CC BY
4
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-410-411
К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РАБОТЫ КЛИМАТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ЗАПАС ХОДА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
К.М. Сидоров, В.Н. Козловский, Д.И. Панюков
В статье представлены результаты исследования влияния работы климатической установки на запас хода электромобиля.
Ключевые слова: электромобиль, запас хода, климатическая установка.
Задача отопления и кондиционирования воздуха салона автомобиля традиционной конструкции не вызывает особых сложностей, поскольку двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является одновременно и источником механической энергии для привода навесного вспомогательного оборудования, и источником тепла, которое может быть полезным образом утилизировано (направлено) на обогрев салона [1, 2]. Однако силовая установка транспортного средства (ТС), в котором ДВС отсутствует или является вспомогательным звеном, функционирующим ограниченное по продолжительности время, определяет следующие проблемы, которые препятствуют созданию комфортных условий в салоне традиционным способом:
- отсутствие мощного постоянного источника тепловой энергии на борту транспортного средства;
- отсутствие источника механической энергии, который обеспечил бы непрерывный отбор мощности для привода вспомогательных механических устройств - жидкостных насосов и компрессора кондиционера.
С целью решения проблем создания должного микроклимата в салоне транспортного средства, где основным источником энергии для движения является тяговая аккумуляторная батарея [3, 4], целесообразно применение электрического компрессорного агрегата в составе климатической установки. Конструкция такого устройства содержит в составе единого блока:
- компрессор (нагнетатель), по своей конструкции аналогичный обычному варианту для автомобиля;
- бесконтактный электродвигатель переменного тока, осуществляющий механический привод компрессора;
- инвертор с блоком управления электродвигателем компрессора.
Преимуществом компрессора с электрическим приводом является более высокий КПД в сравнении с традиционным вариантом, отсутствие электромагнитной муфты и его автономность.
Другой системой, наличие которой в составе климатической установки продиктовано скорее крайней необходимостью, чем требованиями повышения энергетической эффективности силовой установки, является система электрического отопления салона [5]. По условию снижения токовых нагрузок основной элемент указанной системы - теплоэлектрический нагреватель, должен, наравне с компрессорным агрегатом, быть рассчитан на работу при высоком напряжении. Только в этом случае можно гарантировать продолжительную и эффективную работу системы отопления транспортного средства с необходимой теплопроизводительностью [6].
Составной частью энергоэффективной системы электрического отопления салона перспективных транспортных средств являются, как правило, нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом (ПТК) - позисторы. Отличительной чертой нагревательных элементов на основе позисторов является самоограничение протекающего по ним тока и, следовательно, предотвращения дальнейшего увеличения температуры. Такое качество саморегулирования позволяет исключить применение специальных устройств для ограничения температуры, защиты от перегрева и сверх токов. Важными преимуществами нагревателей на основе элементов с ПТК для применения в составе климатических установок транспортных средств является их взрыво- и пожаробезопасность, длительный срок службы, высокая энергоэффективность и удельная мощность [7, 8].
В составе системы отопления и кондиционирования воздуха ТС энергоэффективные нагреватели могут быть использованы двумя основными способами:
- интеграция в системе циркуляции воздуха для его непосредственного нагрева при подаче в салон ТС;
- использование в составе агрегата жидкостного отопителя салона.
Условием, открывающим возможность использования данных решений, является наличие на борту ТС источника электроэнергии высокого напряжения, с помощью которого можно обеспечить необходимую мощность климатической установки при минимальной силе потребляемого тока [9, 10]. Такое условие выполняется на электромобилях и гибридных автомобилях. Следует отметить, что требуемая мощность системы кондиционирования воздуха варьируется в зависимости от типа ТС и его назначения. Для легковых электромобилей номинальная мощность электрического компрессорного агрегата в среднем составляет значение 3,5.. .4,0 кВт. Для электробусов аналогичный показатель выше и принимает значения от 7 кВт до 25 кВт. Последнее обусловлено большим объемом воздуха в салоне и более высокой тепловой нагрузкой (количество пассажиров, постоянное открытие дверей, приток теплого воздуха) в сравнении с легковым ТС. Номинальная мощность электрических отопителей несколько выше и, например, для легковых электромобилей находится в диапазоне 5.10 кВт.
Единственным источником энергии на борту электромобилей и электробусов является тяговая аккумуляторная батарея (ТАБ), которая призвана, в первую очередь, обеспечить работу электрического привода для осуществления движения ТС. Запас электрической энергии ТАБ и ее расходование на борту определяют пробег электромобиля на одном заряде. Поскольку функционирование кондиционера связано с дополнительным потреблением электрической энергии, то его работа неотъемлемо ведет к снижению запаса хода электромобиля, т.к. на обеспечение как такого движения ТС остается меньше энергии. На итоговую величину запаса хода ЭМ оказывают влияние несколько факторов, среди них: режим и условия движения (в том числе дорожные, климатические), загрузка (количество пассажиров), конструкция ТС и др. Причем эти факторы правомочно применить и к степени снижения запаса хода от работающего кондиционера. Так, например, количество пассажиров определяет величину тепловыделения в салоне, которую необходимо компенсировать требуемой холодопроизводительностью. Конструкция кузова и применяемые материалы влияют на теплоизоляционные свойства, а значит и потери холода. Пассажиропоток и характе-
Электротехнические комплексы и системы
ристика маршрута, применительно к электробусам, связаны с фактом и продолжительностью открытия дверей, что также обуславливает температурные потери. Это лишь некоторые факторы, которые в конечном итоге определяют требуемую холодопроизводительность климатической установки, потребляемую от ТАБ мощность и расход электроэнергии, а значит и запас хода.
Помимо этого, режим движения ТС также связан с эффективностью работы системы кондиционирования. Так, движение ТС в условиях города, характеризующееся низкой средней скоростью, значительной долей остановок в общем времени маршрута, приводит к менее интенсивному отводу тепла от конденсатора кондиционера, большему времени работы теплоотводящих вентиляторов. Тогда как при движении с относительно высокой скоростью на транспортной магистрали активно используется поток набегающего воздуха для аналогичной цели.
По различным оценкам снижение запаса хода типового легкового электромобиля от работающего кондиционера составляет:
- в городских условиях движения - 18.. .28 %;
- движение по автомагистрали (загородный цикл) - 3.12 %;
- в смешанном цикле - 12.18 %.
Данные приведены для температуры окружающей среды 35 оС и для городского цикла учитывают стадию начального охлаждения салона - ситуацию, когда электромобиль до начала движения находился на открытом воздухе.
Так, например, для электромобиля BMW i3 (2014 модельного года и при запасе энергии батареи 18,8 кВтч) удельный расход электрической энергии в городском цикле (UDDS - Urban Dynamometer Driving Schedule) составляет 118,0 (Втч)/км без работающего кондиционера и 145,2 (Втч)/км с кондиционером, что обеспечивает пробег на одном заряде 159 км и 129 км соответственно.
По данным испытаний INL (США) достаточного популярного в России электромобиля Nissan Leaf (не самой новой модели - 2013 модельного года), который зачастую приобретают бывшим в употреблении (с пробегом из Японии) запас хода в городе (цикл UDDS) при включенной системе кондиционирования воздуха снижается примерно на 51 км или ~28 % относительно пробега в нормальных климатических условиях (182 км в том же цикле). Следует учесть, что представленные данные не учитывают факт деградации аккумуляторов и снижение емкости батареи.
Снижение запаса хода от работающего кондиционера в смешанном цикле при температуре окружающего воздуха 35 оС другого электромобиля - Tesla Model 3 2019 года выпуска, характеризуется средним значением около 15 %.
Для полноты картины следует привести данные по снижению запаса хода легковых электромобилей в холодное время года:
- в городских условиях движения при холодном старте - 54.61 %;
- в городских условиях движения с нормальной начальной температурой - 38.52 %;
- движение по автомагистрали (загородный цикл) - 25.35 %.
Данные приведены для температуры окружающей среды -7 оС и основаны на значениях удельных расходов электроэнергии нескольких транспортных средств, в том числе: KIA Soul, Nissan Leaf, BMW i3, Chevy Spark.
В части систем кондиционирования для электромобильного транспорта технологии не стоят на месте. Необходимость сокращения расхода драгоценной (с точки зрения преодолеваемого электромобилем расстояния) электроэнергии на борту учитывается производителями электромобилей и компонентной базы для них. Потенциальное снижение энергопотребления на обеспечение комфортной температуры воздуха в салоне за счет реализации известных и перспективных решений применительно ко всему комплексу климатического оборудования и транспортному средству в целом может достигнуть в совокупности 67%. К таким решениям следует отнести:
- активное использование рециркуляции воздуха салона и оптимизацию процесса воздухообмена;
- совершенствование конструкций механической части компрессоров кондиционеров;
- использование перспективных хладагентов с более низкими значениями температуры кипения в сравнении с традиционными;
- улучшение теплоизоляционных свойств кузова.
В сравнении с легковыми электромобилями снижение запаса хода от работающей системы кондиционирования воздуха электробуса значительнее и может составлять 25.50 %. При этом типовые значения удельного расхода электроэнергии электробусов большого класса находятся в диапазоне 1,2.1,5 (кВтч)/км. Более критичным с точки зрения расхода электроэнергии является зимняя эксплуатация и связанная с этим необходимость отопления салона, в которой удельные расходы энергии могут превышать значение 2,5 (кВтч)/км. Факт значительных расходов энергии на электробусе связан с пассажиропотоком, открытием дверей, значительным объемом салона, более высокой мощностью системы кондиционирования воздуха. Однако в условиях развитой зарядной инфраструктуры, в частности, использования зарядных станций ускоренного заряда, установленных вдоль маршрута следования электробуса, снижение запаса хода не является столь критичным, как для частного легкового электротранспорта.
Экологическая безопасность и энергетическая эффективность электромобиля неразрывно связаны с технологией производства электрической энергии и видом первичного топлива. В большинстве случаев именно стадия использования энергии от источника первичного топлива до тяговой батареи, включающая процесс выработки электроэнергии на электростанции, оказывает преобладающее влияние на экологическую составляющую эксплуатации электромобильного транспорта. Таким образом, оценку углеродного следа можно сделать на основании установленных значений выбросов парниковых газов с учетом структуры производства электрической энергии в регионе использования электромобиля. Так, например, в Центральном федеральном округе первое место по выработке электроэнергии занимают тепловые электростанции (ТЭС), работающие на природном газе (около 53 % по прогнозу на 2025 год), а второе - атомные электростанции (39 % в 2025 г.), тогда как на долю наиболее экологически негативных ТЭС на угле приходится всего 4 %. Для схожей структуры производства электроэнергии среднее значение удельных выбросов парниковых газов в эквиваленте CO2 на примере электромобиля BMW i3 составляет 50.56 г СО2-экв. на 1 км пути. Данные приведены для нормальных климатических условий без работающего кондиционера. С учетом вышесказанного в отношении увеличения расхода электрической энергии от работающей системы кондиционирования воздуха на данном электромобиле (для BMW i3 значения удельного расхода в Втч/км были приведены выше) следу-
ет ожидать пропорциональное увеличение выбросов парниковых газов на 23 % - т.е. до 62.. .69 гСО2-экв/км. Дополнительное потребление электроэнергии на борту - дополнительные выбросы парниковых газов при производстве электрической энергии. Следует отметить, что при преобладании в структуре выработки электрической энергии возобновляемых источников (ветро-, фото-, гидроэлектрических станций) значения выбросов парниковых газов будут неуклонно снижаться. И наоборот, преобладающее использование ТЭС на угле может свести на нет все преимущества электромобильного транспорта, несмотря и на отсутствие как таковых выбросов в месте эксплуатации ТС.
Для оценки влияния работы систем кондиционирования воздуха на автотранспорте можно также привести данные International Energy Agency, опубликованные в аналитическом отчете «Cooling on the Move: The future of air conditioning in vehicles», 2019. Так, по данным указанного источника, выбросы парниковых газов, обусловленные работой систем кондиционирования дорожных автотранспортных средств, составляют 420 млн.т СО2-эквивалента в 2015 году, что сравнимо с 1% всех мировых выбросов СО2 в секторе энергетики. При этом более двух третей этих выбросов обусловлено сгоранием топлива, тогда как остальная часть - результат прямой утечки хладагента.
В части влияния утечки хладагента в окружающую среду также следует отметить нацеленность на использование в электромобилях хладагентов, экологически более безопасных, чем широко применяемый R134a.
Список литературы
1. Ютт В.Е. Оценка стабильности технических характеристик типовых конструкций электромеханических усилителей рулевого управления автомобиля / В. Е. Ютт, В. Н. Козловский // Электроника и электрооборудование транспорта. 2007. № 6. С. 2-4. EDN IJLHSL.
2. Козловский В.Н. Компьютерное моделирование стартер-генератора легкового автомобиля / В. Н. Козловский, В. Е. Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта. 2009. № 4. С. 32-34.
3. Козловский В.Н. Комплекс обеспечения качества системы электрооборудования автомобилей / Козловский В.Н., Панюков Д.И. // Saarbrücken, 2014.
4. Дебелов В.В. Электронная система регулирования скорости движения автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости / Дебелов В.В., Иванов В.В., Козловский В.Н., Строганов В.И., Ютт В.Е. // Грузовик. 2013. № 12. С. 19-23.
5. Козловский В.Н. Моделирование энергоемких накопителей автомобильной комбинированной энергоустановки / Козловский В.Н., Строганов В.И., Дебелов В.В., Петровский С.В. // Грузовик. 2018. № 11. С. 13-14.
6. Козловский В.Н. Модели аналитических исследований качества и надежности легковых автомобилей в эксплуатации / Козловский В.Н., Строганов В.И., Клейменов С.И. // Автомобильная промышленность. 2013. № 9. С. 1-5.
8. Козловский В.Н. Комплекс электронных систем управления движением легкового автомобиля с комбинированной силовой установкой. Часть 1. / Козловский В.Н., Строганов В.И., Дебелов В.В., Пьянов М.А. // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 1. С. 40-49.
9. Козловский В.Н. Аналитический комплекс прогнозирования надежности электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой / В.Н. Козловский, Н.И. Горбачевский, А.Г. Сорокин, В.Б. Кислинский, Л.Х. Мифтахова // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 3. С. 227-229.
10. Дебелов В.В. Моделирование электронной системы регулирования скорости движения легкового автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости / В.В. Дебелов, В.В. Иванов, В.Н. Козловский, В.И. Строганов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2013. № 6. С. 2-7.
Сидоров Кирилл Михайлович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный автомобильно-дорожный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected]. Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Панюков Дмитрий Иванович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
ON THE ISSUE OF THE INFLUENCE OF AIR CONDITIONING UNIT OPERATION ON THE RANGE OF AN ELECTRIC
VEHICLE
K.M. Sidorov, V.N. Kozlovsky, D. I. Panyukov
The article presents the results of a study of the influence of the climate control system on the range of an electric
vehicle.
Key words: electric car, power reserve, air conditioning system.
Sidorov Kirill Mikhailovich, candidate of technical sciences, associate professor, [email protected]. Russia, Moscow, Moscow automobile and road construction state technical university (MADI),
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Panyukov Dmitry Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
