Termomanagement elektromobilů a tepelné čerpadlo

Nástup elektrických vozů přináší mnoho nového. Dobrým příkladem je takzvaný termomanagement. Jak přesně funguje u elektromobilů, které obecně generují málo zbytkového tepla a kde je naopak nutné ohřívat kromě interiéru také akumulátor? A jakou roli v tom všem hraje tepelné čerpadlo? 

Vyhřívání interiérů osobních automobilů se spalovacím motorem představuje jednoduchou věc. Spalovací motor je potřeba konstantně chladit, takže se do okruhu chlazení přidá tepelný výměník, přes nějž se žene vzduch do interiéru, a je po problému. ­Vysoká míra odpadního tepla vychází z tepelné účinnosti spalovacích jednotek. Zážehový spalovací motor má ve svých ­nejmodernějších podobách účinnost přibližně 40 % (například motor Toyota M15A-FXE dosahuje dokonce 41 %, viz AR 4/‘21), převážná část zbývajících asi 60 % energie se mění na teplo. Teď si ale představte takový motor, jenž dokáže z dodané energie efektivně využít přes 90 % a odpadního tepla tím pádem generuje málo. Přesně to je případ elektromobilů, a právě proto je u tohoto druhu automobilů vytápění interiéru, respektive celý takzvaný termomanagement, mnohem širším tématem, než by se mohlo na první pohled zdát. Netýká se totiž pouze kabiny vozu, ale také elektromotoru a akumulátoru.

Získat podrobnosti na téma termomanagementu v elektromobilech není úplně jednoduché, protože se o něm zatím příliš nemluví. Dobrý obrázek o jeho fungování nám ale dávají například značky Peugeot/Citroën/Opel/DS, elektrické Volvo XC40 nebo třeba Porsche Taycan či Audi e-tron GT. Ve všech zmíněných případech najdeme na automobilu čtyři okruhy: okruh klimatizace, okruh pro vyhřívání interiéru (u vozů koncernu PSA dosahuje teplot až 80 °C), okruh s nízkou teplotou pro chlazení elektromotoru a výkonové elektroniky (u vozů PSA až 70 °C) a konečně okruh s velmi nízkou teplotou (35 až 40 °C), udržující v optimální teplotě akumulátor. Okruh klimatizace funguje samostatně a má svou vlastní náplň, nicméně ostatní okruhy jsou na něj přímo nebo nepřímo navázány (viz schéma zobrazující řešení PSA).

Okruhy elektromotoru, akumulátoru a vyhřívání interiéru jsou vzájemně propojené, a tím pádem systém může předávat teplo z jednoho okruhu do jiného. Například elektromotor může své teplo odevzdávat do okruhu akumulátoru a zároveň do okruhu pro vyhřívání interiéru, čímž se chladí a současně je v případě potřeby využíváno odpadní teplo. Právě kvůli tomu, aby toto bylo možné, musí být u elektromobilů již zmíněný samostatný okruh pro ohřívání interiéru, a nestačí tak pouze topné spirály, přes něž by proudil vzduch rovnou do interiéru. Okruh pro vytápění interiéru pak obsahuje výměník ohřívající vzduch proudící do kabiny, přičemž náplň je u některých elektromobilů ohřívána odpadním teplem od elektrického pohonu, elektrickými topnými tělesy, případně tepelným čerpadlem, pokud ho má daný vůz ve výbavě.

Samozřejmě ne vždy se odpadní teplo hodí, za letních měsíců je potřeba chladit jak interiér, tak elektromotor i akumulátor. Kabina je ochlazována klasickým systémem klimatizace, okruh elektromotoru má navíc náporový chladič a akumulátor využívá speciální výměník (u PSA mu říkají „chil­ler“), který je také ochlazován přes okruh klimatizace, stejně jako interiér. Děje se tak proto, že akumulátor musí být chlazen i v situacích, kdy vůz stojí (například při dobíjení) a náporový chladič využít nemůže. Celkově tedy elektromobily, o nichž se říká, že jsou jednoduchými stroji, musí udržovat v akumulátoru, v elektromotoru a v interiéru různé teploty, kdy se navíc vše vzájemně ovlivňuje. Vše navíc závisí na okolních teplotách a celý systém musí volit hospodaření s teplem tak, aby to stálo co nejméně elektrické energie. Tomuto komplexu říkáme termomanagement.

Popsané řešení je velmi důmyslné, přesto existují situace, kdy představuje zajištění optimálních teplot problém. Řeč je zejména o zimním provozu, tedy o topení. Elektromobil totiž musí ohřívat nejen interiér, ale někdy také akumulátor. Nejjednodušším řešením, které najdeme úplně ve všech elektromobilech, je topení pomocí odporových topných těles. Ta jsou zdánlivě velmi efektivní, protože teoreticky 100 % dodané energie přemění na teplo. Fakticky to je trochu méně. Citroën udává při 1 kW dodané energie 0,95 kW využitých pro vytápění. Problém ale představuje zdroj, což je samozřejmě trakční akumulátor. Čím více budete topit, tím méně energie v akumulátoru zbyde pro pohon vozu a tím rychleji bude klesat dojezd. Proto se hledají řešení, jak tento odběr energie omezit. Jedno takové představuje kromě na provozních podmínkách závislého přísunu odpadního tepla od elektrického pohonu tepelné čerpadlo.

Princip fungování je stejný jako u obytných domů, anebo také u klimatizace. Jeho okruh má v zásadě dvě části. V jedné je náplň velmi studená, ve druhé teplá. Je to jako u chladničky. Uvnitř panuje chlad, na zadní straně je kovový rošt teplý. U vozů s klimatizací je pro chlazení interiéru využívána studená část, přičemž teplo se odvádí chladičem v chladičové stěně před motorem. Tepelné čerpadlo díky soustavě elektronicky řízených ventilů umožňuje logiku fungování toho stejného systému klimatizace zcela obrátit (viz samostatný box o principu jeho činnosti).

Zabudovat tepelné čerpadlo do elektromobilu vybaveného klimatizací není příliš komplikované. Systém funguje stejně, navíc má pouze kapalinový kondenzátor, kde dochází k předání tepla z chladiva klimatizace do okruhu vytápění vozu. Jak jsme si již řekli, u elektromobilů se neohřívá přímo vzduch proudící do interiéru, ale samostatný okruh topení („okruh s vysokou teplotou“). Jeho náplň je ohřívána také topnými tělesy, případně okruhem elektromotoru, tedy odpadním teplem. Vzduch proudící do interiéru se následně ohřívá přes „radiátor“, který představuje další část okruhu s vysokou teplotou. Mimochodem, tento výměník je například u vozů Citroën/Peugeot/Opel/DS stejný, jaký používají běžné vozy se spalovacím motorem (proto musí být stejná také teplota okruhu – 80 °C). Zatímco u nich stačí pouze chladicí kapalina, u elektromobilů je kapalina ohřívána z více zdrojů a přítomnost tepelného čerpadla ve výbavě na tom nic nemění, protože samotné tepelné čerpadlo není schopné spolehlivě poskytnout dostatečně vysoké teploty. Je to pouze pomoc. Systém tepelného čerpadla tak například ohřeje vodu pro vytápění kabiny na 60 °C a elektricky napájená topná tělesa následně obstarají zvýšení teploty o zbývajících 20 °C.

Tepelné čerpadlo využívá energii dodanou z okolního vzduchu a ta přímo závisí na tom, jaká je venkovní teplota a jak moc se pomocí vzduchu chladivo ohřeje. Náplň okruhu má velmi nízký bod varu, takže se ohřívá i tehdy, když panují teploty pod bodem mrazu. Jestliže elektrické vytápění je schopné z 1 kW dodané energie vytvořit 0,95 kW pro vytápění, u tepelného čerpadla lze z 1 kW energie dodané do kompresoru získat podle údajů PSA 1,5 až 3 kW pro vytápění. Účinnost systému je tedy zdánlivě 150 až 300 %. Vtip je v tom, že se tato energie navíc získává z okolního prostředí, což je ale zároveň také největší problém.

Čím nižší venkovní teploty jsou, tím méně energie systém vstřebá a jeho provoz přestává být efektivní. Tepelné čerpadlo má proto určité optimální teploty. U francouzských značek to je –5 až +15 °C, přičemž tepelné čerpadlo je schopné pracovat do –20 °C. Volvo říká, že u elektrické verze modelu XC40 pracuje tepelné čerpadlo samostatně při teplotách od 5 do 25–30 °C, při teplotách od –10 °C pracuje tento systém s pomocí tepla získaného z akumulátoru a elektromotoru. A konečně Škoda udává jako kritickou hodnotu –15 °C.

Efekt tepelného čerpadla se v praxi projevuje na prodloužení dojezdu, nejde ale přesně říci, jak velký je. Na rozdíl od automobilů se spalovacím motorem vše dost závisí na podmínkách provozu a jak vyplývá z výše zmíněného, velký vliv mají také aktuální teploty elektromotorů a akumulátoru. U elektrické varianty platformy CMP, na níž stojí vozy koncernu PSA (respektive dnes už Stellantis), výrobce uvádí prodloužení dojezdu v ideálním případě až o 50 km. Volvo zmiňuje prodloužení dojezdu v závislosti na okolní teplotě až o 10 %, a třeba Škoda mluví v případě typu Enyaq iV o třiceti procentech.

Poměrně značný nárůst dojezdu u elektromobilu značky Škoda je daný tím, že na rozdíl od Volva nebo koncernu Stellantis jeho systém funguje trochu jinak. Provedení bez tepelného čerpadla neumí na rozdíl od výše popsaného řešení využít odpadní teplo. Interiér je v tomto případě vyhříván pomocí elektricky napájených ohřívačů (HV-PTC), přes které vzduch prochází. Akumulátory pak mají coby součást svého chladicího okruhu vlastní elektrický ohřívač. Pokud elektromobil VW Group tepelné čerpadlo ve výbavě má, pak systém termomanagementu kombinuje dílčí zdroje tepla jak z něj, tak od elektromotoru a akumulátoru. K podrobnějšímu popisu řešení koncernu VW se vrátíme někdy příště.

Dostupnost tepelného čerpadla se u jednotlivých automobilek liší. U automobilů na platformě CMP (jako třeba Peugeot e-208 nebo Opel Corsa-e) jde o součást standardní výbavy, stejně jako v případě elektrického Volva XC40 nebo Audi e-tron GT. Například Škoda Enyaq iV nebo VW ID.4 mají u naprosté většiny výbav tento systém na našem trhu dostupný za příplatek (+30 500 Kč, respektive 32 800 Kč).

Převzato z časopisu

Fotogalerie