strona główna Opracowania teoretyczne Zarządzanie temperaturą w pojazdach elektrycznych
2021-06-09, ostatnia aktualizacja 2021-06-09 06:00

Zarządzanie temperaturą w pojazdach elektrycznych

Fot. Mahle

Fot. Mahle

Aby pojazd elektryczny mógł pracować z optymalną sprawnością, konieczne jest utrzymanie temperatury silnika elektrycznego, układów energoelektronicznych i akumulatora w ściśle określonym zakresie temperatur. Może to zapewnić jedynie zaawansowany system zarządzania temperaturą.

Obwód bazujący na czynniku chłodniczym

Obwód systemu bazującego na czynniku chłodniczym (rys. 1) składa się z następujących głównych komponentów: skraplacz, parownik i akumulator (ogniwa akumulatorowe, płyta chłodząca i elektryczny dogrzewacz). Zasilany jest przez obieg czynnika chłodniczego układu klimatyzacji i sterowany osobno przez zawory i czujniki temperatury. Opis funkcjonowania poszczególnych komponentów znajduje się w dalszej części artykułu.

Rys. 1. Obwód bazujący na czynniku chłodniczym

Obwód bazujący na chłodziwie i czynniku chłodniczym

Im mocniejsze akumulatory, tym bardziej celowe jest zastosowanie stosunkowo złożonego układu chłodzenia opartego na chłodziwie i czynniku chłodniczym (rys. 2). Cały układ podzielony jest na kilka obiegów, z których każdy ma własną chłodnicę niskotemperaturową, pompę chłodziwa, termostat i zawór odcinający dopływ chłodziwa. Obieg czynnika chłodniczego systemu klimatyzacji jest również zintegrowany z tym systemem za pośrednictwem specjalnego wymiennika ciepła. Wysokonapięciowy (HV – high voltage) grzejnik chłodziwa zapewnia odpowiednią temperaturę akumulatora przy niskich temperaturach zewnętrznych.

Rys. 2. Obwód bazujący na chłodziwie i czynniku chłodniczym (lub pośrednie chłodzenie akumulatorowe)

Temperatura płynu chłodzącego silnik elektryczny i układu energoelektronicznego jest utrzymywana poniżej 60°C w oddzielnym obiegu (wewnętrzny obieg na rysunku) za pomocą niskotemperaturowej chłodnicy. Aby uzyskać pełną moc i zapewnić maksymalną trwałość akumulatora, należy utrzymywać temperaturę płynu chłodzącego akumulator w przedziale od około 15°C do 30°C. Jeśli temperatury są zbyt niskie, chłodziwo jest podgrzewane przez dogrzewacz wysokonapięciowy. Z kolei przy zbyt wysokich – płyn chłodzący jest schładzany przez chłodnicę niskotemperaturową. Jeśli to nie wystarczy, płyn jest dalej chłodzony za pomocą wymiennika ciepła (chłodziarki / chillera), zintegrowanego zarówno z obiegiem chłodziwa, jak i obiegiem czynnika chłodniczego. W takim przypadku czynnik chłodniczy układu klimatyzacji przepływa przez chłodziarkę, aby nadal obniżać temperaturę chłodziwa również cyrkulującego przez ten podzespół. Cały proces regulacji jest realizowany za pomocą poszczególnych termostatów, czujników, pomp i zaworów.

Opis podzespołów

Akumulator wysokiego napięcia

Akumulator wysokiego napięcia (akumulator HV) jest – obok silnika elektrycznego – jednym z kluczowych elementów pojazdu elektrycznego. Składa się z połączonych ze sobą modułów bateryjnych, które z kolei składają się z ogniw. Akumulatory oparte są zazwyczaj na technologii litowo-jonowej i charakteryzują się wysoką gęstością energii. Ze względu na malejącą intensywność reakcji chemicznej sprawność akumulatora znacznie spada w temperaturach poniżej 0°C. W temperaturach powyżej 30°C proces starzenia mocno przyspiesza, a w temperaturach powyżej 40°C może dojść do uszkodzenia akumulatora. Aby osiągnąć jak najdłuższą żywotność i sprawność, akumulator musi być eksploatowany w określonym zakresie temperatur.

Chiller

Chłodziarka to specjalny wymiennik ciepła podłączony zarówno do obiegu chłodziwa, jak i do obiegu czynnika chłodniczego, co pozwala na dodatkowe obniżenie temperatury chłodziwa przez czynnik chłodniczy z układu klimatyzacji. Dzięki temu akumulator może być w razie potrzeby chłodzony pośrednio przez układ klimatyzacji. W tym celu chłodziwo z obiegu wtórnego przepływa przez płyty chłodzące akumulatora. Po pobraniu ciepła medium chłodzące jest schładzane do temperatury początkowej w chłodziarce. Obniżenie temperatury w chłodziarce następuje przez odparowanie innego czynnika chłodniczego cyrkulującego w obiegu pierwotnym.

Chłodnica niskotemperaturowa

Temperatura płynu chłodzącego silnik elektryczny i układów energoelektronicznych jest utrzymywana poniżej 60°C w oddzielnym obiegu chłodzącym za pomocą chłodnicy niskotemperaturowej.

Wysokonapięciowy dogrzewacz chłodziwa

Jeśli temperatury są zbyt niskie, chłodziwo jest podgrzewane przez elektryczny dogrzewacz wysokonapięciowy. Jest on zintegrowany z obiegiem chłodziwa.

Dogrzewacz elektryczny

W pojazdach elektrycznych nie występuje ciepło odpadowe z silnika, które byłoby przenoszone na chłodziwo. Konieczne jest więc ogrzewanie kabiny za pomocą dogrzewacza elektrycznego umieszczonego w systemie wentylacyjnym.

Termostat

Termostaty (elektryczne lub mechaniczne) utrzymują temperaturę chłodziwa na stałym poziomie.

Chłodnica akumulatora

Z każdej strony płyt chłodzących znajduje się jeden segment akumulatorowy. Segmenty akumulatorowe i płyty chłodzące tworzą trwale połączony moduł akumulatorowy. W przypadku bezpośredniego chłodzenia akumulatora przez płyty chłodzące przepływa czynnik chłodniczy systemu klimatyzacji. W przypadku pośredniego chłodzenia akumulatora przez płyty chłodzące przepływa chłodziwo. Jeśli wydajność chłodzenia nie wystarcza do pośredniego chłodzenia akumulatora, chłodziwo może być dodatkowo chłodzone przez chłodziarkę. Chłodziarka jest specjalnym wymiennikiem ciepła, służącym do pośredniego chłodzenia akumulatorów i zintegrowanym zarówno z obiegiem chłodziwa, jak i z obiegiem czynnika chłodniczego.

Zawór odcinający

Zawory odcinające są sterowane elektrycznie i w razie potrzeby otwierają lub zamykają części obwodu chłodziwa/czynnika chłodniczego lub łączą ze sobą kilka obwodów.

Układ energoelektroniczny

Jego zadaniem w pojeździe jest sterowanie silnikami elektrycznymi, komunikacja z układem sterowania pojazdu i diagnostyka napędu. Układ energoelektroniczny (zwany też elektroniką mocy) składa się z reguły ze sterownika elektronicznego, falownika i przetwornicy DC/DC. Aby układ energoelektroniczny mógł być utrzymywany w określonym zakresie temperatur, musi być podłączony do układu chłodzenia/ogrzewania pojazdu.

Skraplacz

Skraplacz jest potrzebny do chłodzenia czynnika chłodniczego rozgrzanego wskutek sprężenia w kompresorze. Gorący gazowy czynnik chłodniczy wpływa do skraplacza i oddaje ciepło do otoczenia przez przewód rurowy i blaszki (lamele). W wyniku schłodzenia stan skupienia czynnika chłodniczego zmienia się z gazowego na ciekły.

Elektryczny kompresor klimatyzacji

Kompresor jest zasilany elektrycznie przez prąd o wysokim napięciu. Umożliwia to również chłodzenie wnętrza pojazdu przy wyłączonym silniku. Ponadto układ klimatyzacji może również schładzać chłodziwo.

Klimatyzacja kabinowa

W konwencjonalnych układach napędowych z silnikiem spalinowym klimatyzacja wnętrza pojazdu zależy bezpośrednio od pracy silnika ze względu na napędzany mechanicznie kompresor.

Również w pojazdach określanych przez specjalistów jako mikrohybrydowe i posiadających tylko funkcję start-stop stosuje się kompresory napędzane pasem. Skutkuje to tym, że po zatrzymaniu pojazdu i wyłączeniu silnika już po upływie 2 sekund wzrasta temperatura na wylocie parownika klimatyzacji. Związany z tym powolny wzrost temperatury i wilgotności wywiewanego powietrza pasażerowie pojazdu odbierają jako nieprzyjemny. Aby zlikwidować ten problem, można stosować opracowane niedawno akumulatory zimna (tzw. akumulacyjne parowniki).

Parownik akumulacyjny składa się z dwóch elementów: bloku parownika i bloku akumulacyjnego. W fazie rozruchu lub podczas pracy silnika przez oba te bloki przepływa czynnik chłodniczy. W międzyczasie medium latentne znajdujące w parowniku jest schładzane tak mocno, że zamarza. Staje się w ten sposób akumulatorem zimna.

W fazie stop silnik jest wyłączony i kompresor nie jest napędzany. Ciepłe powietrze przepływające obok parownika ochładza się i następuje wymiana ciepła. Wymiana ta trwa do momentu całkowitego stopienia medium latentnego. Po ponownym ruszeniu proces zaczyna się od nowa, dzięki czemu już po minucie parownik akumulacyjny może znowu chłodzić powietrze.

W pojazdach bez parownika akumulacyjnego przy bardzo ciepłej pogodzie już po krótkim postoju konieczne jest ponowne uruchomienie silnika. Tylko w ten sposób można utrzymać chłodzenie wnętrza pojazdu. W razie potrzeby klimatyzacja wnętrza pojazdu obejmuje również ogrzewanie kabiny.

W pojazdach typu full-hybrid podczas jazdy na napędzie elektrycznym silnik spalinowy jest wyłączony. Ciepło resztkowe znajdujące się w obiegu wody wystarcza do ogrzania kabiny tylko przez krótki czas. Jako wsparcie włączane są dogrzewacze wysokonapięciowe, które przejmują funkcję ogrzewania. Ich sposób działania przypomina działanie suszarki do włosów: powietrze wciągane przez dmuchawę kabinową jest ogrzewane podczas przepływania przez elementy grzejne i – już ogrzane – dostaje się do wnętrza pojazdu.

Wysokonapięciowy kompresor klimatyzacji

Pojazdy typu full-hybrid wykorzystują elektryczne kompresory wysokonapięciowe, które nie są uzależnione od pracy silnika spalinowego. Dzięki tej nowatorskiej koncepcji napędu możliwe są funkcje, które dodatkowo zwiększają komfort w zakresie klimatyzacji pojazdu.

Przed rozpoczęciem jazdy możliwe jest wstępne schłodzenie rozgrzanego wnętrza pojazdu do żądanej temperatury. Funkcją można sterować zdalnie.

Takie chłodzenie postojowe może się odbywać tylko w zależności od dostępnej pojemności akumulatora. Kompresor jest wysterowywany z możliwie jak najmniejszą mocą, z uwzględnieniem żądanej temperatury i energii dostępnej na potrzeby klimatyzacji.

Sterowanie mocą stosowanych obecnie kompresorów wysokonapięciowych odbywa się poprzez odpowiednią adaptację prędkości obrotowej w krokach co 50 obr./min. Dzięki temu nie ma konieczności wewnętrznej regulacji mocy.

W odróżnieniu od zasady tarczy sterującej stosowanej najczęściej w kompresorach z napędem pasowym, w kompresorach wysokonapięciowych do sprężania czynnika chłodniczego wykorzystywana jest zasada działania spirali. Zaletą tych kompresorów jest redukcja masy o około 20% i zmniejszenie objętości skokowej o tę samą wartość przy zachowaniu identycznej mocy.

W celu uzyskania odpowiednio wysokiego momentu obrotowego do napędzania kompresora elektrycznego stosuje się napięcie stałe o wartości ponad 200 V – a więc bardzo wysokie jak na pojazd mechaniczny. Falownik wbudowany w silnik elektryczny przekształca to napięcie stałe na trójfazowe napięcie przemienne, którego wymaga bezszczotkowy silnik elektryczny. Konieczne odprowadzanie ciepła z falownika i uzwojeń silnika jest możliwe dzięki przepływowi czynnika chłodniczego z powrotem na stronę ssącą.

Zarządzanie temperaturą akumulatora

Akumulator jest niezbędnym elementem funkcyjnym pojazdu elektrycznego i hybrydowego. Musi szybko i niezawodnie zapewniać ogromne ilości energii dla napędu. Większość akumulatorów to wysokonapięciowe akumulatory litowo-jonowe i niklowo-metalowo-wodorkowe. Dzięki temu możliwa jest dodatkowa redukcja masy i wielkości akumulatorów pojazdów hybrydowych.

Stosowane akumulatory muszą pracować w określonym przedziale temperatur. Od temperatury pracy +40°C skraca się trwałość, a poniżej 0° zmniejsza się wydajność i moc akumulatora. Poza tym różnica temperatur pomiędzy poszczególnymi ogniwami nie może przekraczać określonej wartości.

Krótkotrwałe obciążenia szczytowe w połączeniu z wysokimi prądami występującymi podczas rekuperacji i boostingu powodują silne nagrzewanie ogniw. W miesiącach letnich osiąganie krytycznej wartości 40°C przyspieszają również wysokie temperatury otoczenia.

Konsekwencją przekroczenia temperatury jest przyspieszenie procesu starzenia i związana z tym przedwczesna awaria akumulatora. Producenci pojazdów dążą do osiągnięcia obliczeniowej żywotności eksploatacyjnej akumulatora na poziomie 1 okresu żywotności eksploatacyjnej samochodu (ok. 8–10 lat). Przedwczesnemu wyeksploatowaniu akumulatora można więc zapobiec, stosując odpowiednie systemy zarządzania temperaturą. Do tej pory w pojazdach stosowano trzy takie systemy.

Opcja 1

Powietrze jest zasysane z klimatyzowanego wnętrza pojazdu i wykorzystywane do chłodzenia akumulatora. Chłodne powietrze zassane z wnętrza pojazdu ma temperaturę poniżej 40°C. Powietrze to przepływa wokół swobodnie dostępnych powierzchni akumulatora.

Rys. 3. Opcja 1

Wady tego rozwiązania:

  • Niska skuteczność chłodzenia.
  • Powietrze zasysane z wnętrza pojazdu nie wystarcza do równomiernej redukcji temperatury.
  • Znaczny nakład związany z systemem doprowadzania powietrza.
  • Możliwość występowania we wnętrzu pojazdu nieprzyjemnych odgłosów generowanych przez dmuchawę.
  • Kanały powietrzne tworzą bezpośrednie połączenie między przestrzenią pasażerską a akumulatorem. Należy to uznać za problematyczne ze względów bezpieczeństwa (np. możliwość uchodzenia gazu z akumulatora).
  • Nie wolno też lekceważyć niebezpieczeństwa zanieczyszczenia zespołu akumulatorowego, ponieważ powietrze z wnętrza pojazdu zawiera pył i kurz. Pył odkłada się między ogniwami i w połączeniu ze skroploną wodą z powietrza tworzy osad przewodzący prąd. Osad ten zwiększa możliwość występowania prądów pełzających w akumulatorze.

Aby tego zagrożenia uniknąć, zasysane powietrze jest filtrowane. Alternatywnie powietrze może też być chłodzone przez oddzielny, mały klimatyzator, podobny do osobnych układów klimatyzacji tylnych siedzeń w samochodach klasy premium.

Opcja 2

Specjalna płyta parownika jest umieszczona w ogniwie akumulatora i podłączona do systemu klimatyzacji w pojeździe. Wykorzystuje się przy tym metodę tak zwanego splittingu po stronie wysoko- i niskociśnieniowej przez przewody elastyczne i zawór rozprężny. W ten sposób zarówno parownik wnętrza pojazdu, jak i parownik płytowy akumulatora, który funkcjonuje jak zwykły parownik, są włączone do tego samego obwodu.

Różne zadania obu parowników skutkują odpowiednio różnymi wymaganiami dotyczącymi przepływu czynnika chłodniczego.

Rys. 4. Opcja 2

O ile układ chłodzenia wnętrza pojazdu musi spełniać wymagania pasażerów, to akumulator wysokonapięciowy wymaga odpowiednio słabszego lub silniejszego chłodzenia w zależności od warunków jazdy i temperatury otoczenia.

Wymagania te skutkują koniecznością skomplikowanej regulacji ilości odparowywanego czynnika chłodniczego. Specjalna konstrukcja parownika płytowego umożliwia integrację komponentu z akumulatorem i zapewnia dużą powierzchnię wymiany ciepła. Gwarantuje to utrzymywanie temperatury poniżej krytycznej wartości 40°C.

Przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych konieczne jest podnoszenie temperatury do wartości idealnej dla akumulatora, wynoszącej co najmniej 15°C. W tej sytuacji parownik płytowy jest jednak bezużyteczny. Zimny akumulator ma niższą sprawność niż akumulator o odpowiedniej temperaturze, a w bardzo niskich temperaturach poniżej zera stopni nie można go w ogóle ładować. W pojazdach typu mild-hybrid jest to akceptowalne: w skrajnej sytuacji funkcja napędu hybrydowego jest dostępna jedynie w ograniczonym zakresie. Jazda na silniku spalinowym jest jednak możliwa. W pojeździe o napędzie wyłącznie elektrycznym konieczne jest ogrzewanie akumulatora umożliwiające uruchomienie pojazdu i jazdę w każdej sytuacji, również w zimie.

Wymiana samego parownika płytowego zintegrowanego bezpośrednio z akumulatorem nie jest możliwa. W razie usterki konieczna jest więc wymiana całego akumulatora.

Opcja 3

W przypadku akumulatorów o większej pojemności prawidłowa temperatura ma fundamentalne znaczenie. W związku z tym przy bardzo niskich temperaturach wymagane jest dodatkowe ogrzewanie akumulatora, pozwalające na utrzymanie temperatury w optymalnym zakresie. Tylko w ten sposób można uzyskać zadowalający zasięg w trybie jazdy na napędzie elektrycznym.

Rys. 5. Opcja 3

W celu realizacji dodatkowego ogrzewania akumulator jest zintegrowany z obwodem wtórnym. Obwód ten zapewnia stałą, idealną temperaturę roboczą w zakresie od 15°C do 30°C. W bloku akumulatorowym znajduje się zintegrowana płyta chłodząca, przez którą przepływa chłodziwo stanowiące mieszaninę wody i glikolu (zielony obwód na rysunku). Przy niskich temperaturach chłodziwo może zostać szybko ogrzane do idealnej temperatury przez układ ogrzewania. W przypadku wzrostu temperatury w akumulatorze podczas korzystania z funkcji hybrydowych ogrzewanie jest wyłączane. Chłodziwo może być wtedy chłodzone przez pęd powietrza w znajdującej się w przedniej części pojazdu chłodnicy akumulatora lub chłodnicy niskotemperaturowej.

W przypadku, gdy przy wysokich temperaturach zewnętrznych moc chłodzenia zapewniana przez chłodnicę akumulatora jest niewystarczająca, chłodziwo przepływa przez chłodziarkę (chiller). W chłodziarce następuje odparowywanie czynnika chłodniczego z układu klimatyzacji. Ponadto ciepło może być przenoszone z obiegu wtórnego na parujący czynnik chłodniczy w bardzo kompaktowy sposób i z wysoką gęstością mocy. Następuje wówczas dodatkowe chłodzenie wtórne chłodziwa. Dzięki zastosowaniu specjalnego wymiennika ciepła akumulator może być eksploatowany w optymalnym przedziale temperatur i z optymalną sprawnością.

Serwisowanie pojazdów elektrycznych i hybrydowych

Warsztaty samochodowe są zobowiązane do przeszkolenia wszystkich pracowników zajmujących się eksploatacją, konserwacją i naprawą pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Wszelkie prace przeglądowo-naprawcze (również przy układach wydechowych, oponach, amortyzatorach, wymianie oleju, opon itd.) mogą być wykonywane wyłącznie przez pracowników, którzy zostali odpowiednio przeszkoleni i poinstruowani o zagrożeniach związanych z takimi instalacjami.



Grzegorz Jurczuk
Dział Techniczny MAHLE Aftermarket



Wasi dostawcy

Podobne

Polecane