1. Sähköajoneuvojen lämmönhallintavaatimukset (HVCH)
Matkustamo on ympäristötila, jossa kuljettaja asuu ajoneuvon liikkuessa. Mukavan ajo-ympäristön varmistamiseksi kuljettajalle matkustamon lämmönhallintajärjestelmän on hallittava ajoneuvon sisäympäristön lämpötilaa, kosteutta ja ilman tulolämpötilaa. Matkustamon lämmönhallintavaatimukset eri olosuhteissa on esitetty taulukossa 1.
Akun lämpötilan säätö on tärkeä edellytys sähköajoneuvojen tehokkaan ja turvallisen toiminnan varmistamiseksi. Liian korkea lämpötila aiheuttaa nestevuotoja ja itsesyttymistä, mikä vaikuttaa ajoturvallisuuteen. Liian alhainen lämpötila puolestaan heikentää akun lataus- ja purkauskapasiteettia jossain määrin. Suuren energiatiheytensä ja keveytensä ansiosta litium-akuista on tullut yleisimmin käytettyjä sähköajoneuvojen akkuja. Taulukossa 2 on esitetty litium-akkujen lämpötilan säätövaatimukset ja akun lämpökuorma eri olosuhteissa, kirjallisuuden mukaan arvioituna. Akkujen energiatiheyden asteittaisen kasvun, työympäristön lämpötila-alueen laajenemisen ja latausnopeuksien kasvun myötä akun lämpötilan säädön merkitys lämmönhallintajärjestelmässä on korostunut, ei vain erilaisten tieolosuhteiden ja lataus- ja purkaustilojen vaatimusten täyttämiseksi. Lämpötilan säätökuorman muutokset ajoneuvon käyttöolosuhteissa, akkujen välisen lämpötilakentän tasaisuus ja lämpöpurkausten estäminen ja hallinta edellyttävät myös kaikkien lämpötilan säätövaatimusten täyttämistä erilaisissa ympäristöolosuhteissa, kuten kovassa kylmyydessä, kuumassa ja kosteassa ympäristössä sekä kuumalla kesällä ja kylmällä talvella.
2. Ensimmäisen vaiheen PTC-lämmitys
Sähköajoneuvojen teollistumisen alkuvaiheessa ydinteknologia perustuu pohjimmiltaan akkujen, moottoreiden ja muiden voimansiirtojärjestelmien korvaamiseen asteittaisten parannusten myötä. Sekä puhtaasti sähköajoneuvojen ilmastointilaitteet että polttoaineajoneuvojen ilmastointilaitteet toteuttavat jäähdytystoiminnon höyrypuristussyklin kautta. Näiden kahden välinen ero on se, että polttoaineajoneuvojen ilmastointikompressoria käyttää moottori epäsuorasti hihnan kautta, kun taas puhtaasti sähköajoneuvot käyttävät suoraan sähkökäyttöistä kompressoria jäähdytyssyklin ohjaamiseen. Kun polttoaineajoneuvoja lämmitetään talvella, moottorin hukkalämpöä käytetään suoraan matkustamon lämmittämiseen ilman lisälämmönlähdettä. Puhtaasti sähköajoneuvojen moottorin hukkalämpö ei kuitenkaan pysty vastaamaan talvilämmityksen tarpeisiin. Siksi talvilämmitys on ongelma, joka puhtaasti sähköajoneuvojen on ratkaistava. Positiivisen lämpötilakertoimen lämmitin (positiivinen lämpötilakerroin, PTC) koostuu PTC-keraamisesta lämmityselementistä ja alumiiniputkesta (PTC-jäähdytysnesteen lämmitin/PTC-ilmalämmitin), jolla on pienen lämmönvastuksen ja korkean lämmönsiirtotehokkuuden etuna, ja sitä käytetään polttoaineajoneuvojen koripohjassa. Siksi varhaisissa sähköajoneuvoissa käytettiin höyrypuristusjäähdytyssykliä ja PTC-lämmitystä matkustamon lämmönhallinnan saavuttamiseksi.
2.1 Lämpöpumpputekniikan soveltaminen toisessa vaiheessa
Käytännössä sähköajoneuvoilla on suuri lämmitysenergiankulutus talvella. Termodynaamisesta näkökulmasta PTC-lämmityksen COP on aina alle 1, mikä tekee PTC-lämmityksen tehonkulutuksesta korkean ja energiankäyttöasteen alhaisen, mikä rajoittaa sähköajoneuvojen polttoainetaloudellisuutta merkittävästi. Lämpöpumpputekniikka hyödyntää höyrypuristussykliä ympäristön matalalämpöisen lämmön hyödyntämiseksi, ja teoreettinen COP lämmityksen aikana on yli 1. Siksi lämpöpumppujärjestelmän käyttö PTC:n sijaan voi lisätä sähköajoneuvojen ajomatkaa lämmitysolosuhteissa. Akun kapasiteetin ja tehon parantuessa myös akun käytön aikainen lämpökuorma kasvaa vähitellen. Perinteinen ilmajäähdytysrakenne ei pysty täyttämään akun lämpötilan säätövaatimuksia. Siksi nestejäähdytyksestä on tullut akun lämpötilan säätöön tärkein menetelmä. Lisäksi, koska ihmiskehon vaatima mukava lämpötila on samanlainen kuin akun normaalin toimintalämpötila, matkustamon ja akun jäähdytystarpeet voidaan täyttää kytkemällä lämmönvaihtimet rinnan matkustamon lämpöpumppujärjestelmään. Akun lämpö poistuu epäsuorasti lämmönvaihtimen ja toissijaisen jäähdytyksen avulla, ja sähköajoneuvon lämmönhallintajärjestelmän integrointiastetta on parannettu. Vaikka integrointiastetta on parannettu, lämmönhallintajärjestelmä tässä vaiheessa integroi vain akun ja matkustamon jäähdytyksen, eikä akun ja moottorin hukkalämpöä ole hyödynnetty tehokkaasti.
Julkaisun aika: 04.04.2023
