Czym różni się układ chłodzenia w hybrydach i elektrykach od tego samego układu w autach konwencjonalnych? Dlaczego w pojazdach z napędem alternatywnym tak ważną rolę pełni układ klimatyzacji? W artykule przedstawiamy odpowiedzi na te pytania, a także opisy i schematy, przygotowane we współpracy z przedstawicielami polskiego oddziału firmy MAHLE.

W pojazdach z napędem alternatywnym znajduje się więcej podzespołów wymagających kontroli termicznej niż w przypadku pojazdów z napędem spalinowym. Obecność silnika elektrycznego oraz baterii wymaga troski o utrzymanie optymalnych warunków pracy tych elementów, co wiąże się z koniecznością zapewnienia odpowiedniej temperatury. Nie chodzi tu wyłącznie o schładzanie w warunkach wysokich temperatur zewnętrznych, ale także o ogrzewanie, gdy temperatura otoczenia jest niska.

Optymalna temperatura baterii powinna wynosić od 15 do 30 st. C, a 40 st. jest tu wartością graniczną dla utrzymania prawidłowych parametrów pracy. Stworzenie takich warunków to zadanie przekraczające możliwości standardowego układu chłodzenia, obecnego w konwencjonalnych samochodach z napędem spalinowym. W autach hybrydowych i elektrycznych konieczne jest zatem rozbudowanie tego układu, a nawet integracja z innym. Mowa o układzie klimatyzacji, który pełni niebotyczną rolę w autach z napędami alternatywnymi nowej generacji.

Układ chłodzenia w samochodach hybrydowych – budowa

W konwencjonalnych układach napędowych z silnikiem spalinowym klimatyzacja wnętrza pojazdu zależy bezpośrednio od pracy silnika ze względu na napędzany mechanicznie kompresor klimatyzacji. Również w pojazdach określanych przez specjalistów jako mikrohybrydowe i posiadających tylko funkcję start-stop stosuje się kompresory klimatyzacji napędzane pasem. 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 klimatyzacji pojazdu (m.in. zdalne schłodzenie wnętrza przed rozpoczęciem jazdy), ale nie chodzi tu tylko o komfort.

W przypadku samochodów hybrydowych i elektrycznych, większość stosowanych akumulatorów to wysokonapięciowe akumulatory litowo-jonowe i niklowo-metalowo wodorkowe. Dzięki temu możliwa jest dodatkowa redukcja masy i zajmowanej przestrzeni. Stosowane akumulatory muszą pracować w określonym przedziale temperatur. Od temperatury pracy +40°C skraca się trwałość, a poniżej 0°C 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 do 10 lat). Przedwczesnemu wyeksploatowaniu akumulatora można więc zapobiec tylko stosując odpowiednie systemy zarządzania temperaturą. Do tej pory w pojazdach hybrydowych stosowano trzy różne systemy zarządzania temperaturą.

Systemy zarządzania temperaturą w samochodach hybrydowych

Poniżej opisujemy trzy różne systemy zarządzające temperaturą w pojazdach hybrydowych.

Możliwość 1.

W pierwszym, teoretycznie najprostszym systemie 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.

Wadą tego rozwiązania jest niska skuteczność chłodzenia. Powietrze zasysane z wnętrza pojazdu nie wystarcza do równomiernej redukcji temperatury. Problemem jest także bezpieczeństwo. Kanały powietrzne tworzą bezpośrednie połączenie między przestrzenią pasażerską a akumulatorem. Należy to uznać za problematyczne ze względu np. na  możliwość uchodzenia gazu z akumulatora. 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 zwiększa możliwość występowania prądów pełzających w akumulatorze. Aby uniknąć tego niebezpieczeństwa, 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.

Możliwość 2.

Specjalna płyta parownika umieszczona w ogniwie akumulatora jest 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 jednego i tego samego obwodu. Różne zadania obu parowników skutkują odpowiednio różnymi wymaganiami dotyczącymi przepływu czynnika chłodniczego.

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 praktycznie 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.

Możliwość 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. 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 odparowanie 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.

– Na powyższych grafikach można zauważyć, że występuje zależność pomiędzy ilością generowanej energii cieplnej a złożonością układu mającego na celu utrzymanie właściwej temperatury akumulatorów. W najprostszych rozwiązaniach chłodzenie akumulatora jest realizowane poprzez znane wszystkim elementy tworzące układ klimatyzacji. Zaawansowane rozwiązania umożliwiające kontrolę temperatury akumulatorów wykorzystują chiller, a więc połączenie parownika, zaworu rozprężnego i elektrozaworu. – tłumaczy Grzegorz Jurczuk, specjalista techniczny z firmy MAHLE Polska. – Pomimo zastosowania nowego elementu, który podwyższa koszt produkcji pojazdu, rozwiązania oparte o chiller są niezwykle wydajne, a jednocześnie pozbawione wad, takich jak niewystarczająca wydajność w różnych warunkach atmosferycznych, generowany hałas, czy integracja parowników płytkowych z akumulatorem, co w razie awarii parownika wymaga wymiany całego modułu akumulatora. – dodaje Grzegorz Jurczuk.

Układ chłodzenia w samochodach elektrycznych

W przypadku samochodów całkowicie elektrycznych zachodzi potrzeba jeszcze bardziej restrykcyjnej regulacji termicznej.

W samochodach elektrycznych układ chłodzenia podzielony jest na dwa obwody, z których każdy zawiera oddzielne chłodnice niskotemperaturowe, pompę płynu chłodzącego, termostat i zawór odcinający przepływ płynu chłodniczego. Układy odpowiedzialne za chłodzenie silnika i baterii oraz standardowe funkcje układu klimatyzacji są zintegrowane poprzez specjalną chłodziarkę (chiller). Nagrzewnica wysokonapięciowa zapewnia wystarczającą kontrolę temperatury akumulatora przy niskich temperaturach zewnętrznych. W tym przypadku, temperatura płynu dla schłodzenia silnika i jego osprzętu (wewnętrzny obieg na poniższej grafice) musi wynosić mniej niż 60 st. C.

Aby osiągnąć pełną wydajność przy jednoczesnym zapewnieniu jak najdłuższej żywotności baterii, silnika i osprzętu, należy zawsze utrzymywać temperaturę płynu chłodzącego akumulatora w zakresie od około 15°C do 30°C. Gdy temperatura staje się zbyt niska, płyn chłodzący jest podgrzewany przez nagrzewnicę wysokonapięciową. Gdy temperatura staje się zbyt wysoka, płyn jest ochładzany przez chłodnicę niskotemperaturową.

Jeśli to nie wystarcza (np. w środku gorącego lata), chiller zintegrowany zarówno z obwodem płynu chłodniczego jak i z obwodem czynnika chłodniczego (klimatyzacji), dodatkowo obniża temperaturę płynu. Czynnik chłodniczy klimatyzacji, przepływając przez chiller schładza płyn chłodniczy, który również przepływa przez chiller (zachodzi pośrednie chłodzenie akumulatora przez układ klimatyzacji). Całość sterowania realizowana jest za pomocą dedykowanych termostatów, czujników, pomp i zaworów.

– Część aut elektrycznych wykorzystuje pasywny system chłodzenia akumulatorów, przykładem tego jest Nissan Leaf pierwszej generacji. Pamiętając jednak o tym, że temperatura wpływa na żywotność oraz wydajność akumulatorów, tendencją jest wykorzystywanie aktywnych systemów chłodzenia, choćby tych opartych o wspomniany wcześniej chiller, który stanowi element łączący układ chłodzenia oraz układ klimatyzacji. W zależności od warunków pracy magazynu energii elektrycznej, układ klimatyzacji może obniżać temperaturę mieszaniny glikolu i wody chłodzącej akumulator. – mówi Grzegorz Jurczuk, specjalista techniczny z firmy MAHLE Polska.

Ze szczegółami działania układu chłodzenia w pojazdach hybrydowych i elektrycznych można zapoznać się także, oglądając poniższy film: