Ako funguje vykurovanie v elektrických autách: Komplexný sprievodca

S obľubou mnohých elektromobilov čoraz viac ľudí nahrádza svoje tradičné autá elektromobilmi. Bežné auto môže využiť tepelnú energiu motora na zabezpečenie tepla v kabíne, keď je v zime nízka teplota. A elektromotor elektromobilu nedokáže vyprodukovať dostatok tepelnej energie na vykurovanie kabíny. Preto budú elektromobily viac potrebovať systém riadenia teploty. Elektrický ohrievač je jednou z veľmi dôležitých súčastí elektromobilov.

V zime tiež nie je aktívna chémia batérie a energia batérie nemôže byť plne využitá kvôli nízkej teplote. Majitelia elektromobilov tiež potrebujú zahriať batériu, aby sa zvýšila jej teplota, aby sa naplno využila elektrická energia batérie. Ak ste novým výrobcom elektrických vozidiel, budete mať prehľad o systémoch tepelného manažmentu dostupných na trhu s elektrickými vozidlami.

Čo je tepelný manažment pre automobily?

Tepelný manažment sa vzťahuje na dynamický manažment tepla vo vnútri vozidla, aby sa teplota v kabíne zvýšila v zime a aby sa teplota v kabíne v lete znížila. Tepelný manažment efektívne riadi teplo celého vozidla, vrátane vykurovania a chladenia motora, batérie, elektromotora a elektronických ovládacích častí, ako aj priestoru pre cestujúcich. V prípade elektrických vozidiel môžu vykurovacie systémy EV účinne predĺžiť zimný dojazd a zážitok cestujúcich z elektrických vozidiel. Tento článok sa zameriava na tepelný manažment elektrických vozidiel, ktorý je určený hlavne na riadenie teploty batérie a kabíny cestujúcich.

Výzvy vykurovania elektromobilov v zime

Každý vodič, bez ohľadu na typ auta, sa v chladnom počasí stretáva so znížením palivovej efektivity. U spaľovacích motorov rastie spotreba paliva kvôli hustejšiemu studenému vzduchu a zvýšenému treniu spôsobenému chladnejšími kvapalinami. Avšak elektromobily čelia iným výzvam, ktoré výrazne ovplyvňujú ich dojazd a celkovú prevádzku.

Elektromobily sú omnoho efektívnejšie ako autá so spaľovacím motorom, no práve táto efektivita ich robí zraniteľnými voči zime. Na rozdiel od spaľovacích motorov, ktoré produkujú odpadové teplo použiteľné na vykurovanie kabíny, elektromobily musia na vykurovanie využívať energiu zo svojej batérie. Okrem vykurovania hrá úlohu aj samotná batéria, ktorej chemické zloženie je citlivé na nízke teploty. V mrazoch je pre elektrinu náročnejšie pretekať batériou, čo vedie k dlhším časom nabíjania a nižšej kapacite. Preto, aby sa znížila obava používateľov o výdrž batérie, každá automobilka hľadá spôsoby, ako predĺžiť dojazd elektrických vozidiel.

Startup Recurrent zhromaždil údaje od viac ako 18 000 elektromobilov v USA a zistil, ako chlad ovplyvňuje 20 najobľúbenejších modelov.

Typy elektrických ohrievačov automobilov

Z rozdielu vykurovacieho média možno elektrický ohrievač auta rozdeliť na ohrievač vzduchu a ohrievač vody. Elektrické ohrievače priestoru je druh ohrievača, ktorý vyhrieva kokpit elektrického auta. Jeho hlavnou funkciou je zabezpečiť teplo kokpitu elektromobilu, aby mal kokpit správnu teplotu a vodič a pasažieri si mohli naplno užívať komfort, ktorý elektromobil prináša. V zime, keď je teplota nízka, môže ohrievač poskytnúť teplo pre kokpit a batériu cez klimatizačný systém, aby udržal kabínu a batériu na správnej teplote.

V závislosti od technológie, elektrické ohrievače chladiacej kvapaliny PTC možno rozdeliť zhruba do šiestich typov vykurovacej techniky:

1. Technológia elektrického vykurovania
2. Technológia vykurovania naftou
3. Technológia tepelného čerpadla
4. Technológia samoohrievania batérie
5. Technológia využitia odpadového tepla
6. Technológia skladovania energie s fázovou zmenou

Predtým, ako sa ponoríme do detailov, pozrime sa na porovnávaciu tabuľku týchto technológií:

Porovnanie šiestich vykurovacích technológií

Technológia elektrického vykurovania

Elektrické ohrievače vozidiel používajú hlavne PTC vykurovacie telesá a hrubovrstvové vykurovacie telesá (TFE). PTC ohrievač chladiacej kvapaliny je druh ohrievača, ktorý ako vykurovacie teleso používa termistorový prvok PTC, odpor vykurovacieho prvku PTC sa bude meniť s teplotou. Zvyčajne čím vyššia teplota, tým vyšší odpor PTC. PTC ohrievače sú dnes voľbou väčšiny elektrických vozidiel.

V závislosti od spôsobu ohrevu PTC ohrievača existujú dva typy PTC ohrievačov, jeden, ktorý ohrieva vzduch priamo, a druhý, ktorý ohrieva obehový systém elektrického vozidla. Pozrime sa na charakteristiky týchto dvoch spôsobov vykurovania:

PTC ohrievač vzduchu

• Nevýhody: Nízky výstupný výkon ohrievača, drahý, len vyhrievaný kokpit, žiadna presná kontrola tepla v kokpite, nízkonapäťový napájací zdroj.
• PTC ohrievač vzduchu hlavne vyhrieva kabínu a v zime odhmlieva predné sklo elektromobilov. Obľúbenosť PTC ohrievačov vzduchu v elektromobiloch však nie je príliš vysoká. PTC konvekčný ohrievač vzduchu je veľmi vhodný pre použitie v elektrobusoch.

PTC ohrievač chladiacej kvapaliny

• Výhody: lacný, vysoký výstupný výkon ohrievača, jednoduché ovládanie teploty v kokpite, súčasné zahrievanie batérie a kokpitu, vysokonapäťové napájanie, vysoká účinnosť.
• Kvapalinový ohrievač PTC je v súčasnosti najpoužívanejším elektrickým ohrievačom pre elektrické autá. Môže zabezpečiť vykurovanie batérie v chladnom období a tiež poskytnúť teplo pre kabínu.

Hrubovrstvové vykurovacie teleso (TFE)

Hrubovrstvové vykurovacie teleso je hlavne kvapalinový ohrievač, ktorý ohrieva cirkulačný systém batérie elektrických automobilov. Hrubovrstvový vyhrievací prvok je schopný rýchlo generovať veľké množstvo tepla a súčasne je strata výkonu hrubovrstvového vyhrievacieho prvku veľmi malá, pretože medzi vyhrievacím prvkom a chladivom je malý priamy tepelný odpor. Súčasne sú hrubovrstvové vykurovacie telesá kompaktné a môžu byť navrhnuté v rôznych veľkostiach a tvaroch. EV ohrievač vyrobený z hrubovrstvového vykurovacieho telesa má výhody vysokého výkonu, malých rozmerov a nízkej hmotnosti. Je zapuzdrený v hliníkovom kryte s dobrým elektromagnetickým tienením a nespôsobuje elektrické rušenie vozidla.

Technológia vykurovania naftou

Dieselové ohrievače možno tiež rozdeliť do dvoch typov: dieselové ohrievače vzduchu a dieselové ohrievače chladiacej kvapaliny. Zodpovedajú ohrevu vzduchu v kabíne a chladiacej kvapaline v klimatizačnom systéme elektrického vozidla. Dieselové ohrievače sú zvyčajne vhodné pre chladné vysoké zemepisné šírky, pretože teplota je obzvlášť nízka a chemické zloženie batérie bude počas zimy výrazne znížené, čo bude mať za následok skutočné využitie energie batérie len asi 50 % normálnej teploty. To môže výrazne znížiť dojazd elektrického vozidla.

Naftový ohrievač na druhej strane používa ako palivo motorovú naftu, ktorá pri spaľovaní generuje teplo na zabezpečenie tepla pre kabínu elektrického vozidla a batériu. A príkon naftového ohrievača je len 30W, čo je na elektromobil zanedbateľné. Pretože na elektrickom vozidle nie je žiadny zdroj paliva, je potrebná prídavná palivová nádrž, aby elektrické vozidlo využívalo naftové kúrenie. Palivová nádrž a naftový ohrievač tvoria samostatný vykurovací systém. Dieselové ohrievače sú ideálne pre malých výrobcov elektrických vozidiel. Malé elektrické vozidlá môžu byť navrhnuté s dostatočným priestorom vyhradeným pre ohrievač a palivovú nádrž. A urobte dobrú prácu so zvukovou izoláciou. Počas používania vozidla hluk z chodu kúrenia sotva ovplyvní zážitok vodiča a cestujúcich.

Technológia tepelného čerpadla

Technológia vykurovania tepelným čerpadlom je už veľmi vyspelá technológia. Vo veľkej miere sa používa na mnohých miestach. Funguje na princípe, že systém tepelných čerpadiel odoberá vonkajšie teplo a odovzdáva ho cez systém do interiéru vozidla. V lete môže tiež prenášať horúci vzduch z kabíny do vonkajšej časti kabíny prostredníctvom technológie tepelného čerpadla, aby udržala kabínu a batériu na správnej teplote.

Aplikácia technológie tepelných čerpadiel v elektromobiloch je stále v počiatočnom štádiu, len malý počet výrobcov elektromobilov, ako napríklad Tesla, využíva technológiu tepelných čerpadiel pri výrobe elektromobilov. Prečo sa dojazd elektromobilov s horúcym vzduchom v zime rapídne znižuje? Horúci vzduch vozidiel na bežné palivá využíva odpadové teplo motora, takže sa dá povedať, že ide o opätovné využitie odpadu. Aby sa maximalizovala životnosť batérie vozidiel, bežné automobilky v súčasnosti študujú využitie odpadového tepla motora z elektrických vozidiel na poskytovanie energie pre systémy tepelných čerpadiel. V novej energetickej ére je systém tepelného čerpadla najdôležitejším faktorom v cestovnom dosahu elektrických vozidiel. Pri výbere elektrického vozidla musia automobiloví nadšenci pamätať na kontrolu, či má vozidlo systém tepelného čerpadla a účinnosť systému tepelného čerpadla.

Tepelné čerpadlo funguje na princípe presunu tepla z vonkajšieho vzduchu, pričom využíva chladiaci plyn a kompresiu na vytvorenie teplého vzduchu, podobne ako klimatizácia, len v opačnom smere. Systém tepelného čerpadla umiestni kondenzátor do kabíny, aby sa stal kondenzátorom v kabíne, a výparník je umiestnený mimo kabíny, aby sa stal výparníkom mimo kabíny. Bežné autá si samozrejme polohu kondenzátora a výparníka jednoducho nevymenia, pretože v zime potrebujeme tepelné čerpadlo a v lete klimatizáciu, takže skutočný okruh klimatizácie s tepelným čerpadlom bude oveľa komplikovanejší.

Najnovšia technológia riadenia tepelného čerpadla nielenže rekuperuje odpadové teplo vyžarované hnacími motormi, palubnými nabíjačkami a invertormi, ale získava ešte viac odpadového tepla z akumulátorov a pomalých nabíjačiek. Jeho najnovší systém odvádza teplo z rôznych komponentov, vrátane hnacieho motora, meniča, palubnej nabíjačky a samotnej batérie.

Americká štúdia porovnávajúca dojazd elektromobilov v reálnych zimných podmienkach odhalila výrazné rozdiely medzi modelmi s tepelným čerpadlom a bez neho. Najlepšie výsledky dosahujú vozidlá ako Tesla Model X (89 %) a Tesla Model S (88 %), ktoré si udržujú vysoké percento dojazdu v chladnom počasí. Naopak, modely bez tepelného čerpadla, ako Chevrolet Bolt (69 %) a Volkswagen ID.4 (63 %), zaznamenávajú najväčšie straty dojazdu. Výrazné zníženie dojazdu sa objavilo aj pri niektorých vozidlách s tepelným čerpadlom, ako Cadillac Lyriq (72 %) a Chevrolet Equinox EV (74 %), ktoré zaostávajú za ostatnými vozidlami v tejto kategórii.

Technológia samoohrievania akumulátora elektrického vozidla

Technológia samoohrievania batérie spočíva hlavne v tom, aby sa akumulátor pri nízkych teplotách v zime vrátil na normálnu teplotu. Technológia samoohrievania batérie funguje tak, že sa spolieha na to, že vnútorné vybitie batérie generuje teplo pred spustením elektrického vozidla, čo umožňuje, aby sa teplota batérie zvýšila na normálnu teplotu, ktorá umožňuje batérii uvoľniť viac energie. Technológia samoohrievania batérie je len doplnková technológia a zatiaľ čo batéria uvoľňuje teplo, zároveň stráca energiu batérie. Spoločnosti vyrábajúce elektrické vozidlá zvyčajne používajú technológiu samoohrievania batérií len zriedka.

Technológia využitia odpadového tepla

Druhým prídavným vykurovaním je aj využitie odpadového tepla. Funguje na princípe, že teplo generované motorovým pohonom elektrického vozidla alebo teplo generované vysokovýkonnými elektronickými súčiastkami, ktoré pracujú, sa zhromažďuje vo vybavení elektrického vozidla a prechádza cez chladiaci systém batérie alebo priamo do priestoru a batérie, aby doplnilo teplo priestoru a batérie. Technológia využitia odpadového tepla by sa mala používať v kombinácii s PTC ohrievačmi alebo hrubovrstvovými ohrievačmi, aby PTC ohrievače alebo hrubovrstvové ohrievače šetrili palivo. Funguje podobne ako technológia tepelného čerpadla, avšak účinnosť je nižšia ako u technológie tepelného čerpadla. Technológiu využitia odpadového tepla preto pomaly nahrádza technológia tepelného čerpadla.

Technológia skladovania energie s fázovou zmenou

Technológia fázovej zmeny využíva materiály s fázovou zmenou na zhromažďovanie tepla a potom používa materiály s fázovou zmenou na uvoľnenie tepla na ohrev elektrického vozidla. Funguje na princípe, že elektrické vozidlo bude generovať teplo z elektromotora alebo vysokovýkonných elektronických komponentov počas procesu jazdy a materiál fázovej zmeny absorbuje teplo generované elektromotorom a vysokovýkonnými elektronickými komponentmi a uloží ho do materiálu fázovej zmeny. Teplo sa potom podľa potreby uvoľňuje do interiéru vozidla.

Rekuperácia energie (regeneratívne brzdenie)

Pojmy rekuperácia a regeneratívne brzdenie neboli donedávna až také známe. So zvýšeným dopytom po elektromobiloch sa však aj táto technológia stáva parametrom, ktorý by ste pri kúpe auta nemali podceniť. Rekuperácia je prelomová technológia, ktorú používajú aj elektrické vozidlá. Jej podstatou je, že počas brzdenia zachytáva vzniknutú kinetickú energiu, ktorú premení na elektrickú a posiela naspäť do batérie auta. Takto zachytenú a uloženú energiu auto využíva na svoj pohon.

Najväčšou výhodou regeneratívneho brzdenia je, že dokáže predĺžiť životnosť batérie elektrického auta. Vracaním energie z brzdenia priamo do batérie zvýši dojazd, a tým oddiali nabíjanie. Pri brzdení vzniká kinetická energia, ktorá sa pri tradičných brzdových systémov mení na teplo a stráca sa. Elektrický motor funguje dvomi smermi. Ak ide jedným (dopredu), poháňa kolesá, aby sa hýbali. Môže však fungovať aj opačným smerom, aby auto spomalil.

Najmodernejšie elektroautá využívajú „one-pedal driving“ systém. Ten pri každom zdvihnutí nohy z plynu automaticky auto spomaľuje a regeneruje energiu. Na obnovenie batérie vo vašom vozidle tak používate len jeden pedál. Nové autá dokonca ponúkajú možnosť si intenzitu spomalenia nastaviť. Rozsah je naozaj široký. Jemnejšie nastavenie je efektívne najmä na diaľnici.

Aj napriek všetkým najnovším vychytávkam, rekuperačný brzdový systém funguje v bežnej premávke rovnako ako klasické brzdy. Jediná zmena je, že šetria životnosť mechanických brzdových systémov. V autách so spaľovacími motormi to takto možné nie je - energiu čerpajú spaľovaním benzínu, nafty či plynu a tieto látky v aute spätne vyrobiť nedokážeme.

Elektromobily (a hybridy) však majú výhodu práve v spomínanej rekuperácii, ktorá podstatne znižuje spotrebu a predlžuje ich dojazd. Samozrejme, záleží na podmienkach. Napríklad na diaľniciach a iných cestách pri ustálenej rýchlosti rekuperáciu prakticky nevyužijete. Úplne opačná situácia je pri premenlivej rýchlosti - napríklad pri jazde v mestách, v kopcoch či pri rozbehoch s vyššou záťažou (plne naložené auto, prívesný vozík a pod.). V týchto podmienkach síce spotrebúvate omnoho viac energie na rozbeh než pri ustálenej rýchlosti, vďaka rekuperácii však získate omnoho viac energie späť. Rekuperáciou dokážete spätne získať cca 30 až 60 % pohybovej energie. V praxi to znamená predĺženie dojazdu o 5 až 25 %.

Využívanie silnej rekuperácie môže byť nezvykom, najmä pre začínajúcich elektromobilistov. Ale žiadny strach - mnohé autá umožňujú nastaviť si jej intenzitu a tým aj brzdný účinok motora. Automobilky však pri uvádzaní údajov o spotrebe počítajú aj s využívaním rekuperácie. Rekuperácia je skrátka veľmi významnou funkciou elektromobilov, ktorá výrazne predĺžila ich dojazd.

Tipy pre prevádzku elektromobilov v zime

Elektromobily sú skvelou voľbou pre udržateľnejšiu budúcnosť, no ich prevádzka v zime vyžaduje trochu viac plánovania a prispôsobenia.

• Predhrievanie kabíny - Pred cestou zapnite kúrenie, keď je auto pripojené k nabíjačke.
• Optimalizácia vykurovania - Znížte teplotu v kabíne a namiesto toho použite vyhrievanie sedadiel a volantu.

tags: #ako #funguje #vykurovanie #v #elktrickych #autach