Systemy termiczne w pojazdach elektrycznych i hybrydowych

Termin "hybryda" oznacza jako taki to samo co mieszanina lub kombinacja. W inżynierii samochodowej oznacza on, że w pojeździe silnik spalinowy z konwencjonalną technologią napędu został połączony z elementami pojazdu elektrycznego.

Technologia hybrydowa staje się coraz bardziej wyrafinowana na trzech etapach: mikro-hybrydowym, średnio-hybrydowym i całkowicie hybrydowym. Mimo różnic technicznych wszystkie technologie mają tę samą cechę: stosowany w nich akumulator jest ładowany z odzysku energii hamowania.

wyposażone są z reguły w normalny silnik spalinowy z automatycznym systemem start-stop i systemem odzysku energii hamowania (tzw. rekuperacji).

są dodatkowo wyposażone w mały silnik elektryczny i silniejszy akumulator. Elektryczny napęd pomocniczy służy wyłącznie do wspomagania pojazdu przy ruszaniu oraz do zwiększania mocy podczas wyprzedzania, czyli tak zwanego "boostingu".

mają nie tylko możliwość „boostingu”, ale mogą też jeździć wyłącznie na napędzie elektrycznym. W tym celu są one wyposażone w kompletny elektryczny układ napędowy. Wymaga to jednak znacznie silniejszego akumulatora niż stosowany w pojazdach typu mild-hybrid.

oferują możliwość ładowania akumulatorów z sieci elektroenergetycznej, np. w nocy. Pozytywnym efektem ubocznym w tego typu pojazdach jest fakt, że przestrzeń pasażerska może być jednocześnie doprowadzona do żądanej temperatury jeszcze przed rozpoczęciem jazdy. Oznacza to, że codziennie rano pojazd jest od razu gotowy do użycia. Hybryda typu plug-in, czyli ładowana z sieci elektrycznej, jest rodzajem pojazdu pełno-hybrydowego.

Typowymi przedstawicielami pojazdów hybrydowych są obecnie Toyota Prius, BMW ActiveHybrid X6 (E72) lub VW Touareg Hybrid. Pojazdy BMW ActiveHybrid 7 i Mercedes S400 (F04) to z kolei przykłady pojazdów typu mild-hybrid.

Jak pokazuje przegląd, każda z tych technologii posiada różne funkcje przyczyniające się do oszczędności paliwa. Te cztery funkcje zostały pokrótce opisane poniżej.

Pojazd elektryczny jest z definicji pojazdem silnikowym napędzanym silnikiem elektrycznym. Energia elektryczna potrzebna do jego ruchu pochodzi z baterii trakcyjnej (akumulatora), a nie z ogniwa paliwowego lub przedłużacza zasięgu (range extender). Ze względu na to, samochód elektryczny sam nie emituje żadnych istotnych zanieczyszczeń podczas pracy, jest on klasyfikowany jako pojazd bezemisyjny.

W pojazdach elektrycznych koła napędzane są silnikami elektrycznymi. Energia elektryczna jest magazynowana w akumulatorach mających postać jednej lub więcej baterii trakcyjnych lub zasilających.
Elektronicznie sterowane silniki elektryczne mogą zapewnić maksymalny moment obrotowy już w stojącym pojeździe. W przeciwieństwie do silników spalinowych nie wymagają zazwyczaj ręcznej skrzyni biegów i mogą szybko przyspieszać już z niskich poziomów prędkości. Silniki elektryczne są cichsze niż silniki benzynowe lub wysokoprężne, praktycznie bezwibracyjne i nie emitują szkodliwych spalin. Ich sprawność - powyżej 90% - jest bardzo wysoka.

Oszczędność wagi dzięki wyeliminowaniu różnych komponentów (silnik, skrzynia biegów, zbiornik) silnika spalinowego jest równoważona przez stosunkowo dużą masę akumulatorów. Dlatego też pojazdy elektryczne są zazwyczaj cięższe niż odpowiadające im pojazdy z silnikami spalinowymi. Pojemność akumulatora (akumulatorów) ma duży wpływ na masę pojazdu i jego cenę.

W przeszłości zasięgi pojazdów elektrycznych zapewniane z jednego naładowania akumulatora były krótkie. Ostatnio jednak rośnie liczba samochodów elektrycznych, które mogą osiągnąć odległości kilkuset kilometrów, np. Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.
W celu dalszego zwiększania zasięgu pojazdów elektrycznych, wykorzystuje się czasami do wytwarzania energii elektrycznej dodatkowe urządzenia (zwykle w postaci silnika spalinowego). System ten nazywa się "przedłużaczem zasięgu", czy inaczej "range extender".

Aby pojazd elektryczny mógł pracować ze szczególnie wysoką sprawnością, konieczne jest utrzymywanie temperatury silnika elektrycznego, elektroniki mocy oraz akumulatora w optymalnym zakresie temperatur. Aby to zapewnić, wymagany jest zaawansowany system termiczny.

Ze względu na wysoką sprawność napędy elektryczne emitują niewiele ilości ciepła do środowiska podczas pracy i w ogóle nie emitują ciepła podczas postoju. Do ogrzania samochodu przy niskich temperaturach zewnętrznych lub rozmrożenia szyb potrzebne są dodatkowe grzejniki. Stanowią one dodatkowe odbiorniki energii i są bardzo istotne ze względu na wysokie zużycie energii. Zużywają one część energii zgromadzonej w akumulatorze, co ma znaczący wpływ na zasięg, zwłaszcza w zimie. Elektryczne dogrzewacze zintegrowane z systemem wentylacji są prostą, efektywną, ale również bardzo energochłonną metodą ogrzewania. W związku z tym stosuje się też obecnie energooszczędne pompy ciepła. Latem mogą one być również wykorzystywane jako system klimatyzacji do chłodzenia wnętrza pojazdu. Podgrzewacze siedzeń i ogrzewane szyby doprowadzają ciepło bezpośrednio do ogrzewanych miejsc, zmniejszając tym samym również zapotrzebowanie na ogrzewanie wnętrza. Samochody elektryczne często spędzają czas w stacjach ładowania. Tam pojazd może zostać ogrzany lub ochłodzony już przed rozpoczęciem jazdy bez obciążania akumulatora. W drodze do ogrzewania lub chłodzenia wnętrza pojazdu potrzeba w tej sytuacji znacznie mniej energii. Oferowane są już również aplikacje na smartfony, za pomocą których można zdalnie sterować ogrzewaniem.

W pojazdach elektrycznych i hybrydowych są zawsze zainstalowane komponenty układów wysokiego napięcia. Są one oznakowane standardowymi naklejkami ostrzegawczymi. Dodatkowe wszystkie kable wysokiego napięcia wszystkich producentów mają kolor fluorescencyjno-pomarańczowy.

Podczas pracy przy pojazdach wyposażonych w systemy wysokiego napięcia obowiązuje następujący sposób postępowania:

1. Pozbawić napięcia
2. Zabezpieczyć przed ponownym włączeniem
3. Zweryfikować brak napięcia

Należy przestrzegać zaleceń producentów pojazdów i naszych wskazówek warsztatowych!

W standardowych układach napędowych (z silnikiem spalinowym) klimatyzacja wnętrza pojazdu, realizowana przez napędzaną mechanicznie sprężarkę, jest bezpośrednio zależna od pracy silnika. Także w pojazdach określanych przez specjalistów jako mikro-hybrydowe i posiadających tylko funkcję start-stop stosuje się sprężarki napędzane pasem. Wiąże się to z tego rodzaju problemem, że po zatrzymaniu pojazdu i wyłączeniu silnika już po upływie 2 sekund wzrasta temperatura w wylocie parownika klimatyzacji. Związany z tym powolny wzrost temperatury i wilgotności nawiewanego powietrza pasażerowie pojazdu odbierają jako nieprzyjemny.

Aby zlikwidować ten problem, można stosować stanowiące nowość akumulatory zimna, tzw. parowniki akumulacyjne.

Kierowcy pojazdów wyposażonych w systemy wysokiego napięcia (HV) nie są narażeni na bezpośrednie zagrożenia elektryczne - nawet w przypadku awarii. System HV jest zabezpieczony przez wiele zastosowanych przez producentów pojazdów elementów.

Pomoc drogowa dotycząca pojazdów z systemami HV jest również niegroźna, o ile nie jest konieczna ingerencja w system HV w celu usunięcia usterek.

Zagrożenia występują jednak w przypadku awarii lub konieczności holowania pojazdów uszkodzonych w wypadku lub wymagających wydobycia ze śniegu i wody. Chociaż poziom zabezpieczenia pojazdów przed zagrożeniami związanymi z prądem elektrycznym lub wyładowaniami łukowymi jest bardzo wysoki, nie ma można zagwarantować 100% bezpieczeństwa w przypadku każdego uszkodzenia. W razie wątpliwości należy wziąć pod uwagę odpowiednie informacje producenta pojazdu lub zażądać od niego takich informacji.

Pomoc drogowa w razie usterek pojazdów elektrycznych i hybrydowych może być świadczona przez każdą osobę posiadającą wymagane do tego celu specjalne kwalifikacje. Pracownicy pomoc drogowej otrzymują instruktaże dotyczące budowy i obsługi pojazdów wyposażonych w systemy wysokiego napięcia. Stosuje się w tym zakresie specyficzne wymagania i warunki wykonywania prac niebędących pracami elektrotechnicznymi, obowiązujące w kraju użytkowania pojazdu. (Do Niemiec stosują informacje DGUV 200-005 "Kwalifikacje wymagane przy pracach przy pojazdach z systemami wysokiego napięcia" (wcześniej BGI 8686). Należy też uwzględniać specyficzne warunki panujące w kraju użytkowania pojazdu.)

Unbedingt Herstellerangaben beachten. Nur bei wenigen Fahrzeugen ist ein Fremdstarten über das 12/24 V DC Bordnetz möglich. Nach dem Abschalten können gefährliche Restspannungen vorhanden sein, die sich nicht über Dauerentladewiderstand entladen. Vor dem Öffnen die Anweisung in der Betriebsanleitung oder/und technischen Informationen des Fahrzeugherstellers beachten.

• Pojazdy nieuszkodzone można z reguły załadować na pojazd transportowy (lawetę).
• Podczas holowania za pomocą pręta lub liny należy przestrzegać wymagań producenta.
• Warunkiem bezpiecznego prowadzenia akcji ratunkowych jest uwzględnienie wszystkich czynności opisanych w rozdziale "Bezpieczna pomoc w przypadku samochodów elektrycznych".
• Jeśli pojazd jest holowany lub akcja ratunkowa jest prowadzona za pomocą wciągarki, to w obszarze punktów mocowania i przyłożenia elementów mocujących nie mogą znajdować się żadne komponenty wysokiego napięcia, które mogą ulec uszkodzeniu. To samo dotyczy podnoszenia za pomocą podnośnika lub dźwigu.