Тепловой насос

Оснащение электромобиля тепловым насосом позволяет увеличить запас хода и стабилизировать параметры работы батареи. Эффективность устройства особенно высока в период зимних холодов. Разберемся, как оно работает и на какой результат можно рассчитывать.

Любой двигатель нагревается при работе, т.е. имеет тепловые потери. Есть несколько способов превратить потери в полезную энергию. В классических авто с ДВС тепло от мотора используется для обогрева салона. В электромобилях ситуация иная. Их электромоторы работают эффективно и имеют малые тепловые потери. Следовательно, их нагрев минимален. Чтобы контролировать температуру батареи, придется дополнить ее конструкцию резистивными нагревателями, ведь тепла от электромотора не хватит на всю батарею. Однако есть альтернатива: установить тепловой насос.

Тепловой насос – устройство, созданное для переноса тепловой энергии от ее источника к потребителю. Звучит сложно? На самом деле, вы уже сталкивались с тепловыми насосами. Бытовой холодильник как раз такое устройство. Алгоритм работы теплового насоса:

• внешний блок греется от атмосферного воздуха и нагревает находящийся внутри хладагент;

• компрессор сжимает хладагент, что дополнительно повышает его температуру;

• горячее вещество попадает в теплообменник, откуда тепло идет на нагрев батареи или салона электрокара;

• остывший хладагент возвращается во внешний блок и цикл повторяется.

Чтобы было яснее, разберем пример с холодильником. Внешний блок вопреки своему названию здесь находится внутри холодильной камеры. Хладагент забирает тепло из воздуха в камере, т.е. охлаждает его. Теплообменник в холодильнике – это змеевик на задней стенке. Вы можете приложить к нему руку и понять, что трубки сильно нагреты. Внутри них течет хладагент, отдающий свое тепло воздуху, т.е. остывает.

Как видите, процессы передачи тепла взаимосвязаны. Большую роль здесь играет температура окружающего воздуха. Слишком низкие или высокие температуры негативно сказываются на выработке тепла. Существуют реверсивные тепловые насосы, работающие и на обогрев, и на охлаждение. На деле не все электрокары оснащены именно такими устройствами. Штатная жидкостная система охлаждения батареи и так не допускает перегревов. А вот обогрев батареи в зимнее время оказывается полезным. Зимой температуры в Украине не падают до отметок, считающихся критичными для теплового насоса – устройство всегда будет работать в штатном режиме.  

Эксперты американской ассоциации автомобилистов выяснили, что при снижении температуры воздуха до -7°C некоторые электрокары теряют до 41% запаса хода. Их китайские коллеги провели ряд испытаний при -20°C. Практически все электрокары в таких условиях теряли до 50% запаса хода. После обогрева в гараже емкости батарей возвращались к нормальным значениям. Эксперты дают следующие рекомендации:

• пользоваться рекуперативный торможением, поскольку оно позволяет экономить до 10% заряда;

• заряжать батарею только при положительных температурах;

• дополнить конструкцию авто тепловым насосом или другим элементом, способным нагревать батарею.

Идеальная температура для батареи электромобиля: +20°C. При понижении или повышении этой температуры реальная емкость батареи начинает снижаться. Тепловой насос и штатная система охлаждения поддерживают оптимальный температурный режим, не давая батарее потерять всю емкость. Однако полностью предотвратить потерю емкости пока технически невозможно. 

Наиболее очевидный способ применения теплового насоса в электрокаре: обогрев салона. Устройство будет отдавать тепло салонному воздуху, а забирать из атмосферного воздуха. Компрессор насоса получает питание от аккумулятора. А так как параметры аккумулятора зависят от температуры воздуха, выгодно нагревать и его. Тепловые насосы превосходят классические резистивные нагреватели в:

• энергоэффективности;

• универсальности;

• экологичности;

• простоте монтажа.

Недостатки: дороговизна, необходимость обслуживания, ограниченный диапазон рабочих температур. Эффективность теплового насоса существенно снижается, если температура наружного воздуха ниже -25°C и выше +50°C. Устройство весьма надежно, однако частые и сильные вибрации отрицательно сказывается на его долговечности.

Популярность тепловых насосов во многом объясняется высокой энергоэффективностью. Потратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора, можно получить 2 кВт тепла и больше. Отношение между полученным теплом и затраченной энергией отражает параметр COP или КПТ. Если температура упадет -25°C, устройство будет работать как обычный электронагреватель: потратит 1 кВт электричества и произведет 1 кВт тепла. Здесь COP равен единице.

В среднем, холодная погода снижает запас хода электрокара на 20%. К несчастью, полностью устранить эту потерю нельзя. Тепловой насос лишь приблизит температуру батареи к оптимальной насколько это возможно. Независимые эксперты провели ряд экспериментов на участке длиной 24 км в зимний период года. Дистанцию проезжали на электрокарах с тепловым насосом и без него. Вот некоторые результаты:

Эксперименты не были описаны достаточно подробно, так что полной информации об условиях работы электрокаров у нас нет. Однако их результаты подтверждаются рядовыми водителями. Тепловой позволяет экономить в среднем до 10% емкости батареи в холодное время года. Проще говоря, зимой владелец электрокара с тепловым насосом может рассчитывать на экономию нескольких десятков километров с каждого полного заряда. Экономия в летний период есть, но она незначительна – насос лучше греет, чем помогает отводить излишки тепла от батареи.