Vykurovanie v elektrických autách: Komplexný pohľad na fungovanie a technológie

Každého budúceho majiteľa elektromobilu iste napadlo, ako u týchto vozidiel funguje kúrenie. Predsa len, kúriť si baterkou, na ktorej sedím a ktorú si napríklad v zápche neviem dobíjať, je trochu z krajiny sci-fi.

Energetická efektivita: Porovnanie klasických a elektrických vozidiel

U klasických vozidiel so spaľovacím motorom sa využije z paliva energia pri jazde na cca 25%. Zvyšok sa premení na teplo, z ktorého časť (cca 5%) sa môže využiť na kúrenie pri plnom výkone. Zvyšok, teda 70% energie, jednoducho unikne do okolia. Opotrebovaný motor alebo iné mechanické problémy môžu zvýšiť spotrebu.

U elektrických vozidiel sa na pohyb premení až 90% energie, zvyšok ide na kúrenie a elektrické zariadenia.

Výzvy v chladnom počasí

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.

Technológie vykurovania v elektromobiloch

Elektromobily využívajú rôzne spôsoby vykurovania, ako napríklad tepelné čerpadlá a vysokonapäťové ohrievače PTC (Positive Temperature Coefficient). 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.

Tepelné čerpadlá

Tepelné čerpadlo dokáže odobrať teplo z vonkajšieho vzduchu a preniesť ho do interiéru. To v elektromobile funguje na princípe prenosu tepla z vonkajšieho prostredia do interiéru vozidla. Na rozdiel od tradičných vykurovacích systémov, ktoré premieňajú elektrickú energiu priamo na teplo, tepelné čerpadlo využíva fyzikálne zákony na výrazne efektívnejšie ohrievanie. Chladivo v tepelnom čerpadle absorbuje teplo z vonkajšieho vzduchu, aj keď je tento vzduch chladný. Chladivo sa stlačí, čím sa zvýši jeho teplota. Vysokoteplotné chladivo odovzdá svoje teplo do výmenníka, ktorý ohrieva vzduch v kabíne. Následne chladivo expanduje a ochladí sa, čím sa pripraví na ďalší cyklus. Tepelné čerpadlo dokáže vyprodukovať viac tepla, než spotrebuje elektrickej energie. Vďaka vyššej účinnosti sa zníži spotreba energie na vykurovanie, čo predĺži dojazd elektromobilu. Akonáhle vonkajšia teplota dosiahne určitú hodnotu, tepelné čerpadlo sa aktivuje a stáva sa primárnym zdrojom tepla. Je to najúčinnejší spôsob vykurovania, pretože využíva teplo z okolitého vzduchu. Toto je výrazne účinnejšie ako priame elektrické vykurovanie PTC, ktoré sa využíva hlavne pri nasadnutí do nevykúreného vozidla. Technológia vykurovania tepelným čerpadlom je už veľmi vyspelá technológia. Vo veľkej miere sa používa na mnohých miestach.

V lete môže tiež prenášať horúci vzduch z kabíny do vonkajšej časti kabíny prostredníctvom technológie tepelných čerpadiel, 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. Riešením môže byť pridanie tepelného čerpadla. Funguje to na princípe reverznej klimatizácie. V súčasnosti zavádzajú túto technológiu mnohí výrobcovia áut. Najmä veľkí hráči na trhu ju už začlenili do štandardnej výbavy svojich najpopulárnejších značiek.

Vysokonapäťové ohrievače PTC

Elektrické vysokonapäťové odporové vyhrievače PTC premieňajú elektrickú energiu priamo na teplo. Ide o najjednoduchší spôsob, ale zároveň najmenej energeticky účinný. Používa sa najmä na rýchle zahriatie interiéru, keď je vonku extrémny mráz alebo keď tepelné čerpadlo ešte nedosahuje optimálny výkon. Podľa vyššie uvedených faktorov budú elektromobily viac potrebovať systém riadenia teploty. A elektrický ohrievač je jednou z veľmi dôležitých súčastí elektromobilov.

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.

PTC ohrievač vzduchu

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.

Ohrievač chladiacej kvapaliny PTC

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. 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.

Odpadné teplo z elektrického pohonu

Využíva sa aj odpadné teplo z elektrického pohonu, pretože elektromotor a výkonová elektronika pri prevádzke produkujú teplo. Toto teplo sa môže čiastočne využiť na vykurovanie interiéru. Je to aj druh prídavného vykurovania. 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, doplňte 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.

Ohrev batérie

Batéria elektromobilu je citlivá na teplotu. Pri nízkych teplotách sa jej kapacita znižuje a nabíjanie je pomalšie. Preto sa batéria často predhrieva, aby sa optimalizoval jej výkon a dojazd. Na predohrev batérie sa využíva odpadné teplo z elektrického pohonu. Ak je k dispozícii, môže sa využiť na ohrev chladiacej kvapaliny batérie. V niektorých prípadoch sa tepelné čerpadlo môže použiť aj na ohrev batérie. Kombinácia oboch systémov umožňuje optimalizovať vykurovanie za rôznych podmienok. PTC vysokonapäťový ohrievač zabezpečí rýchly nárast teploty, zatiaľ čo tepelné čerpadlo bude následne udržiavať príjemnú teplotu v interiéri s vyššou účinnosťou.

Technológia samoohrievania akumulátora elektrického vozidla 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.

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.

Dieselové ohrievače

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 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 materiál fázovej zmeny. Teplo sa potom podľa potreby uvoľňuje do interiéru vozidla.

Prehľad vykurovacích technológií

Nižšie uvedená tabuľka porovnáva rôzne vykurovacie technológie z hľadiska nákladov, účinnosti a zložitosti.

Dojazd a vykurovanie v chladnom počasí

Vykurovanie elektromobilu je komplexný proces, ktorý sa líši v závislosti od konkrétneho modelu a vonkajších podmienok. Startup Recurrent zhromaždil údaje od viac ako 18 000 elektromobilov v USA a zistil, ako chlad ovplyvňuje 20 najobľúbenejších modelov. 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. Aj keď skúsení vodiči elektromobilov tieto fakty už poznajú, pre nových majiteľov môžu byť prekvapením. Rastúca popularita elektromobilov znamená, že viac ľudí sa s týmito sezónnymi výzvami stretne prvýkrát.

Platforma Recurrent každoročne testuje elektromobily s cieľom zistiť, ako vplýva chladné počasie na ich dojazd. Odborníci z Recurrent zozbierali údaje o 18 000 elektromobiloch trinástich modelov počas jazdy v rôznych poveternostných podmienkach. Analýza ukázala, že modely bez tepelného čerpadla mali v priemere o 21 percent kratší dojazd, keď teploty klesli pod bod mrazu. Strata sa však výrazne líšila medzi jednotlivými modelmi a rokom ich uvedenia na trh. Vo všeobecnosti sa v správe uvádza, že tepelné čerpadlá predĺžili v mrazivých podmienkach dojazd automobilov o približne 10 percent. Tieto komponenty tak zohrávajú dôležitú úlohu pre spotrebiteľov, ktorí žijú v oblastiach s chladnejším podnebím. Štúdie ukazujú, že výkon potrebný na vykurovanie kabíny má podstatný vplyv na stratu dojazdu elektroáut.

Príklad situácie v zápche

Ak vozidlo po dlhšej jazde, kedy pracuje tepelné čerpadlo a batéria je dostatočne zahriata, zastaví v zápche (snehová kalamita), vonku je teplota -10°C, vo vozidle sú tri osoby a ostane zapnutý len ventilátor kúrenia, ide napríklad o model Tesla so 100 kWh batériou a 50% kapacitou, teda ak je k dispozícii 50 kWh, koľko hodín sa môžeme spoľahnúť na kúrenie? Vzhľadom na veľkú zostávajúcu kapacitu batérie (50 kWh) a nízku spotrebu energie, je možné predpokladať, že vozidlo dokáže udržať posádku v teple nielen niekoľko hodín, ide o viac ako 10. Treba však rátať s tým, že čím je vonku chladnejšie, tým rýchlejšie sa bude vozidlo ochladzovať. Čím je vonku chladnejšie, tým vyššia bude spotreba na udržanie teploty aj v interiéri vozidla so spaľovacím motorom. Zaváži aj typ vykurovacieho systému, niektoré systémy sú energeticky náročnejšie ako iné.

Zhruba sa dá povedať, že priemerné vozidlo strednej triedy so spaľovacím motorom spotrebuje počas voľnobehu so zapnutým kúrením približne 0,7 až 1 liter benzínu za hodinu. Toto číslo je však len orientačné a v konkrétnych prípadoch sa môže výrazne líšiť. Ak vám teda v nádrži žblnkoce 10 litrov paliva a dostanete sa do zápchy pri snehovej kalamite, ste na tom rovnako ako vodič elektromobilu s 50% kapacitou batérie (príklad spomínaný vyššie).

Optimalizácia vykurovania a tipy pre vodičov

Pri kúpe elektromobilu je lepší model ten, ktorý disponuje PTC vykurovaním aj tepelným čerpadlom. Pre nových majiteľov elektromobilov je dôležité poznať možnosti optimalizácie vykurovania:

• 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.

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

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