Ogrzewanie w samochodach elektrycznych i hybrydowych PHEV – jak działa?

Ogrzewanie kabiny jest niezbędne w każdym pojeździe, bez względu na rodzaj napędu. Zapewnia ono komfort termiczny kierowcy i pasażerom. To nie tylko kwestia wygody, ale także bezpieczeństwa jazdy. Zmarznięty kierowca będzie miał ogromne problemy z zachowaniem odpowiedniej koncentracji na drodze i może doprowadzić do wypadku.

Sprawne ogrzewanie kabiny jest również niezwykle pomocne w przypadku typowego problemu, z jakim kierowcy spotykają się jesienią, zimą czy w trakcie deszczu, czyli z parowaniem szyb.

Standardowe ogrzewanie kabiny nie zdaje egzaminu w samochodzie elektrycznym

Jak działa standardowe ogrzewanie kabiny w samochodach z silnikami benzynowymi, diesla oraz w samochodach z napędem hybrydowym starszego typu? Silniki spalinowe produkują w trakcie pracy bardzo dużo ciepła. Ciepło to jest odprowadzane przez układ chłodzenia. Odbiera je ciecz chłodząca, krążąca w układzie chłodzenia.

Ciecz chłodząca przepływa przez nagrzewnicę, która swoją budową przypomina chłodnicę samochodową. Nagrzewnica jest zamontowana przy grodzi, oddzielającej silnik auta od kabiny pasażerskiej. Przed nagrzewnicą zamontowany jest wentylator elektryczny. Kiedy silnik się rozgrzeje, ciepłe powietrze jest pompowane do wnętrza kabiny. Oczywiście, trzeba czekać, aż silnik się rozgrzeje, a to może potrwać, zwłaszcza wtedy, gdy na dworze jest mróz.

Jak cały proces przyspieszyć? Wystarczy zastosować specjalny ogrzewacz elektryczny płynu chłodniczego, a dodatkowo także termostat, sterowany elektronicznie. Dzięki temu już po kilkudziesięciu sekundach do kabiny pompowane jest ciepłe powietrze. Ciepły płyn chłodniczy rozgrzewa także olej silnikowy. Silnik spalinowy znacznie szybciej osiąga temperaturę roboczą, a zatem, znacznie szybciej osiąga stan, w którym zużywa mało paliwa i emituje mało spalin.

Takie rozwiązanie sprawdza się w każdym samochodzie z napędem spalinowym, a także w samochodach hybrydowych, w których silnik elektryczny służy jedynie do wspomagania jednostki spalinowej, jej uruchamiania itd., bez możliwości samodzielnego napędzania kół.

Czy można przenieść taki układ do hybrydy PHEV albo samochodu elektrycznego?

Hybryda PHEV to samochód, który jest wyposażony w silnik spalinowy, elektryczny, automatyczną (bezstopniową, CVT) skrzynię biegów, a także baterię litowo – jonową o niezbyt dużej pojemności. Kiedy hybryda PHEV jedzie z większą prędkością, jest napędzana przez jednostkę spalinową; kiedy jedzie z małą prędkością, tak zwaną miejską, jest napędzana przez silnik elektryczny zasilany z baterii.

Kiedy hybryda PHEV korzysta z napędu spalinowego, może ogrzewać kabinę tak, jak w przypadku standardowych aut spalinowych, ciepłem, odbieranym od płynu chłodniczego, który utrzymuje silnik spalinowy w odpowiedniej temperaturze roboczej. Jak ogrzewać silnik, kiedy samochód hybrydowy korzysta z napędu elektrycznego i jest zasilany z baterii?

Zamontować grzałkę elektryczną – i to wszystko!

Ludzie od dziesiątek lat znają proste i bardziej zaawansowane urządzenia elektryczne do ogrzewania różnych powierzchni, od prostych farelek, do ogrzewaczy przemysłowych (przeznaczonych także do osuszania ścian) które są w stanie wygenerować nawet 10kW mocy grzewczej. Takie urządzenia mają bardzo prostą budowę, składają się z elementów grzejnych i wentylatora. Przepływ prądu 230V powoduje nagrzewanie elementów grzejnych. Wentylator odpowiednio ukierunkowuje strumień ciepłego powietrza. I gotowe.

Dlaczego takiego prostego urządzenia nie da się zamontować w samochodzie elektrycznym? Potencjometr do zwiększania lub zmniejszania mocy, wentylator i już mamy ogrzewanie! Źródłem zasilania będzie bateria litowo – jonowa, litowo - polimerowa albo każdy inny zespół akumulatorów trakcyjnych, będący źródłem energii dla auta.

I takie ogrzewanie było stosowane w pierwszych modelach samochodów elektrycznych.

Proste nagrzewnice elektryczne (grzałki elektryczne) działające jak domowe farelki. W przypadku auta mogły działać z większą mocą, bo napięcie generowane przez instalację elektryczną pojazdu elektrycznego może wynieść nawet 360 lub 600 V (w porównaniu do 230V, płynących w domowym gniazdku).

Pojawił się jednak jeden, poważny problem: zużycie energii elektrycznej. Żeby zapewnić komfortowe ciepło we wnętrzu średniej wielkości auta elektrycznego, albo hybrydowego, konieczne było zastosowanie grzałek elektrycznych o mocy od 2 do 4 kW. W trakcie kilkustopniowego mrozu, takie grzałki elektryczne, musiały pracować na pełnej mocy. Jaki był skutek? Ogromny pobór energii z baterii samochodów. I bardzo duży spadek zasięgu. Przy kilkustopniowym mrozie jazda z włączonym ogrzewaniem mogła spowodować spadek zasięgu auta o 40% (test American Automobile Association z 2019 roku).

Konieczne było opracowanie nowych rozwiązań. Początkowo proponowano ogrzewanie foteli, które miało zużywać mniej prądu, niż ogrzewanie całej kabiny. Jednak inżynierowie pracowali dalej.

Czy można wykorzystać układ chłodzenia do ogrzewania kabiny, jak w aucie spalinowym?

Samochód elektryczny też ma układ chłodzenia. W niektórych autach układ ten chłodzi silnik elektryczny oraz towarzyszącą mu elektronikę sterującą (falownik). Ale silnik elektryczny, choć też grzeje się w trakcie pracy, nie wytwarza tak dużej ilości ciepła, jak spalinowy. We wszystkich autach elektrycznych układ ten chłodzi albo ogrzewa ogniwa baterii litowo - jonowej (albo litowo – polimerowej w starszych samochodach). Ale tu znów jest problem: temperatura robocza baterii litowo – jonowej wynosi od 10 do 55 st. Celsjusza. Jej ładowanie może odbywać się przy maksymalnej temperaturze baterii do 45 st. Celsjusza. Nie bardzo jest zatem z czego odebrać ciepło i skierować je do ogrzewania kabiny, nawet przy maksymalnej temperaturze baterii 55 st. C.

Dla porównania, płyn chłodniczy we współczesnym samochodzie z silnikiem spalinowym osiąga temperaturę od 90 do 115 st. C (przy silniku, który osiągnął temperaturę roboczą). I tutaj jest z czego pozyskać ciepło i oddać je do kabiny. Jak zatem rozwiązano problem ogrzewania w autach elektrycznych?

Dogrzewanie płynu chłodniczego w samochodzie elektrycznym i hybrydowym

Najprostszym rozwiązaniem okazało się zastosowanie dogrzewacza elektrycznego. W przeciwieństwie do prostych dogrzewaczy 12V, stosowanych w nielicznych samochodach spalinowych, w autach elektrycznych i hybrydowych, zastosowano dogrzewacz wysokonapięciowy. Dzięki temu może być on mały pojemnościowo (wielkość kartki A4, grubość kilkunastu centymetrów) i bardzo wydajny. Moc dogrzewacza zależna jest od napięcia prądu. Może on osiągnąć nawet 7 kW mocy grzewczej.

Kiedy kierowca włącza ogrzewanie auta, załącza się pompa cyrkulacyjna (napędzana elektrycznie), która powoduje krążenie płynu chłodniczego pomiędzy nagrzewaczem a wymiennikiem ciepła. Prąd z baterii płynie także do dogrzewacza elektrycznego. Dogrzewacz, za pomocą warstwowego elementu grzejnego ogrzewa płyn i może rozgrzać płyn do temperatury 90 st. C. Gorący płyn przepływa przez wymiennik ciepła, a wentylator pompuje ciepłe powietrze do wnętrza kabiny auta.

Pompa ciepła w samochodzie elektrycznym, czyli klimatyzacja, która pracuje w dwie strony

Klimatyzacja w samochodzie elektrycznym i hybrydowym niewiele różni się od tej, stosowanej w aucie z silnikiem spalinowym. W benzyniaku albo dieslu sprężarka klimatyzacji jest napędzana przez pasek wieloklinowy. Pasek ten przekazuje napęd z koła pasowego na wale korbowym. W samochodach elektrycznych sprężarka jest napędzana przez silnik elektryczny.

Od pewnego czasu na ścianach domów, hal produkcyjnych, magazynowych i budynków handlowo usługowych możemy spotkać pompy ciepła powietrze – powietrze. Są znane także jako klimatyzatory split. Składają się z niewielkiej jednostki wewnętrznej, a także dużej jednostki zewnętrznej, z wentylatorem. Urządzenia te pełnią dwie funkcje. Latem chłodzą wnętrza pomieszczeń, jak standardowa klimatyzacja samochodowa. Po odwróceniu obiegu czynnika mogą być użyte do dogrzewania wnętrz. I podobne rozwiązanie zaczęto stosować w samochodach elektrycznych. Dodatkowo, samochodowa pompa ciepła może być sprzężona z układem chłodzenia i ogrzewania baterii oraz chłodzenia silnika.

Samochodowa pompa ciepła jest po prostu bardziej rozbudowanym układem klimatyzacji, z krążącym w nim czynnikiem chłodniczym. Centralnym elementem jest sprężarka napędzana silnikiem elektrycznym. Może ona pracować także podczas postoju, oczywiście, jeśli w baterii samochodu jest odpowiednia ilość energii.

Samochodowa pompa ciepła wyposażona jest w większą liczbę przewodów oraz szereg dodatkowych zaworów, w stosunku do standardowego układu klimatyzacji. Jest to niezbędne, aby móc w razie potrzeby odwracać obieg czynnika chłodniczego.

Przy standardowym chłodzeniu, pompa ciepła odbiera ciepło z wnętrza kabiny i odprowadza je na zewnątrz poprzez skraplacz. Po odwróceniu obiegu płynu, pompa odbiera ciepło z układu chłodzenia i ogrzewania baterii i kieruje je do wnętrza kabiny.

Jest jeszcze jedna różnica, w stosunku do standardowej klimatyzacji, stosowanej w samochodzie z silnikiem spalinowym. Jeśli klima jest uszkodzona, albo działa z niewłaściwą wydajnością (na skutek np. wycieków), uda się bez problemu uruchomić silnik samochodu spalinowego. Po prostu, nie będzie chłodzenia. Klimatyzacja nie ma nic wspólnego z pracą silnika. Tymczasem w aucie elektrycznym albo hybrydowym z pompą ciepła, awaria układu spowoduje niemożność uruchomienia silnika auta. Zatem jest tu wskazany wyjątkowo dokładny serwis klimatyzacji.

Promienniki podczerwieni w aucie elektrycznym

Od kilku lat producenci systemów grzewczych do zastosowań domowych starają się namówić klientów na zakup systemów ogrzewania podczerwienią. Mają one różną formę, od ekranów, które mogą mieć formę obrazów, poprzez panele ogrzewania sufitowego, aż po ogrzewanie podłogowe, ukryte pod panelami albo terakotą. Emituje ono promienie podczerwieni i jest uznawane za jedno z najzdrowszych. Ogrzewanie na podczerwień nie ogrzewa powietrza. Fale promieniują na człowieka, a także na meble i ściany, odbijając się od nich.

Taki rodzaj ogrzewania zastosowano w kilku nowych modelach samochodów elektrycznych wyższych klas. Promienniki podczerwieni montuje się tak, aby były one skierowane na kierowcę i na pasażerów, czyli np. w słupkach i podłokietnikach. Jest to jedynie system dogrzewania, a nie ogrzewania samochodu. Zaprojektowano go z myślą o zapewnieniu komfortu termicznego podczas jazdy na krótkich trasach. Dodatkowo, jak wspomnieliśmy wcześniej, promienniki podczerwieni nie ogrzewają powietrza. Zatem nie usuną także pary z szyb.

Tak wyglądają współczesne systemy ogrzewania w samochodach elektrycznych. Każdy z nich zużywa energię i każdy z nich jest drogi. Tak samo, jak auta elektryczne. Czy to się kiedyś zmieni?

Michał Lisiak