วิศวกรรมประสิทธิภาพด้วยปั๊มความร้อนและการจัดการความร้อน

ปั๊มความร้อนผลิตความร้อนได้ 2-4 kW จากไฟฟ้า 1 kW ช่วยคืนระยะทางการขับขี่ในฤดูหนาวของยานยนต์ไฟฟ้าโดยเฉลี่ยร้อยละ 8-10
ปั๊มความร้อนผลิตความร้อนได้ 2-4 kW จากไฟฟ้า 1 kW ช่วยคืนระยะทางการขับขี่ในฤดูหนาวของยานยนต์ไฟฟ้าโดยเฉลี่ยร้อยละ 8-10

แชร์หน้านี้

ปั๊มความร้อนคือระบบถ่ายเทความร้อนที่ติดตั้งในยานยนต์ไฟฟ้า ซึ่งสามารถผลิตความร้อนได้ 2-4 kW จากไฟฟ้าเพียง 1 kW โดยทำงานย้อนกว่าวงจรเครื่องปรับอากาศ แทนที่จะผลิตความร้อนโดยตรงอย่างขดลวดทำความร้อน มันจะดึงความร้อนจากสภาพแวดล้อมภายนอกและจากระบบส่งกำลัง ทำให้สามารถประหยัดระยะทางในฤดูหนาวได้เฉลี่ยราว 8-10% และฟื้นฟูระยะทางที่รถที่ใช้ขดลวดทำความร้อนสูญเสียไปในสภาพอากาศหนาวจัดได้เป็นจำนวนมาก

จุดเด่น

  • ปั๊มความร้อนให้ความร้อน 2-4 kW จากไฟฟ้า 1 kW มีประสิทธิภาพมากกว่าขดลวดทำความร้อน 200-400%
  • ที่อุณหภูมิ -7°C เมื่อเปิดเครื่องทำความร้อน รถ EV อาจสูญเสียระยะทางถึง 41% แต่มีเพียง 12% เท่านั้นที่มาจากแบตเตอรี่
  • ที่อุณหภูมิราว -1°C รถที่มีปั๊มความร้อนจะแสดงการปรับปรุงระยะทางฤดูหนาว 8-10%
  • ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -15°C ระบบเสริมด้วยขดลวดทำความร้อนจะเข้ามาทำงาน ในความหนาวจัด ส่วนช่วยเหลือของปั๊มความร้อนแทบเป็นศูนย์
  • ปั๊มความร้อนไม่สามารถติดตั้งเพิ่มภายหลังได้ เป็นระบบที่บูรณาการอย่างลึกซึ้งกับวงจรควบคุมความร้อน

เหตุใดจึงสำคัญมาก: รถ EV ไม่มีความร้อนเหลือทิ้ง

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

ในรถยนต์เครื่องเบนซิน พลังงาน 75-85% สูญเสียไปในรูปความร้อน และความร้อนเหลือทิ้งนี้เป็นแหล่งความสะดวกสบายฟรี: ห้องโดยสารได้รับความอบอุ่นจากความร้อนของเครื่องยนต์ รถยนต์ไฟฟ้าไม่มีข้อได้เปรียบนี้ ประสิทธิภาพเครื่องยนต์สูง ความร้อนเหลือทิ้งแทบไม่มี ความร้อนทั้งหมดสำหรับห้องโดยสารและแบตเตอรี่จำเป็นต้องผลิตจากพลังงานในแบตเตอรี่ นี่คือสาเหตุหลักของการสูญเสียระยะทางในฤดูหนาว

ตัวเลขชี้ภาพนี้ชัดเจน: ที่อุณหภูมิ -7°C เมื่อเปิดเครื่องทำความร้อน การสูญเสียระยะทางอาจสูงถึง 41% ในขณะที่การสูญเสียที่มาจากอุณหภูมิแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียวอยู่ที่ราว 12% ความต่างส่วนใหญ่คือพลังงานที่ใช้ในการทำความร้อนห้องโดยสาร เนื่องจากวงจรทดสอบ EPA ไม่ได้วัดการทำความร้อนห้องโดยสารเลย จึงเกิดช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างระยะทางตามทางการกับความเป็นจริงในฤดูหนาว

สามภารกิจในวงจรเดียว: ห่วงโซ่การจัดการความร้อนทำงานอย่างไร?

การจัดการความร้อนในรถยนต์ไฟฟ้าไม่ใช่ภารกิจเดียว แต่เป็นห่วงโซ่งานที่ไหลเวียนในวงจรเดียวกัน: แบตเตอรี่ พาวเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ มอเตอร์ไฟฟ้า และห้องโดยสาร เป้าหมายของระบบคือรักษาทุกส่วนประกอบให้อยู่ในช่วงการทำงานที่ปลอดภัยและเป็นเป้าหมายของตนเอง แบตเตอรี่เป็นจุดเชื่อมที่สำคัญที่สุดในห่วงโซ่นี้ จำเป็นต้องรักษาเซลล์ต่างๆ ให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิแคบ ๆ ที่ส่งผลโดยตรงต่อระยะทาง ความเร็วในการชาร์จ และอายุการใช้งาน

ในสถาปัตยกรรมทั่วไปมีวงจรของเหลวสองวงจร: วงจรหนึ่งระบายความร้อนพาวเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ผ่านหม้อน้ำ อีกวงจรระบายความร้อนแบตเตอรี่ผ่านเครื่องทำความเย็น (chiller) ทั้งสองวงจรเชื่อมต่อกับวงจรสารทำความเย็น สำหรับการระบายความร้อนมอเตอร์ น้ำมันไดอิเล็กตริกจะหล่อลื่นโรเตอร์และสเตเตอร์โดยตรง แล้วถ่ายเทความร้อนที่ดูดซับไปยังส่วนผสมน้ำ/ไกลโคล ในบางระบบ ตัวระเหิดสารทำความเย็นจะถูกติดตั้งภายในแพ็กแบตเตอรี่เพื่อให้สัมผัสกับเซลล์โดยตรง

ตัวอย่างวาล์วบูรณาการ: แหล่งความร้อนทั้งหมดในวงจรเดียว

ตัวอย่างที่ดีที่สุดที่แสดงให้เห็นว่าการจัดการความร้อนพัฒนาไปถึงที่ใด คือสถาปัตยกรรมวาล์วแปดพอร์ตที่จัดการคอนเดนเซอร์และตัวระเหิดของห้องโดยสาร เครื่องทำความร้อนห้องโดยสารไฟฟ้าแรงดันต่ำ และแหล่งความร้อนทั้งหมด - เครื่องยนต์ แบตเตอรี่ พาวเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ - ในวงจรบูรณาการเดียว การวิเคราะห์ที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญชี้ว่า แนวทางนี้ช่วยลดการใช้พลังงานและภาระของแบตเตอรี่อย่างมีนัยสำคัญระหว่างการอุ่นเครื่องของระบบ แต่กลับทำให้เวลาอุ่นเครื่องทั้งหมดยาวนานขึ้น: กำไรไม่มีฟรี มันมาพร้อมกับการแลกเปลี่ยน

ปั๊มความร้อนอยู่แกนกลางของห่วงโซ่นี้เพราะมันไม่ใช่แค่เครื่องทำความร้อนในห้องโดยสารเท่านั้น มันยังสามารถเก็บความร้อนตกค้างจากมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์ และแบตเตอรี่หลังการทำงาน มาใช้ทำความร้อนให้ห้องโดยสารได้ - นี่คือคำตอบทางวิศวกรรมต่อกฎ "ไม่มีความร้อนเหลือทิ้ง" ในยานยนต์ไฟฟ้า

ปั๊มความร้อนช่วยเรื่องระยะทางในหน้าหนาวได้จริงแค่ไหน?

คำตอบสั้น: ระหว่าง 8% ถึง 30% ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ คำตอบยาวมีหลายชั้นที่แตกต่างกันไปตามเงื่อนไขการวัด ตามข้อมูลกองยานพาหนะที่ได้รับการตรวจสอบในวงกว้าง รถที่มีปั๊มความร้อนยังคงรักษาระยะทางเฉลี่ยไว้ที่ 83% ในสภาพอากาศเยือกแข็ง ขณะที่รถที่ใช้แผ่นความร้อนแบบต้านทานได้ 75% - ความได้เปรียบชัดเจนอยู่ที่ 8 จุด ที่อุณหภูมิราว -1°C การปรับปรุงถูกวัดอยู่ในช่วง 8-10%

ยิ่งอุณหภูมิต่ำลง ช่องว่างก็ยิ่งกว้างขึ้น จากการศึกษาเชิงทดลองที่อุณหภูมิ -10°C ปั๊มความร้อนช่วยเพิ่มระยะทางได้ 25-31% เมื่อเทียบกับการทำความร้อนแบบต้านทาน ในการเปรียบเทียบที่ช่วงอุณหภูมิเดียวกัน Model 3 ที่ใช้แผ่นความร้อนแบบต้านทานเพิ่มการใช้พลังงาน 26% ขณะที่ Model Y ที่มีปั๊มความร้อนเพิ่มเพียง 8% เท่านั้น

การวัดแผ่นความร้อนแบบต้านทาน (PTC)ปั๊มความร้อน
สัดส่วนระยะทางที่รักษาไว้ในอากาศเย็น75%83%
การปรับปรุงระยะทางฤดูหนาวที่ -1°C-8-10%
การเพิ่มขึ้นของการใช้พลังงานที่ ~30°F (การทดสอบเปรียบเทียบ)+26%+8%
การเพิ่มขึ้นของระยะทางที่ -10°C (การทดลอง)ค่าอ้างอิง25-31%
กำลังทำความร้อนเฉลี่ย (ทำงานที่ 20°F)1.6 kW1.1 kW

โปรไฟล์ความเร็วก็มีผลเช่นกัน จากการทดสอบไดนาโมมิเตอร์ที่ 0°C พบว่าปั๊มความร้อนช่วยเพิ่มระยะทาง 15% ในวงจรเมือง 10% ในวงจรมอเตอร์เวย์ และ 7% ในวงจรการขับขี่แบบรุนแรง - เนื่องจากภาระการทำความร้อนคงที่ ยิ่งคุณใช้เวลาบนถนนนานเท่าไร กำไรสัมบูรณ์ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

อะไรจะเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง? ขีดจำกัดของประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพของปั๊มความร้อนวัดด้วยค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะความร้อน (COP: หน่วยความร้อนที่ผลิตได้ต่อหน่วยไฟฟ้าที่ใช้) ในสภาพหนาวปานกลาง (0-10°C) COP อยู่ในช่วง 2-3 เมื่ออุณหภูมิลดลง ความร้อนที่ดูดได้จากภายนอกก็ลดลง และ COP เข้าใกล้ 1 ซึ่งเท่ากับประสิทธิภาพเดียวกับแผ่นความร้อนแบบต้านทาน ข้อมูลจาก NREL ชี้ให้เห็นจุดนี้ชัดเจน: ขณะที่การสูญเสียระยะทางของแผ่นความร้อนแบบต้านทานอยู่ในช่วง 28.3-53.8% ตามอุณหภูมิ ปั๊มความร้อนกู้คืนระยะทางได้ 1.1% ถึง 12.8% - ในความหนาวเย็นจัด ส่วนช่วยเหลือแทบเป็นศูนย์

กฎปฏิบัติคือ: ระบบส่วนใหญ่สูญเสียประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า -10°C และที่ต่ำกว่า -15°C ระบบสนับสนุนแบบต้านทานไฟฟ้าจะเข้าทำงานอัตโนมัติ ปั๊มรุ่นใหม่มุ่งหมายให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพจนถึง -25°C โดยใช้ความร้อนตกค้างจากแบตเตอรี่และมอเตอร์ นั่นคือ ปั๊มความร้อนไม่ใช่ทางเลือกแทนแผ่นความร้อนแบบต้านทาน แต่เป็นขั้นแรกที่มีประสิทธิภาพซึ่งทำงานก่อนมัน

สถานการณ์จำลองที่เป็นรูปธรรม: ระยะทางฤดูหนาวในรถแบตเตอรี่ 65 kWh

หากจะแปลงตัวเลขเป็นภาษาประจำวัน: ยานยนต์ไฟฟ้าที่มีแบตเตอรี่ 65 kWh ให้ระยะทาง ~264 ไมล์ (ประมาณ 425 กม.) ที่ความเร็ว 65 mph (ประมาณ 105 กม./ชม.) ภายใต้สภาพที่เหมาะสมที่สุด เมื่อใช้การทำความร้อนห้องโดยสารเต็มรูปแบบ ค่านี้จะลดลงประมาณ 176 ไมล์ (ราว 283 กม.) คิดเป็นการสูญเสีย 33% ด้วยปั๊มความร้อน รถคันเดียวกันวิ่งได้ราว 230 ไมล์ (ประมาณ 370 กม.) การสูญเสียลดลงเหลือเพียงช่วง 10-14% ผลต่างระหว่างนี้คือระยะเผื่อในการวางแผนราว 85-90 กม. ซึ่งสามารถเปลี่ยนการวางแผนชาร์จในฤดูหนาวได้ทั้งหมด

ผลลัพธ์เดียวกันนี้ทำได้ด้วยการทำความร้อนที่นั่งและพวงมาลัยเช่นกัน - แต่ถูกกว่ามาก เครื่องทำความร้อนที่นั่งแต่ละตัวใช้ไฟเพียง 50-100 W เท่านั้น มีประสิทธิภาพมากกว่าภาระ 1.5-3 kW ของการทำความร้อนห้องโดยสารหลายสิบเท่า ในการใช้งานในเมืองระยะสั้น ประโยชน์สูงสุดมาจากการทำความร้อนผู้โดยสารโดยตรงแทนที่จะทำความร้อนห้องโดยสารทั้งหมด

เงื่อนไขเบื้องต้น: อุ่นเครื่องจากไฟฟ้าในบ้าน ไม่ใช่จากแบตเตอรี่

รายการที่ใหญ่ที่สุดในงบพลังงานฤดูหนาวคือการทำให้รถเย็นกลับมาถึงอุณหภูมิที่สบาย การอุ่นเครื่องล่วงหน้าย้ายภาระนี้จากแบตเตอรี่ไปที่ระบบไฟฟ้า: ขณะที่รถเสียบปลั๊กอยู่ เริ่มอุ่นล่วงหน้า 20-30 นาทีก่อนชาร์จ เพื่อให้แบตเตอรี่และห้องโดยสารอุ่นด้วยพลังงานจากกริด วิธีนี้ไม่ได้ขจัดการสูญเสียระยะทางในฤดูหนาวทั้งหมด แต่ช่วยลดได้อย่างมากและทำให้การใช้งานรายวันคาดการณ์ได้ กฎทั่วไปคือทำการอุ่นเครื่องล่วงหน้าเมื่อแบตเตอรี่อุณหภูมิต่ำกว่า 15.5°C

เมื่อรวมกับปั๊มความร้อน ผลลัพธ์น่าทึ่ง: เมื่อเริ่มเดินทาง แบตเตอรี่อุ่นอยู่แล้ว ห้องโดยสารก็อุ่นพร้อมแล้ว และปั๊มความร้อนยังรักษาอุณหภูมิห้องโดยสารได้มีประสิทธิภาพสูงสุดถึงสามเท่าเมื่อเทียบกับเครื่องทำความร้อนแบบต้านทานตลอดการเดินทาง

สถานะฮาร์ดแวร์ ค่าใช้จ่าย และคำถามที่พบบ่อย

ปั๊มความร้อนตอนนี้เป็นอุปกรณ์มาตรฐานในรถหลายรุ่น: Tesla Model Y และ Model 3 หลังปี 2021, Audi e-tron, BMW iX/i4, Nissan Ariya, Mercedes EQS/EQE บางรุ่นเป็นออปชันหรือมาพร้อมชุดแพ็กเกจระบบปรับอากาศ: VW ID.3/ID.4, Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, และ Polestar 2 รุ่นออปชั่นสูง ราคาออปชันโดยทั่วไปอยู่ราว ~£1,000 จากตัวอย่างการใช้งานในอังกฤษ ประหยัดค่าชาร์จ ~£100-150 ต่อปี คืนทุนได้ใน 3-4 ปี

คำอ้างสิทธิ์ของผู้ผลิตมักสูงกว่าการวัดอิสระ: BMW วัดการลดลงของการใช้พลังงานเครื่องปรับอากาศได้ถึง 30% ในการทดสอบภายใน ส่วน Audi อ้างว่าเพิ่มระยะทางฤดูหนาวได้ถึง 25% ในช่วง -5°C ถึง +5°C เมื่อตัดสินใจ ควรแยกแยะคำอ้างสิทธิ์เหล่านี้ออกจากการวัดอิสระ

  • ติดตั้งเพิ่มภายหลังได้ไหม? ไม่ได้ - มันเป็นระบบที่ติดตั้งเชื่อมรวมกับวงจรความร้อนของรถอย่างลึกซึ้ง จึงต้องตัดสินใจตอนเลือกรถ
  • ใช้งานได้ในอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งหรือไม่? ใช้ แต่ประสิทธิภาพลดลง ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -15°C ระบบสนับสนุนแบบต้านทานจะทำงานร่วมด้วย
  • ทำงานเป็นเครื่องปรับอากาศในหน้าร้อนได้ไหม? ได้ โดยการกลับทิศทางวงจรเพื่อทำความเย็น
  • ต้องบำรุงรักษาหรือไม่? ไม่ต้อง - เป็นระบบปิด จะได้รับการตรวจสอบร่วมกับวงจรเครื่องปรับอากาศในการบำรุงรักษาตามปกติ
  • เห็นผลต่างในการเดินทางระยะสั้นหรือไม่? ข้อได้เปรียบชัดเจนในการเดินทางไกลที่ต้องทำความร้อนต่อเนื่อง ในการเดินทางระยะสั้นมีข้อได้เปรียบจำกัดกว่าแต่ยังคงมีอยู่

สรุป: อย่ามองข้ามวิศวกรรมความร้อน

ปั๊มความร้อนไม่ได้เป็นเพียงตัวเพิ่มระยะทางในตัวเอง แต่เป็นส่วนที่มองเห็นได้ของระบบจัดการความร้อนที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี ระบบที่จัดการอุณหภูมิของแบตเตอรี่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และห้องโดยสารในวงจรเดียว เมื่อปั๊มที่เก็บความร้อนส่วนเกินและการปรับอุณหภูมิล่วงหน้าที่ใช้ไฟจากสายส่งมารวมกัน การสูญเสียระยะทางในฤดูหนาวสามารถลดจากระดับ 40% มาเหลือเพียงหลักสิบได้ เมื่อเลือกซื้อรถยนต์ไฟฟ้า ให้ดูที่การจัดวางวงจรนี้ให้ดีเท่ากับแรงบิดของมอเตอร์หรือกำลังชาร์จเร็ว - อาจมากกว่านั้นหากคุณอาศัยอยู่ในพื้นที่ที่อากาศเย็น: เพราะระยะทางไม่ได้ชนะตอนอยู่ในโบรชัวร์ แต่ชนะด้วยวิศวกรรมของวงจรความร้อน

แหล่งข้อมูล