Kaip šilumos siurbliai saugo elektromobilius šaltyje

Žiemos metu elektromobilių vairuotojai pastebi vieną kartais nemalonų reiškinį: atšalus orui važiavimo nuotolis sumažėja, o baterijos įkrovimas tampa lėtesnis. Kodėl taip nutinka ir kaip nauja šilumos siurblių technologija padeda išsaugoti energiją bei pratęsti kelionę net tada, kai termometro stulpelis grimzta žemyn?

Kodėl šaltis kenkia elektromobiliams

Elektromobiliams (EV) žema temperatūra sukelia du esminius iššūkius. Pirma — cheminis: ličio jonų baterijose energiją perneša litio jonai, judantys tarp anodo ir katodo. Kai baterija atšąla, jonų judėjimas sulėtėja, todėl baterija sunkiau priima srovę ir įkrautas talpos kiekis krenta. Tai paaiškina, kodėl įkrovimas vakare lauke gali būti lėtesnis nei šiltesnėje aplinkoje.

Antra — praktinis faktorius: šalčio metu keleiviai ir vairuotojai ilgiau naudoja šildymą. Tradiciniai elektriniai šildytuvai (elektrinė varža, panaši į vandens šildytuvo elementą) tiesiogiai naudoja baterijos energiją – dėl to mažėja važiavimo nuotolis. Nepriklausomi testai (AAA, Consumer Reports, Recurrent) rodo, kad labai žemos temperatūros gali sumažinti nuotolį maždaug 16–46 procentų. Net vidaus degimo variklių automobiliai praranda efektyvumą žiemą, bet elektromobilių atveju poveikis jaučiamas labiau dėl šildymo elektros poreikio ir lėtesnio įkrovimo.

Kaip veikia šilumos siurbliai ir kodėl jie efektyvūs

Šilumos siurblys nėra stebuklingas generatorius — jis tiesiog perskirsto esamą šilumą. Užuot kūręs naują šilumos energiją degindamas kurą ar kaitinant elektros srovę, siurblys paima šilumą iš lauko oro ar kitų šaltinių ir perkelia ją į salono vidų arba į baterijos apšildymą. Tokiu būdu energijos sunaudojama ženkliai mažiau nei naudojant tiesioginę elektrinę varžą.

Principas pažįstamas ir namų šildymo sistemose: vietoj dujų ar elektrinių šildytuvų naudojimo, šilumos siurblys paima lauko oro šilumą ir ją pumpuoja vidun. Automobilyje tas pats principas realizuojamas mažesnėmis grandinėmis, specialiais kompresoriais ir šaldymo skysčiais. Net kai lauke yra labai šalta (pvz., –20 °C), ore vis tiek yra pakankamai energijos, kurią galima ištraukti ir paversti naudinga šiluma.

Naujesnės kartos šilumos siurbliai apima kintamos pavaros kompresorius, pažangesnius šaldymo agentus ir valdymo algoritmus, kurie leidžia efektyviai dirbti net prie labai žemos temperatūros. Dėl to kai kuriuose bandymuose pastebėta, kad siurbliai gali atkurti 3–15 procentų nuo žiemos metu prarasto nuotolio — tai gali reikšti iki 50 papildomų mylių (arba apie 80 km), priklausomai nuo automobilio ir sąlygų.

Šilumos šaltiniai automobilyje

• lauko oras,
• variklio ir valdymo elektronikos šiluma,
• vazaro (blower) variklio ir kiti vidaus komponentai,
• baterijos ir net vairuotojo bei keleivių kūno šiluma per išmanias sistemas.

Praktika: kuriuose modeliuose jie yra ir ką tai reiškia kasdienybėje

Pastaraisiais metais šilumos siurbliai tapo įprastesne įranga daugelyje naujų elektromobilių. Tesla įdiegė savo patentuotą sprendimą nuo 2021 m., o kiti gamintojai — Jaguar I-Pace, BMW i serija, Hyundai Ioniq 5, Audi e-Tron, Kia EV9 ir kt. — taip pat naudoja šią technologiją. Automobilių technologijų instruktorius John Kelly net sakė, kad elektromobilis be šilumos siurblio „atrodo kaip dinozauras“ — tai pabrėžia pokyčio reikšmę rinkoje.

Daugeliui vartotojų skirtumas yra aiškus: mažesnės šildymo išlaidos ir didesnis važiavimo nuotolis žiemą. Kai kurie gamintojai kombinuoja šilumos siurblį su tradiciniu elektriniu šildytuvu, kuris pradeda dirbti trumpam, kol siurblys pasiekia optimalią darbo temperatūrą. Tesla pavyzdys yra ekstravagantiškesnis — jų sistema ima šilumą iš daugelio komponentų, įskaitant ventiliatoriaus motorą ir net Autopilot kompiuterius, „išvagiančiai“ panaudodama bet kokią atliekamą šilumą.

Vis dėlto tai nėra stebuklas: prie itin žemų temperatūrų siurblio efektyvumas krenta. Jan Rosenow iš Regulatory Assistance Project pažymi, kad produktyvumas mažėja labai šaltame ore, tačiau palyginus su elektrine varža, šilumos siurblys gali sumažinti šildymo energijos poreikį maždaug dviem trečdaliais — konkrečiai priklausomai nuo sąlygų ir sistemos efektyvumo.

Praktiniai patarimai vairuotojams žiemą

Net turint šilumos siurblį, vairuotojai gali elgtis protingai, kad maksimaliai išsaugotų baterijos talpą:

• Laikykite automobilį prijungtą prie įkroviklio, kai galite — tai leidžia baterijai išlikti šiltesnei ir greičiau įkrauti.
• Naudokite „preconditioning“ funkcijas: iš anksto pašildyta baterija priima srovę efektyviau.
• Planuokite stabilesnį maršrutą ir paskirstykite įkrovimo sustojimus, ypač ten, kur yra įkrovimo infrastruktūra.
• Venkite ilgalaikio šildymo stovint — naudokite sėdynių ir vairo šildymą, kurie naudoja mažiau energijos.

Expert Insight

Prof. dr. Tomas Petrauskas, transporto inžinerijos specialistas: — Šilumos siurbliai yra vienas iš akivaizdžiausių žingsnių mažinant žiemos poveikį elektromobiliams. Tai ne tik technologija, bet ir sistemos architektūros pokytis: mes matome, kaip energetikos valdymas tampa svarbesnis nei kada nors anksčiau. Ateityje derinsime baterijų valdymo sistemas, šilumos siurblius ir išmaniuosius įkrovimo režimus taip, kad EV veiktų optimaliai bet kokiomis oro sąlygomis.

— Pasak prof. Petrausko, svarbu ne tik pati technologija, bet ir infrastruktūra: platesnis greitųjų ir lėtųjų įkroviklių tinklas sumažintų potraukį perdaug pasikliauti baterijos „rezervu“. Tai reiškia technologinį bei politinį darbą — nuo gamintojų iki miestų planuotojų.

Ši transformacija — nuo paprasto šildymo elementų link integruotų šilumos valdymo sistemų — rodo, kaip greitai kinta elektromobilių ekosistema. Šilumos siurbliai ne išsprendžia visų žiemos problemų, tačiau jie žymiai sumažina šilumos energijos poreikį ir padeda elektromobiliams išlikti praktiška alternatyva net šaltesniuose regionuose.