¿Cómo funciona el aire acondicionado y la calefacción en un coche eléctrico?

¿Cómo funciona el aire acondicionado y la calefacción en un coche eléctrico?

El motor de un automóvil eléctrico no genera calor en abundancia, por lo que los mismos deben utilizar sistemas de calefacción y refrigeración diseñados específicamente. Por otro lado, en todos los vehículos, sean eléctricos o de combustión, es fundamental mantener la temperatura adecuada en el habitáculo durante el invierno y verano, como así también para el uso del desempañador.

 Los compresores de los vehículos eléctricos tienen su propio motor eléctrico incorporado, un inversor que convierte la corriente continua tomada de la batería en corriente alterna. Una de las ventajas de los coches eléctricos es que, como el compresor se alimenta directamente de la batería, se puede hacer funcionar el acondicionador de aire mientras el coche está estacionado, con el motor apagado. 

En los coches eléctricos  también se puede encontrar un sistema de calefacción basado en una bomba de calor, esta  puede funcionar tanto en modo de calefacción como de refrigeración.

Bomba de calor

La bomba de calor es una máquina térmica que toma calor de un espacio frío y lo transfiere a otro más caliente gracias a un trabajo mecánico aportado desde el exterior; es decir, hace lo mismo exactamente que la máquina frigorífica; lo único que cambia es el objetivo. En la máquina frigorífica el objetivo es enfriar y mantener frío el espacio frío, mientras que en la bomba de calor sería lo inverso, es decir mantener caliente el espacio caliente.

Al igual que en la máquina frigorífica, en la bomba de calor el ciclo más empleado es el ciclo Rankine,  que funciona de idéntica forma que aquella, utilizando los mismos refrigerantes, los mismos elementos y las mismas etapas de funcionamiento. Teniendo en cuenta que la misma máquina puede enfriar y calentar, parece coherente utilizar un solo aparato para ambas funciones.

El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John  Rankine. El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor.

El diagrama T-s (temperatura y entropía) de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). El  proceso  es el siguiente ilustrado  para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

Para hacer una bomba de calor reversible, lo único que hay que añadir a la máquina es una válvula inversora de cuatro vías, como la que se representa en la figura de abajo.  La válvula es eléctrica, es decir, accionada por un solenoide. Esta válvula se intercala en el circuito frigorífico y se comanda, generalmente, con un conmutador invierno-verano (frio-calor). Al accionar la válvula se cambia el sentido de circulación del fluido frigorífico, de forma que el evaporador se transforma en condensador y a la inversa.

Durante el verano, el intercambiador de calor situado en el interior hace las veces de evaporador, y de condensador el situado afuera, mientras que en invierno es al contrario. Debido a que tanto un intercambiador como el otro pueden ser evaporador y condensador, en este tipo de máquinas se les denomina unidad interior y unidad exterior.

Los refrigerantes, aunque hay bastantes opciones, solo unos pocos como el 407C, 410A, 134A y algún otro son los elegidos por la mayor parte de los fabricantes y se usan los mismos para todo tipo de máquinas, ya que cubren sobradamente el campo de temperaturas de las instalaciones que se pretender hacer confortables.

Ventajas y desventajas de una bomba de calor

La bomba de calor es un tipo de calefacción cada vez más habitual en los coches eléctricos. Al comprimir y expandir correctamente el medio de calefacción, la energía térmica extraída del exterior se puede utilizar para calentar el habitáculo del vehículo.  Las pruebas en condiciones invernales han demostrado que la bomba de calor requiere menos energía que un sistema tradicional con un calentador eléctrico. Aunque solamente dentro de un cierto rango de temperaturas exteriores.  A temperaturas entre 0 y 10°C, se estima que la bomba de calor consume alrededor de 1 kW de energía, por lo que ahorra 1-2 kW por cada hora de funcionamiento.

Calentador de alto voltaje

El calentador de alto voltaje (HVH) es un dispositivo de tamaño pequeño y un peso de solo 2,7 kg. Sin embargo, es muy eficiente. A diferencia de las bombas de calor, esta tecnología se basa en un modelo de calentamiento de agua, en lugar de calentamiento de aire.  Se puede utilizar tanto para mantener una temperatura agradable en el habitáculo, como para precalentar o enfriar el motor de tracción. El calentador HVH está diseñado para operar en una amplia gama de voltajes de suministro de 100 a 450 V, mientras que su potencia de calentamiento máxima es de hasta 7 kW.  La alta eficiencia de esta solución la hace aplicable a vehículos grandes, como camiones y autobuses. La aplicación más común de esta tecnología es la calefacción eléctrica de estacionamiento de la cabina del conductor, que se usa en sobre todo en camiones.

Bomba de calor controlada por Inverter

Los sistemas con bomba de calor inverter ahorran  energía respecto a otros sistemas que no utilizan este tipo de tecnologías. Principalmente el termino inverter indica que la alimentación del compresor está dotada de un variador de frecuencia que consigue modificar la velocidad a la que gira el compresor. Antiguamente en una máquina de aire acondicionado todo-nada, fijábamos una temperatura de consigna (la temperatura deseada) y cuando la temperatura ambiente subía por encima de esta temperatura, el compresor se ponía en marcha al 100% de su potencia, para bajar dicha temperatura.

En un sistema Inverter se detecta la temperatura ambiente de la sala y se compara con la temperatura deseada (temperatura de consigna). El compresor se pone a su máxima capacidad (máximas revoluciones), mientras la diferencia entre las dos temperaturas (ambiente y consigna) supera los 2ºC, por lo que la temperatura descenderá rápidamente. Una vez la diferencia entre las dos temperaturas se iguala aproximadamente a 2º C el compresor reduce sus revoluciones aproximadamente a un 45 % de las revoluciones máximas. Como consecuencia se reduce la diferencia entre las presiones de aspiración y de descarga del compresor, por lo que se reduce mucho su consumo de energía eléctrica. Se puede ahorrar más de un 40% de la energía dependiendo de su uso y de las características del equipo, dependiendo mucho su eficiencia del diseño y también gracias a la regulación de la frecuencia de funcionamiento del compresor que le permite adaptarse mucho mejor a la demanda.

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                        2024.-