Układy klimatyzacji i chłodzenia w pojazdach elektrycznych i hybrydowych
MAHLEPojazdy elektryczne i hybrydowe stawiają przed warsztatami samochodowymi nowe wyzwania, szczególnie w zakresie układów klimatyzacji i zarządzania temperaturą. Nowoczesne systemy kontroli termicznej nie tylko zapewniają komfort pasażerom. Odpowiadają także za optymalne działanie i żywotność kluczowych komponentów napędu elektrycznego.
- Warsztaty u progu zmian: pojawia się konieczność przygotowania na serwisowanie coraz większej liczby układów napędowych wysokiego napięcia.
- Oczekiwania kierowców, by elektryki zapewniały ten sam komfort co samochody z silnikami spalinowymi – jak sprostać potrzebom rynku?
- Ważna rola układu klimatyzacji i chłodzenia: utrzymanie optymalnej temperatury pracy akumulatora trakcyjnego, silnika elektrycznego i elektronicznych podzespołów dużej mocy.
Bespieczeństwo pracy przy pojazdach z napędem elektrycznym
Układy wysokiego napięcia (high voltage – HV) w pojazdach elektrycznych i hybrydowych mogą stanowić zagrożenie dla mechaników podczas prac serwisowych. Właściciele warsztatów i ich menadżerowie są więc odpowiedzialni za zapewnienie odpowiednich procedur bezpieczeństwa. Muszą również zadbać, żeby prace przy pojazdach elektrycznych i hybrydowych wykonywali wyłącznie odpowiednio przeszkoleni pracownicy.
Mechanicy, którzy zajmują się naprawą samochodów elektrycznych, muszą mieć wymagane uprawnienia do pracy przy urządzeniach elektrycznych. W Polsce dokumenty te wydaje Stowarzyszenie Elektryków Polskich (SEP) i obejmują one uprawnienia do 1kV. Ich posiadanie jest niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa zarówno pracownikom, jak i klientom warsztatu.
Mechanicy powinni też regularnie odnawiać swoje certyfikaty i uczestniczyć w kursach uzupełniających, aby być na bieżąco z najnowszymi przepisami i technologiami. Takie kursy są organizowane m.in. przez producentów samochodów, dostawców urządzeń warsztatowych i centra szkoleniowe, które specjalizują się w e-mobilności.
Tematyka elektromobilności coraz częściej pojawia się także w programach szkoleniowych i podstawach programowych szkół samochodowych. Celem jest lepsze przygotowanie przyszłych mechaników do pracy z pojazdami elektrycznymi. Szczególnej uwagi wymaga też praca z podzespołami elektrycznymi, takimi jak układy klimatyzacji, które w pojazdach z napędem elektrycznym mają całkowicie odmienną konstrukcję.
Elektryczne sprężarki klimatyzacji
Pierwszą fundamentalną różnicą w układach klimatyzacji pojazdów elektrycznych i hybrydowych w porównaniu z samochodami spalinowymi jest zastąpienie sprężarki, która jest napędzana paskiem klinowym lub wielorowkowym, kompresorem zasilanym wysokim napięciem.
W pojazdach hybrydowych kompresor może być zasilany zarówno z akumulatora wysokiego napięcia, jak i bezpośrednio z silnika spalinowego – takie rozwiązanie zapewnia większą elastyczność w zarządzaniu energią. Z kolei w samochodach elektrycznych zasilanie układu klimatyzacji spoczywa na akumulatorze trakcyjnym, co może wpływać na zasięg pojazdu na jednym ładowaniu. W takich pojazdach najczęściej stosuje się sprężarki ślimakowe (scroll), które składają się z dwóch współpracujących spirali – nieruchomej i orbitalnej. Dodatkowo ze sprężarką zintegrowane są: silnik elektryczny zasilany prądem przemiennym, separator oleju, inwerter, który napięcie stałe z baterii litowo-jonowej przekształca w napięcie zmienne.
Zaletą tego rozwiązania jest możliwość pracy sprężarki niezależnie od prędkości obrotowej silnika spalinowego (w autach hybrydowych), a także możliwość działania nawet przy wyłączonej jednostce napędowej – co jest szczególnie istotne w pojazdach hybrydowych i elektrycznych, np. podczas postoju. Mimo tej różnicy ogólny sposób działania układu klimatyzacji pozostaje taki sam jak w samochodach spalinowych.
Warto również zaznaczyć, że w elektrycznych układach klimatyzacji stosuje się specjalny olej dielektryczny do smarowania sprężarki, który ma bardzo słabą przewodność elektryczną. Zapobiega to ewentualnym przepięciom i zapewnia bezpieczną pracę układu przy wysokich napięciach.
Czynniki chłodnicze w pojazdach elektrycznych i hybrydowych
W pojazdach elektrycznych i hybrydowych stosuje się obecnie 3 główne czynniki chłodnicze:
- R134a – wykorzystywany w starszych modelach,
- R1234yf – obecnie stosowany najczęściej,
- R744 (CO2) – zyskujący na popularności ze względu na wysoką efektywność i niski wpływ na środowisko.
Szczególnie ważny jest ostatni wymieniony – R744 (CO2) o czystości 99,995%. Jego zastosowanie wiąże się z wykorzystaniem pomp ciepła, które mogą zarówno chłodzić, jak i ogrzewać kabinę i komponenty elektryczne, przyczyniając się do zwiększenia zasięgu pojazdu elektrycznego.
Choć R744 jest przyjazny dla środowiska oraz bardzo efektywny, jego stosowanie wymaga bardziej wytrzymałych elementów układu klimatyzacji. Pracuje on bowiem pod znacznie wyższym ciśnieniem niż R134a i R1234yf. Liderem we wdrażaniu tego rozwiązania w samochodach elektrycznych jest Grupa Volkswagen.
Technologie klimatyzacji oparte na CO2 rozwijają również Mercedes-Benz i BMW. Dla warsztatów samochodowych oznacza to konieczność stosowania komponentów pewnego pochodzenia i odpowiednich stacji serwisowych, które są dostosowane do każdego rodzaju czynnika chłodniczego.
Zintegrowane systemy zarządzania temperaturą
Nowoczesne pojazdy elektryczne i hybrydowe wykorzystują zintegrowane systemy zarządzania temperaturą, które łączą kilka obiegów:
- Obieg czynnika chłodniczego – stosowany głównie do klimatyzacji i chłodzenia wnętrza kabiny pojazdu. W bardziej zaawansowanych systemach może również wspomagać chłodzenie akumulatora trakcyjnego poprzez wymiennik ciepła.
- Obieg wysokotemperaturowy – odpowiedzialny za chłodzenie silnika spalinowego (w hybrydach) i skrzyni biegów, a także za ogrzewanie wnętrza pojazdu.
- Obieg niskotemperaturowy – wykorzystuje płyn chłodzący do regulacji temperatury silnika elektrycznego, układu energoelektronicznego, akumulatora wysokonapięciowego (HV) oraz komponentów systemu ładowania.
W niektórych konstrukcjach może współpracować z obiegiem czynnika chłodniczego, co pozwala na efektywniejsze zarządzanie ciepłem odpadowym i utrzymanie optymalnych warunków pracy kluczowych komponentów pojazdu.
Optymalne temperatury akumulatora trakcyjnego
Wydajność akumulatora HV ma kluczowe znaczenie dla zasięgu aut elektrycznych. Początkowo w pojazdach elektrycznych stosowano głównie pasywne systemy chłodzenia powietrzem, jednak w ostatnich latach producenci zaczęli wdrażać zaawansowane technologie aktywnego chłodzenia.
Obecnie dominują systemy chłodzenia cieczą, które składają się z wymiennika ciepła, pompy obiegowej, rur transportujących chłodziwo i z płyt chłodzących. Chłodzenie cieczą zapewnia bardziej efektywne oraz równomierne rozpraszanie ciepła w porównaniu z systemami powietrznymi, co jest szczególnie ważne w pojazdach elektrycznych o akumulatorach dużej mocy.
Akumulatory trakcyjnie osiągają optymalną wydajność w temperaturze 20–40oC. Zarówno przegrzanie, jak i nadmierne wychłodzenie negatywnie wpływają na sprawność oraz trwałość ogniw. W temperaturach poniżej 20oC procesy chemiczne w ogniwach spowalniają, a także zmieniają się właściwości elektrolitu. Powoduje to spadek pojemności akumulatora, wydłużenie czasu ładowania i wzrost oporu wewnętrznego ogniwa. Z kolei temperatury powyżej 40oC przyspieszają degradację elektrolitu i materiałów aktywnych, co prowadzi do szybszego zużycia akumulatora.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Diagnostyka układów zarządzania termicznego
Podobnie jak wszystkie inne elektroniczne systemy pojazdu system diagnostyczny OBD (on-board diagnostics) monitoruje także układ wysokiego napięcia. Samodiagnostyka dostarcza cennych informacji na temat parametrów akumulatora trakcyjnego, w tym aktualnych napięć, temperatur poszczególnych ogniw oraz komponentów napędu elektrycznego, a także trybów pracy (ładowanie, rekuperacja).
Do przeprowadzenia bardziej zaawansowanych testów układów wysokiego napięcia niezbędne są specjalistyczne urządzenia pomiarowe, które spełniają wymagania homologacyjne pojazdów elektrycznych zgodne z normą UNECE R100. Urządzenia te pozwalają na dokładne pomiary wysokich napięć, rezystancji izolacji i potencjałów. Mogą być dostępne jako samodzielne urządzenia, dodatkowe moduły do systemów diagnostycznych lub elementy kompleksowych systemów testowania pojazdów.
Studium przypadku: system chłodzenia i ogrzewania w praktyce
Aby lepiej zrozumieć złożoność układów klimatyzacji i zarządzania termicznego w pojazdach elektrycznych i hybrydowych, przeanalizujmy konkretne przykłady.
Audi Q5 Hybrid Quattro – wczesne rozwiązania hybrydowe
Pod maską pierwszego hybrydowego modelu Audi znajduje się benzynowy silnik 2.0 TFSI o mocy 155 kW i silnik elektryczny o mocy 40 kW. W trzystrefowej klimatyzacji Q5 zamiast tradycyjnej sprężarki napędzanej paskiem zastosowano elektryczny kompresor, zamontowany przy silniku i podłączony do układu zasilania wysokiego napięcia. Układ klimatyzacji i chłodzenia w Audi Q5 zapewnia również efektywne chłodzenie akumulatora litowo-jonowego.
Podczas ładowania lub rozładowywania ogniwa generują znaczną ilość ciepła, którą należy skutecznie odprowadzić. Z wiekiem akumulatora wzrasta rezystancja elektryczna przewodników, przez co część energii elektrycznej, zamiast być przekształcana w pracę, jest uwalniana w postaci ciepła.
Z tego powodu akumulator wysokiego napięcia wyposażono w moduł chłodzący z własnym wymiennikiem ciepła, połączonym z obwodem chłodzenia elektrycznej sprężarki klimatyzacji. Moduł chłodzący składa się z:
- wentylatora,
- siłowników klap obiegu powietrza,
- czujników temperatury,
- zaworów odcinających dla czynnika chłodniczego.
Dodatkowo wiele czujników monitoruje temperaturę obudowy akumulatora HV oraz powietrza chłodzącego na wlocie i wylocie. System zarządzania akumulatorem analizuje te dane, aby w odpowiednim momencie aktywować wentylator, a w razie potrzeby włącza dodatkowe chłodzenie.
Audi Q7 E-Tron – zaawansowane rozwiązania z pompą ciepła
Na przykładzie Audi Q7 E-Tron możemy prześledzić rozwój systemów zarządzania termicznego w pojazdach elektrycznych. Zastosowanie pompy ciepła umożliwia wykorzystanie ciepła odpadowego z komponentów napędu elektrycznego do ogrzewania wnętrza pojazdu, znacząco zwiększając wydajność ogrzewania, komfort podróżowania i zasięg pojazdu.
Układ pompy ciepła w Q7 E-Tron pracuje w trzech trybach:
1. Tryb ogrzewania. Proces ten rozpoczyna się od sprężenia gazowego czynnika chłodniczego w elektrycznej sprężarce klimatyzacji. W wyniku tego działania czynnik osiąga wysoką temperaturę i pod wysokim ciśnieniem trafia do skraplacza.
W skraplaczu gorący czynnik chłodniczy oddaje ciepło do wnętrza pojazdu, co prowadzi do schłodzenia czynnika i zmiany jego stanu skupienia z gazowego na ciekły. Następnie przepływa on przez elektryczny zawór rozprężny, gdzie jego ciśnienie i temperatura gwałtownie spadają.
Schłodzony czynnik trafia do wymiennika ciepła, gdzie odparowuje, pobierając ciepło z obwodu niskotemperaturowego, który obejmująe m.in. układ elektryczny napędu i akumulator HV. W efekcie proces ten nie tylko wspomaga ogrzewanie wnętrza pojazdu, ale również pomaga w chłodzeniu kluczowych komponentów, takich jak ogniwa baterii trakcyjnej i elektryczne elementy układu napędowego.
2. Tryb chłodzenia. Gorący czynnik chłodniczy w stanie gazowym jest skraplany w dużym skraplaczu z przodu pojazdu. Następnie jest rozprężany przez zawór rozprężny i odparowuje w parowniku jednostki klimatyzacji, chłodząc kabinę pojazdu.
3. Tryb ponownego nagrzewania. Powietrze jest najpierw schładzane i osuszane, a następnie ponownie ogrzewane i dostarczane do wnętrza pojazdu w trybie pracy pompy ciepła. System może też wykorzystywać ciepło odpadowe z elektrycznego układu napędowego. Ten tryb zapobiega zaparowywaniu szyb.
Dzięki elektrycznemu kompresorowi klimatyzacji i wysokonapięciowej grzałce PTC wnętrze kabiny pojazdu może być chłodzone latem i wstępnie ogrzewane w okresie zimowym przed rozpoczęciem podróży. Pompa ciepła może utrzymywać komfortową temperaturę ok. 21oC bez dodatkowego ogrzewania do temperatury zewnętrznej wynoszącej ok. 0oC. Poniżej tej temperatury wsparcia udziela system ogrzewania wysokonapięciowego.
Choć przystosowanie warsztatu do obsługi pojazdów elektrycznych wymaga nakładów finansowych oraz inwestycji w rozwój personelu, to w dłuższej perspektywie przyniesie znaczne korzyści biznesowe. Rosnąca liczba pojazdów zelektryfikowanych na polskich drogach stwarza bowiem nowe możliwości dla warsztatów, które odpowiednio wcześnie przygotują się na zmiany w branży motoryzacyjnej.
źródło: Materiały redakcyjne
O Autorze
