
Sin embargo, en una máquina con una eficiencia global cercana al 90% (el triple que un coche con motor de combustión) cada grado de cada litro de refrigerante se debe administrar con inteligencia para que, durante el funcionamiento, la cantidad de calor vertido al ambiente sea mínimo, porque cada caloría, cada julio y cada Wh de energía cuenta para llegar más lejos.
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