Тепловий насос

Оснащення електрокара тепловим насосом дозволяє збільшити запас ходу та стабілізувати параметри роботи батареї. Ефективність цього прилада є максимальною у період зимових холодів. З’ясуємо, як він працює та на який ефект можна розраховувати.

Будь-який двигун нагрівається під час роботи, тобто має теплові втрати. Є кілька способів перетворити втрати у корисну енергію. В класичних авто з ДВЗ тепло від мотора використовують для обігріву салону. Ситуація з електромобілями інша. Їх електромотори мають високу ефективність та низькі тепловтрати. Щоб контролювати температуру батарей взимку інженери додають в конструкцію авто резистивні нагрівачі, адже тепла від електромотора замало для цілої батареї. Однак є альтернатива: встановити тепловий насос.

Тепловий насос – це прилад, що передає теплову енергію від її джерела до споживача. Здається, тут щось складне? Насправді ви вже стикались з тепловими насосами. Побутовий холодильник якраз один з таких пристроїв. Алгоритм його роботи такий:

• зовнішній блок нагрівається від атмосферного повітря та нагріває холодоагент, що знаходиться всередині;

• компрессор стискає холодоагент, що додатково підвищує його температуру:

• гаряча речовина потрапляє в теплообмінник, звідки її тепло йде на обігрів батареї або салона електрокара;

• охолоджений холодоагент повертається у зовнішній блок і цикл повторюється.

Щоб було ясніше, розберемо приклад з холодильником. Зовнішній блок попри свою назву тут знаходиться всередині холодильної камери. Холодагент забирає тепло від повітря в камері, тобто оходжує його. Теплообмінник у холодильнику – це змійовик на задній стінці. Ви можете доторкнутися до нього та зрозуміти, що в нормі трубки мають бути гарячими. Всередині тече холодоагент, що віддає тепло повітрю, тобто остигає. 

Як бачите, процеси передачі тепла є взаємопов'язаними. Значну роль грає температура навколишнього повітря. Надто низькі або високі температури негативно впливають на генерацію тепла та витрати електроенергії. Існують реверсивні теплові насоси, що можуть працювати на обігрів та охолодження. Але не всі електрокари оснащують саме таким приладом. Річ у тім, що рідинна система охолодження і так захищає батарею від перегріву. А от обігрів батареї взимку виявляється дуже корисним. Взимку температури в Україні не падають до позначок, що вважаються критичними для теплових насосів – пристрій завжди працюватиме у штатному режимі.

Експерти американської асоціації автомобілістів виявили, що зі зниженням температури повітря до -7°C деякі електрокари втратили до 41% запасу ходу. Їхні китайськи колеги провели кілька випробувань при -20°C. Майже всі електрокари в подібних умовах втрачали до 50% запасу ходу. Після обігріву в гаражі ємності батарей повертались до нормальних значень. Експерти дають наступні рекомендації:

• користуватись рекуперативним гальмуванням, адже воно дозволяє економити до 10% заряду;

• заряджати батарею тільки при плюсових температурах;

• доповнити конструкцію авто тепловим насосом чи іншим елементом, що здатний гріти батарею. 

Ідеальна температура для батареї електрокара: +20°C. Зі зниженням чи підвищенням цієї температури реальна ємність батареї починає зменшуватись. Тепловий насос та штатна система охолодження підтримують оптимальний температурний режим та не дають батареї втратити всю ємність. Однак повністю запобігти втратам поки що технічно неможливо. 

Найочевидніша ідея використання теплового насоса в електрокарі: обігрів салону. Пристрій буде віддавати тепло салонному повітрю, а забирати з атмосферного повітря. Компресор насоса живиться від акумулятора, тому вигідно обігрівати ще і його. Теплові насоси кращі за класичні резистивні нагрівачі в наступному:

• енергоефективність;

• універсальність;

• екологічність;

• простота монтажу.

Недоліки: висока ціна, необхідність в обслуговуванні, обмежений діапазон робочих температур. Ефективність теплового насоса суттєво знижується, якщо температура зовнішнього повітря нижча за -20°C та вища за +50°C. Це дуже надійний пристрій, проте часті та сильні вібрації негативно впливають на його довговічність.

В середньому холодна погода знижує запас ходу електрокара на 20%. Нажаль, повністю усунути цю втрату не вдасться. Тепловий насос лише наблизить температуру батареї до оптимальної наскільки це можливо. Незалежні експерти провели низку експериментів взимку на ділянці довжиною 24 км. Дистанцію проїжджали на електрокарах із тепловим насосом та без нього. Ось деякі результати:

• Заявлений виробником запас ходу не збігається з реальним. У моделей без насоса різниця склала близько 30%, а у конкурентів із насосом – близько 15-20%;

• Витрати заряду на 100 км пробігу знизились.Різниця становила 15%;

• Зменшення часу зарядки. Нагадуємо, що при низьких температурах швидка зарядка не працює. 

Експерименти не були докладно описані, тому повної інформації про умови роботи електрокарів у нас немає. Проте їхні результати підтверджуються пересічними водіями. В середньому, тепловий насос заощаджує 10% ємності батареї в холодну пору року. Взимку власник електрокара з цим пристроєм може розраховувати на економію кількох десятків кілометрів з кожного повного заряду. Економія в літній період є, але вона незначна. Насос краще гріє, ніж допомагає відводити надлишки тепла від батареї.