Nástup elektrických vozů přináší mnoho nového. Dobrým příkladem je takzvaný termom anagement. Jak přesně funguje u elektromobilů, které obecně generují málo zbytkového tepla, a kde je naopak nutné ohřívat kromě interiéru také akumulátor? A jako u roli v tom všem hraje tepelné čerpadlo?
Vyhřívání interiéru osobních automobilů se spalovacím motorem představuje jednoduchou věc. Spalovací motor je potřeba konstantně chladit, takže se do okruhu chlazení přidá tepelný výměník, přes nějž je hnán 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 TT 2021/17), převážná část ze zbývajících asi 60 % energie se mění na teplo.
Teď si ale představte takový motor, jenž dokáže z dodané energie efektivně využít více než 90 % a odpadního tepla tím pádem generuje málo. Přesně to je případ elektromotorů, potažmo tedy i elektromobilů. 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 navíc pouze kabiny vozu, ale také akumulátoru a elektromotoru samotného.
ČTYŘI SPOLUPRACUJÍCÍ OKRUHY
Získat podrobnosti na téma termomanagementu v elektromobilech není úplně jednoduché, protože se o tomto tématu zatím příliš nemluví ani nepíše. 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 v automobilu čtyři okruhy: okruh klimatizace, okruh pro vyhřívání interiéru (u vozu koncernu PSA dosahuje teplot až 80 °C), okruh s nízkou teplotou pro chlazení elektromotoru a výkonové elektroniky (u vozu PSA až 70 °C) a konečně okruh s velmi nízkou teplotou (35 až 40 °C), udržující v optimálních tepelných podmínkách 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 propojeny, a tím pádem systém může předávat teplo z jednoho 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 elektromobilu 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 z elektrického pohonu, elektrickými topnými tělesy, případně tepelným čerpadlem, pokud ho má daný vůz ve výbavě.
SILNÁ ZÁVISLOST NA OKOLNÍCH TEPLOTÁCH
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, tedy chladič), 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. Právě 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 ale o trochu méně. Citroën udává při 1 kW dodané energie 0,95 kW využitých pro vytápění.
VYUŽITÍ TEPELNÉHO ČERPADLA
Problém ovšem představuje zdroj, což je samozřejmě trakční akumulátor. Čím více budete topit, tím méně energie v něm zbude 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 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 pak díky soustavě elektronicky řízených ventilů umožňuje logiku fungování toho systému 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 sdělili, u elektromobilů se neohřívá přímo vzduch proudící do interiéru, ale samostatný okruh topení (tzv. okruh s vysokou teplotou).
Jeho náplň je ohřívána také topnými tělesy, případně okruhem elektromotoru, tedy odpadním teplem. Vzduch proudící do interiéru je následně ohříván 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 však u nich stačí chladicí kapalina, u elektromobilu 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. Jde pouze o výpomoc.
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 venkovní teplotě a na tom, 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 pro vytápění podle údajů PSA získat 1,5 až 3 kW. Účinnost systému je tedy zdánlivě 150% až 300%. Vtip je v tom, že tato energie navíc je získávána z okolního prostředí, což je ale zároveň i 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 tvrdí, 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.
TEPLO Z OKOLÍ PRODLUŽUJE DOJEZD
Efekt tepelného čerpadla se v praxi projevuje na prodloužení dojezdu, nejde ale přesně říci o kolik. Na rozdíl od automobilu se spalovacím motorem vše dost závisí na podmínkách provozu. A jak vyplývá z výše zmíněného, velký vliv mají také aktuální teploty elektromotoru a akumulátoru. U elektrické varianty platformy CMP, na níž stojí vozy koncernu PSA (respektive dnes už Stellantis), výrobce uvádí prodloužení dojezdu až o 50 km. Volvo zmiňuje prodloužení dojezdu v závislosti na okolní teplotě až o 10 % a Škoda v případě modelu Enyaq iV uvádí až 30 %. Poměrně značný nárůst dojezdu u elektromobilů 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 z elektromotoru a akumulátoru.
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. Oproti tomu třeba již zmíněná 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).
| PRINCIP TEPELNÉHO ČERPADLA |
| Náplň v plynné fázi je stlačena kompresorem, což vede k jejímu ohřátí. Následně jde do vodou chlazeného kondenzátoru, kde je odebráno teplo pro vytápění a současně dojde ke kondenzaci. Následuje expanzní ventil, kde je skokově snížen tlak. S tím se chladivo zároveň částečně vypaří a výrazně klesne jeho teplota (u systému PSA to je až −27 °C). Poté pokračuje do takzvaného výparníku, na nějž proudí vzduch z okolí. Tam se ohřeje, odpaří se i poslední zbylé částečky neodpařené kapaliny, a především přijme energii z okolí. Následně je opět stlačeno kompresorem, a tak pořád dokola. Je zajímavé, že i při vytápění u systému od PSA vzduch nejprve projde přes studenou část jako při klimatizování interiéru (která ale pracuje jen v omezené míře) a až poté je ohříván od okruhu topení. Dojde tak k odstranění vlhkosti, a tím pádem se nemlží okna. |
Foto: archiv