El clima frío reduce la autonomía de los vehículos eléctricos porque la calefacción del habitáculo y de la batería se convierten en cargas importantes. Los calefactores resistivos tradicionales de coeficiente de temperatura positivo (PTC) convierten la electricidad en calor en una proporción de 1:1, a menudo consumiendo entre 3 y 7 kW y reduciendo la autonomía en carretera entre un 20% y un 40% en condiciones de congelación. Las bombas de calor automotrices transfieren calor en lugar de generarlo, proporcionando rutinariamente de dos a tres unidades de calor al habitáculo por cada unidad de entrada eléctrica en temperaturas frías moderadas. Los modelos recientes de Tesla, Hyundai/Kia, VW, GM, Nissan y otros integran bombas de calor con la gestión térmica de la batería, aumentando la eficiencia en invierno. Pruebas independientes realizadas en invierno de 2024 muestran que los sistemas de bomba de calor bien ajustados reducen significativamente la pérdida de autonomía en climas fríos en comparación con los enfoques que solo utilizan resistencias.
Conducir en invierno impone dos cargas simultáneas: mantener a los ocupantes cómodos y llevar el paquete de baterías a su rango de temperatura óptimo para obtener potencia y carga rápida. A 0 a −10°C, la demanda constante de calor en la cabina de un vehículo eléctrico (EV) de tamaño mediano típico es de 2–4 kW, con picos de desempañado/deshielo de 5–8 kW. La calefacción de la batería puede añadir 1–3 kW durante el preacondicionamiento. Si el vehículo depende únicamente de la calefacción PTC, esas cargas se restan directamente de la propulsión, reduciendo la autonomía y limitando las velocidades de carga rápida en corriente continua hasta que el paquete se caliente.
Las bombas de calor cambian esta ecuación al mover el calor ambiental y residual utilizando un ciclo de compresión de vapor. Debido a que concentran el calor existente en lugar de generarlo, reducen notablemente el consumo de HVAC. En evaluaciones recientes de invierno (por ejemplo, las pruebas de autonomía en clima frío de Consumer Reports y la prueba de invierno NAF 2024 de Noruega), los modelos con bombas de calor robustas y buenas estrategias de preacondicionamiento mostraron consistentemente menores pérdidas de autonomía que los vehículos comparables que dependen solo de la calefacción resistiva, especialmente a velocidades constantes en autopista donde el calor residual del tren motriz es bajo. El coeficiente de rendimiento (COP) es la métrica clave.
Una bomba de calor automotriz moderna que utiliza R1234yf puede ofrecer un COP ≈ 2.0–3.0 alrededor de 0°C, manteniendo a menudo un COP ≈ 1.5–2.0 cerca de −10°C con compresores de inyección de vapor mejorada. Por debajo de aproximadamente −20°C, el COP se aproxima a 1, y los sistemas mezclan calefacción PTC. Un presupuesto energético simple ilustra el beneficio: a 70 mph, un EV eficiente de tamaño mediano podría usar ~20 kW para la propulsión (~285 Wh/mi). Añadir 4 kW de HVAC resistivo eleva el total a 24 kW, una reducción de autonomía de ~20%.
Si una bomba de calor suministra el mismo calor en la cabina a 2 kW (COP ~2), el total se convierte en 22 kW, reduciendo la penalización a ~10%. En un paquete de 75 kWh, esa diferencia puede preservar 30–50 millas de autonomía útil en invierno. La elección del refrigerante y el diseño del ciclo son importantes. El R1234yf (potencial de calentamiento global ≈ 4) es ahora ubicuo, pero su capacidad de calefacción disminuye más rápido a temperaturas muy bajas que el CO₂ (R744).
Los sistemas R744 operan a presiones mucho más altas (hasta ~90–110 bar en el lado de alta presión) y sobresalen en elevación de temperatura grande y deshielo rápido del parabrisas, características atractivas para EVs en climas fríos, a costa de líneas más gruesas, un compresor más resistente y herramientas de servicio especializadas. Muchas bombas de calor para EVs añaden inyección de vapor economizada (EVI), intercambiadores de calor internos y compresores scroll de velocidad variable para mantener el COP en el frío. Las estrategias de control también mitigan la formación de escarcha en el intercambiador de calor externo mediante ciclos, gestión de sobrecalentamiento o asistencia momentánea de PTC para evitar caídas de confort. El empaquetado integra HVAC con la refrigeración de la batería y la electrónica de potencia.
Los diseños típicos utilizan bucles de refrigerante duales, un intercambiador de calor de placa/enfriador para intercambiar calor entre el refrigerante y el glicol, y un bloque de válvulas multiplexado (por ejemplo, los colectores estilo "octovalve" de Tesla) para dirigir el calor hacia o desde el paquete, la cabina, las unidades de tracción o el hardware de carga rápida en corriente continua. La recolección efectiva de calor residual (de inversores y motores) puede compensar 0.5–1.5 kW de calor en la cabina durante el crucero. El preacondicionamiento mientras está enchufado es fundamental: calentar el paquete a ~20–30°C antes de la salida reduce la demanda del calentador en carretera y permite la máxima potencia de carga al llegar. Los fabricantes de automóviles han estado iterando rápidamente: la actualización R1 de Rivian 2024 añadió una bomba de calor para mejorar la eficiencia en invierno; los EVs Ultium de GM (por ejemplo, Cadillac Lyriq) y el ID.4 de VW ofrecen bombas de calor basadas en refrigerante; la mayoría de los EVs de Tesla, Hyundai, Kia y Nissan ahora las incluyen ampliamente en paquetes para clima frío.
Las compensaciones son la complejidad, el costo y la capacidad de servicio. El hardware de la bomba de calor añade masa (típicamente 8–15 kg sobre solo PTC), componentes (por ejemplo, compresores EVI, condensadores/evaporadores más grandes) y software. La gestión de la carga de refrigerante y la detección de fugas son más críticas, y los sistemas R744 requieren capacitación de técnicos y equipos dedicados. La fiabilidad ha mejorado después de problemas iniciales de arranque en frío (por ejemplo, congelación de válvulas y fallos de sensores/actuadores que algunas marcas abordaron mediante actualizaciones de hardware y revisiones de software).
Características complementarias—lógica inteligente de deshielo, calefacción zonal/asiento/volante (50–100 W por asiento), y ajustes aerodinámicos/de aislamiento—reducen aún más la carga de HVAC. Las implicaciones son directas para la adopción y la política. A medida que más modelos estandarizan las bombas de calor, la autonomía en invierno se convierte en menos de una barrera en regiones frías, mejorando la confianza del consumidor y permitiendo opciones de baterías más pequeñas sin sacrificar la utilidad. Un etiquetado más claro ayudaría: añadir una calificación estándar de ciclo en frío junto a las cifras de EPA/WLTP permitiría a los compradores comparar la eficacia de las bombas de calor.
Las empresas de servicios públicos y las ciudades pueden amplificar los beneficios promoviendo el precalentamiento mientras están enchufados (tarifas según el tiempo de uso) y apoyando la carga en el lugar de trabajo, lo que descarga la energía de HVAC a la red. Finalmente, la capacitación de técnicos y los estándares de manejo de refrigerantes—especialmente para sistemas de CO₂ de alta presión—serán importantes a medida que las flotas transicionen a arquitecturas térmicas centradas en bombas de calor.