مهندسی بازده با پمپ حرارتی و مدیریت حرارتی

پمپ حرارتی با تولید ۲ تا ۴ کیلووات گرما از هر 1 کیلووات برق، به طور میانگین ۸ تا ۱۰ درصد از برد زمستانی خودروی برقی را بازمی‌گرداند.
پمپ حرارتی با تولید ۲ تا ۴ کیلووات گرما از هر 1 کیلووات برق، به طور میانگین ۸ تا ۱۰ درصد از برد زمستانی خودروی برقی را بازمی‌گرداند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

پمپ حرارتی، سیستمی انتقال حرارت است که در خودروی برقی با 1 کیلووات برق می‌تواند 2 تا 4 کیلووات گرما تولید کند و برعکس چرخه کولر کار می‌کند. پمپ حرارتی برخلاف مقاومت گرمایی به جای تولید گرما، آن را از محیط بیرون و مجموعه انتقال قدرت جمع‌آوری می‌کند؛ به این ترتیب به طور میانگین 8 تا 10 درصد از برد زمستانی را نجات می‌دهد و بخش قابل توجهی از بردی را که خودروهای مقاومتی در شرایط یخ‌زده از دست می‌دهند بازمی‌گرداند.

نکات برجسته

  • پمپ حرارتی با 1 کیلووات برق، 2 تا 4 کیلووات گرما تأمین می‌کند؛ یعنی 200 تا 400 درصد کارآمدتر از مقاومت گرمایی است.
  • در دمای 7- درجه سانتی‌گراد با روشن بودن سیستم گرمایش، افت برد خودروی برقی می‌تواند به 41 درصد برسد؛ که تنها 12 درصد آن ناشی از باتری است.
  • حدود دمای 1- درجه سانتی‌گراد، خودروهای مجهز به پمپ حرارتی بهبود 8 تا 10 درصدی در برد زمستانی نشان می‌دهند.
  • زیر دمای 15- درجه سانتی‌گراد، پشتیبان مقاومتی فعال می‌شود؛ در سرمای شدید، سهم پمپ حرارتی تقریباً به صفر می‌رسد.
  • پمپ حرارتی را نمی‌توان بعداً نصب کرد؛ سیستمی است که به‌صورت عمیق در مدار حرارتی یکپارچه شده است.

چرا این‌قدر مهم است: خودروی برقی گرمای اتلافی ندارد

Benzinli araçta bedava olan atık ısı, elektrikli araçta bataryadan ödenir; -7°C'de ısıtma menzili %41'e kadar eritebilir.

در خودروی بنزینی، 75 تا 85 درصد انرژی به‌صورت گرما از دست می‌رود و این گرمای اتلافی منبع راحتی رایگان است: کابین با گرمای موتور گرم می‌شود. در خودروی برقی چنین امکانی وجود ندارد. بازده موتور بالاست و گرمای اتلافی تقریباً وجود ندارد؛ تمام گرمای کابین و باتری باید از انرژی موجود در باتری تولید شود. دلیل اصلی افت برد در زمستان نیز دقیقاً همین است.

ارقام این تصویر را به‌روشنی ترسیم می‌کنند: در دمای 7- درجه سانتی‌گراد با روشن بودن گرمایش، افت برد می‌تواند به 41 درصد برسد؛ در حالی که افت ناشی از دمای باتری به‌تنهایی حدود 12 درصد است. بیشترِ این اختلاف، انرژی صرف‌شده برای گرم کردن کابین است. چون چرخه آزمون EPA اصلاً گرمایش کابین را اندازه‌گیری نمی‌کند، همین شکاف بزرگ میان برد رسمی و واقعیت زمستانی شکل می‌گیرد.

سه کار در یک چرخه واحد: زنجیره مدیریت حرارتی چگونه کار می‌کند؟

مدیریت حرارتی در خودروی برقی یک تکلیف واحد نیست، بلکه زنجیره‌ای از کارهاست که در یک مدار واحد گردش می‌کند: باتری، الکترونیک قدرت، موتور الکتریکی و کابین. هدف سیستم، نگه داشتن هر قطعه در بازه کاری ایمن و هدفمند خودش است. باتری حساس‌ترین حلقه این زنجیره است؛ باید سلول‌ها در پنجره دمایی باریکی نگه داشته شوند که مستقیماً بر برد، سرعت شارژ و عمر تأثیر می‌گذارد.

در معماری معمول، دو مدار مایع وجود دارد: یکی الکترونیک قدرت را از مسیر رادیاتور و دیگری باتری را از مسیر چیلر خنک می‌کند. هر دو مدار به مدار مبرد متصل می‌شوند. در خنک‌کاری موتور، روغن دی‌الکتریک روتور و استاتور را مستقیماً خیس می‌کند و گرمای جذب‌شده را به مخلوط آب/گلایکل منتقل می‌کند. در برخی سیستم‌ها، مبدل تبخیری مبرد درون بسته باتری قرار می‌گیرد تا تماس مستقیم با سلول‌ها برقرار شود.

نمونه شیر یکپارچه: تمام منابع گرما در یک مدار واحد

بهترین نمود تحول مدیریت حرارتی، معماری شیر هشت‌پورتی است که کندانسور و اواپراتور کابین یک خودرو، گرم‌کننده الکتریکی کابین با ولتاژ پایین و تمام منابع گرما - موتور، باتری و الکترونیک قدرت - را در یک مدار یکپارچه واحد مدیریت می‌کند. یک تحلیل داوری‌شده نشان می‌دهد که این رویکرد در حین گرم شدن سیستم، مصرف انرژی و بار باتری را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، اما در عوض کل زمان گرم شدن طولانی‌تر می‌شود: دستاورد رایگان نیست و با یک معاوضه همراه است.

پمپ حرارتی در مرکز این زنجیره قرار دارد، زیرا فقط یک بخاری کابین نیست. می‌تواند حرارت باقیمانده موتور، اینورتر و باتری پس از کار را نیز جمع‌آوری و به گرمایش کابین هدایت کند - این پاسخ مهندسی به قاعدت "حرارت اتلافی نداریم" در خودروهای برقی است.

پمپ حرارتی واقعا چقدر به برد در زمستان کمک می‌کند؟

پاسخ کوتاه: بسته به دما، بین ۸ تا ۳۰ درصد. پاسخ بلند شامل چندین لایه است که بسته به شرایط اندازه‌گیری متفاوت‌اند. بر اساس داده‌های تأییدشده ناوگان در مقیاس وسیع، خودروهای مجهز به پمپ حرارتی در شرایط یخبندان به طور میانگین ۸۳ درصد برد خود را حفظ می‌کنند؛ مدل‌های مقاومتی ۷۵ درصد - مزیت خالص ۸ واحد. در حدود -۱ درجه سانتی‌گراد، بهبود در بازه ۸ تا ۱۰ درصد اندازه‌گیری شده است.

در دماهای پایین‌تر این اختلاف بیشتر می‌شود. در یک مطالعه آزمایشی در دمای -۱۰ درجه سانتی‌گراد، پمپ حرارتی برد را نسبت به گرمایش مقاومتی ۲۵ تا ۳۱ درصد افزایش داد. در مقایسه‌ای در همان بازه دمایی، مدل 3 مجهز به مقاومت مصرف انرژی را ۲۶ درصد افزایش داد، در حالی که مدل Y با پمپ حرارتی تنها ۸ درصد افزایش نشان داد.

اندازه‌گیریمقاومت (PTC)پمپ حرارتی
سهم برد حفظ‌شده در سرما٪۷۵٪۸۳
بهبود برد زمستانی در -۱ درجه سانتی‌گراد-٪۸–۱۰
افزایش مصرف در حدود ۳۰ درجه فارنهایت (آزمون مقایسه‌ای)+٪۲۶+٪۸
افزایش برد در -۱۰ درجه سانتی‌گراد (آزمایشی)مرجع٪۲۵–۳۱
میانگین توان گرمایشی (کارکرد در ۲۰ درجه فارنهایت)۱٫۶ کیلووات۱٫۱ کیلووات

پروفایل سرعت نیز تأثیرگذار است. در تست‌های دینامومتر در دمای ۰ درجه سانتی‌گراد، سهم پمپ حرارتی در برد در چرخه شهری ۱۵ درصد، در چرخه بزرگراهی ۱۰ درصد و در چرخه رانندگی تهاجمی ۷ درصد بود - چون بار گرمایشی ثابت می‌ماند، هرچه بیشتر در جاده بمانید، دستاورد مطلق بزرگ‌تر می‌شود.

با کاهش دما چه اتفاقی می‌افتد؟ مرز بازدهی

بازدهی پمپ حرارتی با ضریب عملکرد حرارتی (COP: واحد حرارت تولیدشده به ازای هر واحد برق مصرف‌شده) سنجیده می‌شود. در شرایط زمستانی معتدل (۰–۱۰ درجه سانتی‌گراد) ضریب COP در بازه ۲ تا ۳ است؛ با کاهش دما، حرارت قابل جذب از محیط بیرون کم می‌شود و COP به ۱، یعنی همان بازدهی مقاومت، نزدیک می‌شود. داده‌های NREL این نکته را روشن نشان می‌دهد: در حالی که کاهش برد با مقاومت بسته به دما در بازه ۲۸٫۳ تا ۵۳٫۸ درصد حرکت می‌کند، پمپ حرارتی بین ۱٫۱ تا ۱۲٫۸ درصد برد را بازیابی می‌کند - در سرمای شدید سهم آن تقریبا به صفر می‌رسد.

قاعده عملی این است: بیشتر سیستم‌ها زیر -۱۰ درجه سانتی‌گراد بازدهی از دست می‌دهند و زیر -۱۵ درجه سانتی‌گراد به طور خودکار مقاومت الکتریکی پشتیبان وارد مدار می‌شود. نسل جدید پمپ‌ها با استفاده از حرارت باقیمانده باتری و موتور، هدفشان کارکرد مؤثر تا -۲۵ درجه سانتی‌گراد است. یعنی پمپ حرارتی جایگزین مقاومت نیست، بلکه پله اول و پربازدهی است که پیش از آن وارد مدار می‌شود.

یک سناریوی مشخص: برد زمستانی در خودرویی با باتری ۶۵ کیلووات‌ساعت

اگر بخواهیم عدد را به زبان روزمره بیان کنیم: یک خودروی الکتریکی با باتری 65 کیلووات‌ساعت در سرعت 65 مایل بر ساعت (حدود 105 کیلومتر بر ساعت) و در شرایط بهینه، بردی حدوداً 264 مایلی (تقریباً 425 کیلومتر) ارائه می‌دهد. وقتی گرمایش کامل کابین فعال باشد، این مقدار حدود 176 مایل (تقریباً 283 کیلومتر) کاهش می‌یابد - یعنی 33 درصد افت. همان خودرو با فرض داشتن پمپ حرارتی می‌تواند حدود 230 مایل (تقریباً 370 کیلومتر) مسافت طی کند؛ و میزان افت فقط به محدوده 10 تا 14 درصد می‌رسد. این تفاوت، حدود 85 تا 90 کیلومتر حاشیه برنامه‌ریزی معنی می‌دهد و می‌تواند برنامه‌ریزی شارژ در زمستان را کاملاً تغییر دهد.

همین اثر با گرمایش صندلی و فرمان هم قابل دستیابی است - اما با هزینه‌ای بسیار کمتر. هر کدام از گرمکن‌های صندلی فقط 50 تا 100 وات مصرف می‌کنند؛ که در مقایسه با بار 1.5 تا 3 کیلوواتی گرمایش کابین، ده‌ها برابر کارآمدتر است. در استفاده کوتاه شهری، بیشترین صرفه‌جویی از گرم کردن مستقیم سرنشین به‌جای کابین به دست می‌آید.

پیش‌شرط‌گذاری: با برق شبکه گرم کنید، نه با باتری

بزرگ‌ترین ردیف بودقه انرژی زمستانی، رساندن خودروی سرد به دمای آسایش است. پیش‌شرط‌گذاری این بار را از باتری به شبکه منتقل می‌کند: در حالی که خودرو به برق متصل است، 20 تا 30 دقیقه پیش از شارژ روشن می‌شود و باتری و کابین با انرژی شبکه گرم می‌شوند. این کار افت برد زمستانی را به‌کلی از بین نمی‌برد اما آن را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد و استفاده روزانه را قابل پیش‌بینی می‌کند. قاعده کلی این است که وقتی دمای باتری به زیر 15.5 درجه سانتی‌گراد رسید، پیش‌شرط‌گذاری انجام شود.

در ترکیب با پمپ حرارتی، اثر آن چشمگیر است: وقتی سفر آغاز می‌شود، باتری از قبل گرم و کابین از پیش گرم‌شده است؛ و پمپ حرارتی نیز در طول مسیر، گرمای کابین را تا سه برابر کارآمدتر از المان مقاومتی حفظ می‌کند.

وضعیت تجهیزات، هزینه و پرسش‌های پرتکرار

پمپ حرارتی اکنون در بسیاری از مدل‌ها استاندارد است: Tesla Model Y و Model 3 پس از 2021، Audi e-tron، BMW iX/i4، Nissan Ariya، Mercedes EQS/EQE. در برخی مدل‌ها به‌صورت آپشن یا با پکیج تهویه ارائه می‌شود: VW ID.3/ID.4، Hyundai Ioniq 5، Kia EV6، و Polestar 2 با تجهیزات کامل. قیمت آپشن معمولاً در حدود 1000 پوند است؛ در نمونه‌های استفاده در انگلستان، با صرفه‌جویی سالانه حدود 100 تا 150 پوند در هزینه شارژ، ظرف 3 تا 4 سال هزینه خود را جبران می‌کند.

ادعاهای خود سازندگان بالاتر از اندازه‌گیری‌های مستقل است: BMW در آزمون‌های داخلی خود کاهش تا 30 درصدی در مصرف انرژی کولر اندازه گرفت و آئودی ادعا می‌کند در محدوده دمای 5- تا 5+ درجه سانتی‌گراد تا 25 درصد به برد زمستانی کمک می‌کند. هنگام تصمیم‌گیری، بهتر است این ادعاها را از اندازه‌گیری‌های مستقل جدا کنید.

  • آیا بعداً قابل نصب است؟ خیر - این سیستم به‌طور عمیقی در مدار حرارتی خودرو ادغام شده است و باید هنگام انتخاب خودرو درباره آن تصمیم گرفت.
  • آیا زیر دمای انجماد کار می‌کند؟ بله اما بازده آن کاهش می‌یابد؛ در زیر 15- درجه سانتی‌گراد، پشتیبانی المان مقاومتی فعال می‌شود.
  • آیا در تابستان به‌عنوان کولر کار می‌کند؟ بله، با معکوس کردن چرخه، سرمایش انجام می‌دهد.
  • آیا به نگهداری نیاز دارد؟ خیر - سیستم بسته است و در سرویس دوره‌ای همراه با مدار کولر بررسی می‌شود.
  • آیا در سفرهای کوتاه تفاوتی دارد؟ مزیت آن در سفرهای طولانی که به گرمایش مداوم نیاز دارند آشکار است؛ در سفر کوتاه محدودتر اما همچنان موجود است.

نتیجه‌گیری: مهندسی حرارتی را نادیده نگیرید

پمپ حرارتی به‌تنهایی یک افزایش‌دهنده برد نیست، بلکه بخشی قابل‌مشاهده از یک زنجیره مدیریت حرارتی خوش‌طراحی است. سیستم‌هایی که دمای باتری، الکترونیک قدرت و کابین را در یک چرخه واحد مدیریت می‌کنند؛ وقتی پمپ‌هایی که حرارت باقیمانده را جمع می‌کنند و پیش‌تهویه متصل به شبکه با هم ترکیب شوند، افت برد زمستانی می‌تواند از محدوده ۴۰ درصدی به اعداد یک‌رقمی برسد. هنگام انتخاب خودروی برقی، به همان اندازه گشتاور موتور یا قدرت شارژ سریع - و شاید در مناطق سردسیر حتی بیشتر - به نحوه راه‌اندازی این چرخه توجه کنید: زیرا سود واقعی نه در بروشور، بلکه در مهندسی مدار حرارتی به دست می‌آید.

منابع