Elektromobilność zimą: inteligentne zarządzanie temperaturą w elektykach

Zimą zarówno wnętrze, jak i system akumulatorów samochodów z napędem elektrycznym muszą osiągnąć odpowiednią temperaturę. To zadanie wymaga od nich dużo energii. Niskie temperatury zewnętrzne pogłębiają problem i wpływają na wydajność akumulatorów wysokonapięciowych. Mimo to, obawy o nadmierną utratę zasięgu w elektrycznych modelach Audi są bezpodstawne: dzięki inteligentnemu zarządzaniu termicznemu, cztery pierścienie zapewniają swoim samochodom znakomitą wydajność i zasięg, a specjalne mechanizmy ochronne gwarantują długą żywotność akumulatorów. W poniższym wywiadzie eksperci wyjaśniają, w jaki sposób Audi skutecznie stawia czoła wyzwaniom związanym z zimową eksploatacją.

Czy kierowcy elektrycznych modeli Audi muszą się martwić zimą, że ich jazda będzie w jakiś sposób ograniczona?

Thomas Anzenberger: Na to pytanie mogę odpowiedzieć jednoznacznie: "nie". Już sam rozmiar naszych wysokonapięciowych akumulatorów sprawia, że wątpliwości dotyczące osiągów i zasięgu w zimie są nieuzasadnione. Funkcja inteligentnego zarządzania temperaturą zawsze wybiera najbardziej efektywne metody ogrzania akumulatora i wnętrza pojazdu zimą. Dzięki temu, jeśli nasi klienci o każdej porze roku odpowiednio je ładują na stacjach ładowania AC lub za pomocą domowego wallboxa, akumulatory wysokonapięciowe mają długą żywotność. Funkcja ta jest szczególnie przydatna w miesiącach zimowych. Wspomaga ona pracę ogniw i jednocześnie minimalizuje straty zasięgu, ponieważ jeszcze przed ruszeniem samochodem z miejsca akumulator znajduje się w optymalnym zakresie temperatur i dlatego nie musi być tak mocno podgrzewany.

Jak zimno wpływa na akumulator wysokonapięciowy?

Pierre Woltmann: Wydajność akumulatora wysokonapięciowego jest zasadniczo zależna od poziomu jego naładowania i temperatury. Im jest zimniej, tym mniej energii może dostarczyć akumulator. Wpływają na to procesy elektrochemiczne w nim zachodzące. W niskich temperaturach wzrasta elektryczny opór wewnętrzny akumulatora i zmniejsza się pojemność użytkowa. Chronimy akumulator, dostarczając mniejsze natężenie prądu w niższej temperaturze. Dodatkowo, akumulator może przejąć ciepło odpadowe z chłodzonych cieczą komponentów wysokiego napięcia, takich jak elektronika mocy, system napędowy, czy ładowarka, i zostać ogrzany bezpośrednio przez grzałkę czynnika chłodzącego.

Jak zimno wpływa na proces ładowania?

Woltmann: Przy niskich temperaturach ładowanie akumulatora może trwać dłużej. Z tego powodu akumulator musi być ogrzewany podczas ładowania, a najlepiej nawet w drodze do punktu ładowania. Po podłączeniu do punktu ładowania pojazd automatycznie komunikuje się ze źródłem zasilania. W ten sposób punkt ładowania odczytuje, ile energii elektrycznej może w danej chwili przyjąć akumulator. Dzięki temu mamy pewność, że akumulator nie jest przeciążony. W trakcie ładowania akumulator pobiera z punktu ładowania energię elektryczną potrzebną również do ogrzewania.

Jakie dokładnie są zadania systemu zarządzania termicznego?

Anzenberger: Zasadniczo zarządzanie termiczne odpowiada za rozprowadzanie strumieni ciepła pomiędzy układem napędowym, akumulatorem wysokiego napięcia i wnętrzem pojazdu. W tym kontekście najlepiej sprawdza się pompa ciepła. Przetwarza ona energię cieplną z układu napędowego lub z otaczającego powietrza. To ciepło jest dostępne dla akumulatora, a zimą również dla wnętrza pojazdu. Wykorzystanie otaczającego powietrza jako źródła energii cieplnej jest stosunkowo nowym rozwiązaniem: używamy go do równoważenia malejącego ciepła odpadowego z układu napędowego, który pracuje coraz wydajniej. W ten sposób mamy dostęp do dwóch niezależnych od siebie źródeł: układu napędowego i otaczającego powietrza, które wykorzystujemy do ogrzewania wnętrza i akumulatora wysokiego napięcia.

W jaki sposób regulowana jest temperatura akumulatora i wnętrza podczas jazdy?

Anzenberger: By zapewnić niezawodne źródło ciepła nawet w bardzo niskich temperaturach, system pompy ciepła stosowany w większości naszych modeli elektrycznych ma wbudowaną dodatkową grzałkę wysokonapięciową. Zapewnia to komfortowe ogrzanie wnętrza nawet w ekstremalnych sytuacjach i szybko wytwarza idealną temperaturę akumulatora wynoszącą około 25 do 30 stopni Celsjusza, co jest niezbędne dla osiągnięcia jego maksymalnej wydajności. Druga grzałka elektryczna jest dostępna w pakiecie zimowym przeznaczonym dla zimnych krajów Północy. W niektórych modelach opcjonalnie dostępna jest też dodatkowa grzałka do rowerów elektrycznych.

Woltmann: Gdy nasi klienci chcą jeździć z maksymalną wydajnością w niskich temperaturach zewnętrznych, algorytm zarządzania termicznego podgrzewa akumulator do niższej temperatury i choć w rezultacie uwalnia mniej mocy napędowej, zwiększa zasięg pojazdu.

Jakie dodatkowe rozwiązania techniczne opracowane przez Audi mogą uniezależnić akumulator wysokonapięciowy od wpływu temperatury na jego funkcjonowanie?

Woltmann: Obok zarządzania termicznego doskonale sprawdza się też tzw. ogrzewanie wstępne, które ma pozytywny wpływ zarówno na akumulator, jak i na wnętrze pojazdu. Dzięki zegarowi ładowania i odjazdu można ustawić dokładny czas wyjazdu - bezpośrednio w pojeździe lub za pomocą aplikacji myAudi. W rezultacie automatyczny proces ładowania ładuje akumulator do założonego poziomu i korzystnej temperatury, które osiąga jak najbliżej godziny wyjazdu. W ten sposób znacznie ograniczana jest utrata zasięgu spowodowana nagrzewaniem się akumulatora. Ponadto ogrzewanie wstępne dostosowuje temperaturę wnętrza pojazdu do pożądanego poziomu, tak by kierowca i pasażerowie mogli wsiąść do już ciepłego samochodu.

Anzenberger: W modelach e-tron GT quattro i RS e-tron GT, przy włączonym systemie planowania trasy e-tron, ogrzewanie akumulatora działa automatycznie nawet podczas jazdy, co pomaga w uzyskaniu wysokiej wydajności ładowania na stacjach szybkiego ładowania. W zależności od temperatury powietrza na zewnątrz, inteligentny system zarządzania termicznego, oprócz ogrzania wstępnego, już podczas jazdy i przed rozpoczęciem ładowania dodatkowo doprowadza akumulator do optymalnego dla ładowania zakresu temperatur. To dodatkowe wstępne ogrzanie akumulatora w e-tron GT quattro i RS e-tron GT zapewnia najlepsze i najszybsze możliwe wyniki ładowania.

W jaki sposób Audi ogrzewając wnętrze redukuje straty zasięgu?

Woltmann: W porównaniu z silnikiem spalinowym, samochód elektryczny ma znacznie mniej ciepła odpadowego i energii dostępnej do ogrzewania. Ciepło generowane przez akumulator, silnik elektryczny i układy elektroniczne może być odprowadzane do wnętrza pojazdu za pomocą pompy ciepła. Zasadniczo pompa ciepła działa jak lodówka - ale w odwrotnym kierunku. Im więcej ciepła odpadowego jest dostępne, tym wydajniej pracuje pompa. W najlepszym przypadku, z jednego kilowata energii elektrycznej można uzyskać do trzech kilowatów mocy cieplnej. Technologia ta jest bardzo przydatna szczególnie zimą, ponieważ zastępuje termoelektryczny element grzewczy. W zależności od temperatury zewnętrznej, pompa ciepła może nawet zwiększyć zasięg w porównaniu z ogrzewaniem konwencjonalnym.

Co mogą zrobić klienci, którzy nie mają do dyspozycji garażu?

Woltmann: Każdy, kto potrzebuje większego zasięgu, powinien – jak tylko wsiądzie do samochodu – włączyć ogrzewanie wstępne. W warunkach idealnych powinno to być zrobione przez ładowanie prądem zmiennym, które jest generalnie bardziej wydajne niż ładowanie prądem stałym, ponieważ jest mniejsza strata. Ładowanie prądem zmiennym jest również „łagodniejsze”, ponieważ nie obciąża tak bardzo akumulatora. Przy ładowaniu prądem zmiennym niższe jest też natężenie mierzone w amperach. Akumulator dobrze taki proces zaabsorbuje, nawet przy bardzo niskiej temperaturze akumulatora, co oznacza, że nie trzeba go tak mocno podgrzewać. Ładowanie powinno odbywać się - niezależnie od tego, czy jest to prąd zmienny czy stały - bezpośrednio przed rozpoczęciem podróży, wykorzystując do tego timer odjazdu, tak by spożytkować wyższą temperaturę akumulatora do zwiększenia zasięgu lub bezpośrednio po zakończeniu jazdy, by wykorzystać wyższą temperaturę akumulatora do szybszego i bardziej efektywnego ładowania.

Co dzieje się z zimnym akumulatorem na stacji szybkiego ładowania?

Woltmann: Niezależnie od modelu, algorytm w pojeździe rozpoznaje, kiedy samochód jest ładowany w stacji szybkiego ładowania prądem stałym – dzieje się to niezależnie od poziomu naładowania i temperatury. Dzięki aktywnemu ogrzewaniu, które zaimplementowaliśmy w samochodach marki Audi, znacznie skracamy czas ładowania w niskich temperaturach.

Kiedy akumulatory wysokonapięciowe osiągają swój maksymalny limit?

Woltmann: By chronić akumulator, nie uwalniamy energii elektrycznej od momentu, gdy temperatura rdzenia osiągnie minus 30 stopni. Ale żeby tak się stało, samochód musiałby być wystawiony na działanie tak ekstremalnej temperatury przez długi czas. Oczywiście sama jazda modelem e-tron z wystarczającym poziomem naładowania i wstępnie rozgrzanym akumulatorem wysokonapięciowym w temperaturze zewnętrznej wynoszącej minus 30 stopni jest możliwa, choć nie zalecana.

Z technicznego punktu widzenia, jakich dodatkowych rad mógłby Pan udzielić kierowcom samochodów elektrycznych na zimę?

Anzenberger: Dzięki wykorzystaniu komputera pokładowego i monitora zasięgu w Audi MMI z funkcją przewidywania zasięgu podczas jazdy, klienci mogą bezpośrednio odczytać, jaki zasięg zyskują np. gdy obniżą temperaturę wnętrza. Zasięg można zwiększyć za pomocą trybu Range Mode. Ogranicza on nieco funkcje komfortowe, moc napędu i prędkość maksymalną, ale zwiększa zasięg.