Calefacción y Aire acondicionado en autos eléctricos ¿Cómo afectan la autonomía?

La climatización en vehículos eléctricos es una gran preocupación para los ingenieros que desarrollan autos eléctricos a diferencia de los que fabrican vehículos con motor de combustión interna.

En los vehículos con motor de combustión interna, el calor residual generado por el motor durante su funcionamiento se aprovecha eficientemente para calentar el habitáculo, constituyendo una fuente de energía térmica prácticamente "gratuita" y abundante.

Por el contrario, los motores eléctricos, debido a su funcionamiento, disipan una cantidad mínima de calor que no llega a poder aprovecharse para calefaccionar un habitáculo.

Esta ausencia de una fuente de calor residual significativa obliga a los vehículos eléctricos a depender de sistemas de calefacción eléctricos dedicados para mantener el confort térmico en la cabina.

Por el contrario, cuando queremos enfriar el interior de un vehículo, en los de combustión interna se debe luchar con la generación del calor del motor y el accionar de un compresor para ello aumenta el consumo de combustible durante la marcha.

Eso no pasa en los vehículos eléctricos, que al no tener calor generado por el motor, con el solo accionar de pequeños compresores eléctricos pueden refrigerar un habitáculo con mucho menor esfuerzo, reduciendo así el consumo de energía.

¿Cómo funciona la calefacción en un vehículo eléctrico?

La calefacción del habitáculo de un vehículo eléctrico debe generarse activamente, consume energía directamente de la batería de tracción principal. Esto significa que cada kilovatio-hora (kWh) utilizado para calentar el interior del vehículo es un kWh que no está disponible para la propulsión, lo que reduce su autonomía.

El equilibrio entre el confort de los ocupantes y la maximización de la autonomía es un objetivo central en la gestión térmica de los vehículos eléctricos.

En estos, cada pequeña partícula de energía debe gestionarse con la máxima eficiencia y es clave para minimizar la pérdida de autonomía atribuible a los sistemas auxiliares.

Tipos de calefacción para vehículos eléctricos

Calefacción por Resistencias (PTC - Coeficiente de Temperatura Positivo)

Principios de Funcionamiento y Componentes

La calefacción por resistencias en vehículos eléctricos, comúnmente conocidos como calentadores PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo), operan mediante la conversión directa de energía eléctrica en calor, un principio igual al de una estufa eléctrica doméstica o un secador de pelo.

Estos son nada más y nada menos que resistencias eléctricas que al brindarles electricidad se calientan y a medida que alcanzan una temperatura predefinida el calor generado se transfiere al aire o a un líquido refrigerante, que es posteriormente circulado al habitáculo o al sistema de gestión térmica de la batería mediante ventiladores o bombas, respectivamente.

Ventajas y Desventajas de la calefacción por resistencia

Los calentadores PTC ofrecen varias ventajas operativas. Proporcionan una generación de calor casi inmediata al activarse, lo que se traduce en un rápido confort para los ocupantes.

Su diseño es simple, lo que los hace relativamente económicos de fabricar e instalar, y su funcionamiento directo contribuye a una alta fiabilidad con pocos componentes móviles.

Además, pueden operar de forma independiente del estado de movimiento del vehículo, lo que permite calentar el habitáculo incluso cuando el coche está estacionado.

Consumo elevado de energía

Sin embargo, su principal desventaja radica en su baja eficiencia energética. Por cada 1 kW de energía eléctrica consumida, un calentador PTC produce aproximadamente 1 kW de calor, lo que se traduce en un Coeficiente de Rendimiento (COP) de 1.

Esta conversión directa implica que extraen una cantidad significativa de energía directamente de la batería de tracción principal.

Esta alta demanda energética conduce a una considerable reducción de la autonomía del vehículo, un efecto particularmente acentuado en condiciones de mucho frío.

La simplicidad y el bajo costo de los calentadores de resistencia los convirtieron en una opción inicial para la calefacción de los vehículos eléctricos, pero su ineficiencia entró en conflicto directo con el objetivo fundamental que es el de maximizar la autonomía.

Capacidades calóricas típicas y rangos de voltaje

La potencia de salida típica de los calentadores PTC en automóviles eléctricos varía generalmente entre 1.5 kW y 3 kW, cubriendo tanto la calefacción del habitáculo como la gestión térmica de la batería.

Pero como mencionamos, el rango de conversión calórica es de 1 Kw de energía consumida produce 1 KW de calor.

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Bombas de calor: principios de funcionamiento

Esta contraposición entre el costo inicial/simplicidad y la eficiencia operativa ha impulsado a la industria a buscar soluciones más complejas pero energéticamente más eficientes, como las bombas de calor.

Los calentadores PTC son sencillos y calientan el habitáculo de inmediato. Sin embargo, como transforman directamente la electricidad de la batería en calor, toda esa energía se consume de una fuente limitada.

En los vehículos eléctricos, donde la autonomía depende directamente de la energía disponible en la batería, usar mucho la calefacción reduce notablemente cuántos kilómetros puedes recorrer.

Esta realidad ha llevado a que los fabricantes estén abandonando este sistema en favor de otros más eficientes. La demanda del mercado de una mayor autonomía los impulsa hacia soluciones más complejas y de mayor eficiencia.

Las bombas de calor operan como ciclos de refrigeración reversibles, un principio similar al de los sistemas de aire acondicionado domésticos, pero con la capacidad de proporcionar tanto calefacción como refrigeración.

En el modo de calefacción, el sistema extrae energía térmica existente de una fuente más fría, como el aire ambiente exterior (incluso a temperaturas bajo cero) o el calor residual generado por otros componentes del vehículo eléctrico, como la batería, el motor o el inversor.

Esta energía térmica se transfiere luego a un área más cálida, que es el habitáculo del vehículo.

El proceso se basa en un ciclo termodinámico que involucra un refrigerante. Este refrigerante absorbe calor en el evaporador, cambiando de estado líquido a gaseoso.

Posteriormente, el gas refrigerante es comprimido, lo que aumenta significativamente su temperatura y presión. El gas caliente pasa luego por el condensador, donde cede su calor al aire que se introduce en el habitáculo, volviendo al estado líquido.

Finalmente, el líquido refrigerante se expande a través de una válvula, reduciendo su temperatura y presión, y preparándose para reiniciar el ciclo.

Componentes clave de la Bomba de calor

Los componentes centrales de una bomba de calor incluyen un compresor, un evaporador, un condensador y una válvula de expansión, todos interconectados dentro de un circuito cerrado de refrigerante.

Los sistemas modernos de los vehículos eléctricos a menudo incorporan intercambiadores de calor adicionales, como los "chillers", y bloques de válvulas sofisticados.

Estos elementos permiten gestionar de forma inteligente la transferencia de calor entre múltiples circuitos, como el del habitáculo, el de la batería y el de la electrónica de potencia, optimizando así la eficiencia del sistema térmico integral del vehículo.

Ventajas y Desventajas de las bombas de calor en vehículos eléctricos

La principal ventaja de las bombas de calor es su eficiencia energética superior. A diferencia de los calentadores de resistencia, que tienen una conversión 1 a 1, las bombas de calor pueden producir varias unidades de calor por cada unidad de energía eléctrica consumida.

Esto se traduce en un consumo energético sustancialmente menor para la climatización, lo que a su vez incrementa la autonomía del vehículo, especialmente en invierno.

Además de la calefacción, su naturaleza reversible les permite funcionar como sistemas de aire acondicionado, ofreciendo un confort térmico constante durante todo el año. También contribuyen a la longevidad de la batería al ayudar a mantenerla en su rango de temperatura óptimo.

Sin embargo, las bombas de calor presentan algunas desventajas. Son sistemas más complejos y costosos de fabricar e instalar en comparación con los calentadores de resistencia, lo que puede repercutir en un aumento del precio final del vehículo.

También pueden tener un tiempo de respuesta inicial ligeramente más lento para calentar el habitáculo en comparación con la inmediatez de los elementos de resistencia.

Y un factor importante es que su eficiencia puede disminuir en temperaturas extremadamente bajas (por ejemplo, por debajo de -10°C a -25°C), y en estas condiciones, pueden requerir la asistencia de calefacción resistiva suplementaria para mantener el confort deseado, pero por suerte en Argentina estas condiciones son poco comunes.

La adopción de bombas de calor en los vehículos eléctricos representa una evolución significativa en la tecnología de gestión térmica. Se observa un cambio de un simple consumo de energía a una sofisticada recolección y redistribución de la energía disponible.

Este cambio es fundamental para hacer que los vehículos eléctricos sean más prácticos en una gama más amplia de climas.

Aunque el costo inicial es más alto, se compensa con ahorros operativos a largo plazo y una experiencia de usuario mejorada.

La inversión de la industria en la tecnología de bombas de calor, a pesar del costo, indica un compromiso estratégico para mejorar la practicidad de los vehículos eléctricos y abordar una preocupación clave del consumidor: la ansiedad por la autonomía en climas fríos o muy cálidos.

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Cuanto gasta una bomba de calor en un vehículo eléctrico

El Coeficiente de Rendimiento (COP) es una métrica fundamental para evaluar la eficiencia de una bomba de calor.

Se calcula como la relación entre la energía térmica producida (el calor entregado al habitáculo) y la energía eléctrica consumida por el sistema.

Por ejemplo, un COP de 4 significa que la bomba de calor genera 4 kW de calor por cada 1 kW de electricidad que consume, lo que la hace cuatro veces más eficiente que un calentador de resistencia eléctrica convencional, cuyo COP es de 1.

Los valores de COP ideales para los sistemas de bombas de calor suelen comenzar en 2.0.

En temperaturas moderadas, por ejemplo, entre 0°C y 10°C, las bombas de calor pueden alcanzar COPs entre 2.5 y 3.0, lo que implica que 1 kW de electricidad puede producir entre 2.5 y 3 kW de calor útil.

La variabilidad del COP con la temperatura ambiente subraya los desafíos ambientales que enfrenta la tecnología de bombas de calor.

Aire Acondicionado en Vehículos Eléctricos

El principio fundamental del aire acondicionado en los vehículos eléctricos es análogo al de los sistemas presentes en vehículos con motores de combustión interna o en unidades domésticas, basándose en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

Sin embargo, la distinción clave reside en el compresor eléctrico. A diferencia de los vehículos con motores de combustión interna, donde el compresor suele ser accionado por el motor a través de una correa, en los vehículos eléctricos, el compresor es alimentado directamente por la batería de alto voltaje.

Esta independencia permite que el sistema de aire acondicionado funcione sin que el motor de propulsión esté activo, incluso cuando el vehículo está estacionado.

El cambio a un compresor eléctrico en los vehículos de este tipo representa una modificación fundamental en el diseño que proporciona una flexibilidad operativa considerable.

Esto incluye la capacidad de pre-acondicionar el habitáculo antes de un viaje o de mantener la climatización durante paradas prolongadas, como en embotellamientos de tráfico.

Esta independencia del tren motriz es una ventaja significativa sobre los vehículos con motores de combustión interna, mejorando el confort del usuario y abriendo la puerta a nuevas funcionalidades para la gestión térmica del vehículo.

Ventajas de los sistemas eléctricos de aire acondicionado

Los sistemas de aire acondicionado eléctricos ofrecen múltiples beneficios derivados de su diseño y alimentación:

- Funcionamiento continuo independiente: Operan sin depender del estado del motor de propulsión, lo que los hace ideales para vehículos eléctricos e híbridos, permitiendo la climatización incluso con el vehículo parado.

- Control de velocidad variable: Los compresores eléctricos pueden ajustar su velocidad y, por ende, su capacidad de enfriamiento de manera precisa según la demanda. Esto resulta en un control de temperatura más exacto y un menor consumo de energía.

- Diseño compacto y liviano: Las unidades de aire acondicionado eléctricas suelen ser más compactas y ligeras que los sistemas convencionales, contribuyendo a la reducción del peso total del vehículo y mejorando el rendimiento general y la eficiencia.

- Eficiencia energética: Son inherentemente más eficientes energéticamente que los sistemas tradicionales, lo cual es crucial para optimizar el uso de la energía de la batería y extender la autonomía de los vehículos eléctricos.

- Funcionamiento Silencioso: Operan de manera más silenciosa en comparación con los compresores accionados por motor, lo que contribuye a una experiencia de conducción más tranquila.

- Beneficios Ambientales: Utilizan refrigerantes más ecológicos y contribuyen a la reducción de emisiones, en línea con los objetivos de una tecnología automotriz más limpia.

- Mantenimiento Reducido: Al tener menos componentes mecánicos, estos sistemas suelen requerir menos mantenimiento, lo que se traduce en ahorros de costos a largo plazo.

Capacidades Frigoríficas Típicas

Si bien las capacidades frigoríficas específicas (expresadas en BTU o frigorías) para los sistemas de aire acondicionado de vehículos eléctricos no se detallan explícitamente en la información proporcionada de la misma manera que para unidades domésticas, las cifras de consumo de energía ofrecen una medida indirecta de su capacidad.

Para contextualizar, las unidades de aire acondicionado generales diseñadas para espacios comparables al habitáculo de un automóvil (por ejemplo, entre 15 y 25 m²) suelen requerir una potencia eléctrica de entre 2.0 y 3.0 kW.

La conversión entre kilovatios (kW) y frigorías (fg) se establece aproximadamente en 1 kW = 860 frigorías, o, inversamente, 1 frigoría = 1.163 W (0.001163 kW).

Un sistema de aire acondicionado típico puede consumir entre 0.5 kWh y 1.5 kWh por hora, dependiendo del modo de operación (por ejemplo, modo Eco frente a máxima potencia).

Estudios indican que para enfriar un automóvil desde una temperatura exterior elevada, como 35°C, hasta una temperatura confortable, puede ser necesaria una demanda de potencia inicial de 3 a 5 kW, que se reduce a aproximadamente 1 kW para mantener la temperatura deseada.

Consumo energético y su impacto en la autonomía

Consumo de calefacción

Calentadores de resistencia (PTC)

Los sistemas de calefacción basados en calentadores PTC son menos eficientes y consumen una cantidad considerable de energía directamente de la batería.

Su uso puede provocar una pérdida de energía de la batería del 6-10% a temperaturas superiores a 0°C, y potencialmente mucho mayor en condiciones más frías, lo que acelera significativamente la descarga de la batería.

El consumo instantáneo de un calentador PTC activo puede rondar los 5.1-5.2 kWh.

Bombas de calor

Las bombas de calor son considerablemente más eficientes, con un consumo promedio de 1.5 kWh por hora para la calefacción.

Pérdida de autonomía en invierno

La diferencia en la pérdida de autonomía en invierno entre los vehículos eléctricos equipados y no equipados con bombas de calor es notable

Los que no tienen bomba de calor pueden experimentar una reducción sustancial de la autonomía, con estudios que muestran pérdidas de aproximadamente el 28% a 0°C, y potencialmente entre el 18% y el 43% en condiciones de frío similares. Esto puede traducirse en una pérdida de hasta 100 km de autonomía.

Por el contrario, en vehículos equipados con bomba de calor, el impacto se mitiga significativamente. Estos vehículos experimentan una reducción de autonomía de alrededor del 13% a 0°C, lo que equivale aproximadamente a 30-40 km.

Esta mejora representa una ganancia relativa de autonomía de aproximadamente el 10% en condiciones invernales rigurosas en comparación con los vehículos sin bombas de calor.

La marcada diferencia en la pérdida de autonomía invernal entre los vehículos eléctricos con y sin bombas de calor (por ejemplo, 28% frente a 13% a 0°C) subraya que la bomba de calor es una tecnología crítica para la viabilidad de estos vehículos en climas fríos.

Esta evidencia cuantitativa respalda la idea de que la integración de la bomba de calor no es simplemente una mejora de la eficiencia, sino un habilitador fundamental para un rendimiento constante del vehículo en diversas geografías.

Estos datos son cruciales para la toma de decisiones del consumidor y para los fabricantes que buscan expandir los mercados a regiones más frías, validando la inversión en tecnología de bombas de calor como un paso necesario para hacer de los vehículos eléctricos una solución verdaderamente para todas las estaciones.

Consumo de aire acondicionado

Datos de Consumo

El consumo de energía del aire acondicionado es generalmente menor que el de la calefacción.

Para mantener una temperatura confortable en el habitáculo (por ejemplo, 20-22°C) en climas cálidos, un vehículo eléctrico típico podría consumir alrededor de 1.3 kWh por hora.

La refrigeración inicial de un automóvil desde una temperatura alta (por ejemplo, 35°C) puede requerir una demanda de potencia de 3-5 kW, pero para mantener la temperatura, generalmente solo se necesita aproximadamente 1 kW.

Pérdida de Autonomía en Verano

El impacto del aire acondicionado en la autonomía es, en general, menos severo que el de la calefacción.

Sin embargo, en condiciones extremas (por ejemplo, 35-40°C con el aire acondicionado al máximo), puede producirse una reducción de la autonomía del 10-17%.

Estudios específicos indican pérdidas de aproximadamente el 2.8% a 26°C, el 5% a 32°C, y potencialmente el 31% a 37°C, aunque este último dato se basa en información limitada.

Para un VE con una autonomía de 400 km, un aumento del 10% en el consumo de energía debido al aire acondicionado podría significar una reducción de unos 40 km.

Aunque a menudo se percibe como menos impactante que la calefacción, el uso significativo del aire acondicionado, especialmente en condiciones de calor prolongado como los embotellamientos, puede provocar reducciones notables en la autonomía.

Esto subraya que los sistemas auxiliares, incluso si son individualmente eficientes, contribuyen colectivamente a la variabilidad de la autonomía, lo que exige que los conductores sean conscientes de su uso en todos los climas extremos.

Esto refuerza la idea de que cada carga eléctrica en un vehículo eléctrico afecta directamente la autonomía.

Factores adicionales que influyen en el consumo y la autonomía

La autonomía de un vehículo eléctrico no solo se ve afectada por el uso de los sistemas de climatización, sino también por una interacción compleja de otros factores:

- Temperatura Exterior: Tanto el frío extremo como el calor extremo impactan negativamente el rendimiento de la batería y aumentan la demanda de energía para la climatización. Las bajas temperaturas tienen un mayor impacto general en la autonomía.

- Velocidad y Estilo de Conducción: Velocidades más altas aumentan la resistencia aerodinámica, lo que lleva a un mayor consumo de energía.

Un estilo de conducción agresivo, con aceleraciones y desaceleraciones bruscas, también reduce la eficiencia general del vehículo.

- Aislamiento del vehículo: Un habitáculo bien aislado térmicamente reduce la cantidad de energía necesaria para mantener la temperatura deseada, mejorando la eficiencia de la climatización.

- Uso de Accesorios: Otros consumidores eléctricos a bordo, como los sistemas de infoentretenimiento, los asientos calefactables y los volantes calefactables, también consumen energía de la batería, aunque generalmente en menor medida que el sistema principal de climatización.

La interacción de múltiples factores que afectan la autonomía indica que lograr una eficiencia óptima en los vehículos eléctricos es un desafío holístico, no solo una cuestión de tamaño de batería o eficiencia del motor.

Requiere una combinación de tecnología avanzada del vehículo, características de gestión inteligente de la energía (como el pre-acondicionamiento) y un comportamiento informado del conductor.

Esto significa que simplemente tener un sistema de climatización eficiente no es suficiente para una autonomía óptima.

Los conductores deben adoptar hábitos de conducción eficientes y utilizar funciones inteligentes como el pre-acondicionamiento, qué es esto, aprovechar los momentos de carga para climatizar el habitáculo del mismo.

Los fabricantes, a su vez, deben diseñar vehículos con una gestión térmica integrada que tenga en cuenta estas variables para proporcionar una experiencia de usuario consistente y fiable.