A Hyundai villanyautó-hőszivattyújával mércét állított
A Hyundai Kona Electric nemrégiben egy téli norvég villanyautó-teszten a legmagasabb pontszámot érte el, amely siker titka a márka hatékony hőszivattyú-technológiájában rejlik. A rendszer fejlesztéséért felelős mérnökök elmesélik a részleteket.
Bizonyára mindenki tapasztalta már, hogy az okostelefonok akkumulátorai télen gyorsabban merülnek le. Ez nem csak egy érzet: tudományos an bizonyított, hogy az alacsony hőmérséklet növeli a lítium-ion akkumulátor belső ellenállását, ezzel pedig csökken annak energiahatékonysága. Ugyanez az elv vonatkozik az elektromos autók akkumulátoraira is. Ha beköszönt a tél, az villanyautók hatótávja (egyetlen töltéssel megtehető távolság) hajlamos a szokásos szintről meredeken csökkenni. A problémát súlyosbítja az a tény, hogy a téli hónapokban az utasteret is fűteni kell, amelyhez a szükséges energiát az autó az akkumulátorból nyeri.
A villanyautók ezen téli hiányossága régóta elkerülhetetlennek tűnt – egészen mostanáig. A Hyundai csoport új, nagy hatékonyságú hőszivattyú-rendszere drasztikusan csökkentette az alacsony hőmérsékleten fellépő hatékonyságvesztést és számos szakértő - köztük a Tesla vezérigazgatója, Elon Musk –a modern villanyautózás legújabb innovációjaként üdvözölte. Jelenleg számos más autógyártó sietve igyekszik alkalmazni ezt az új technológiát.
A villanyautókat a fűtéssel kapcsolatos korlátaik leküzdésében a hőszivattyú segíti. A belsőégésű motorral felszerelt autók az erőforrás által termelt hatalmas mennyiségű hőenergiát használhatják az utastér melegítésére. A villanyautók elektromos motorjai viszont önmagukban nem termelnek elegendő hőt a fűtéshez, így az elektromos energiát az akkumulátorból kell kivonniuk a fűtéshez. Ennek következtében a hatótáv télen jelentősen csökken. Az innovatív hőszivattyú-technológiával azonban a Hyundai és Kia villanyautói hatékony fűtőrendszerrel büszkélkedhetnek, amely télen is képes megőrizni normál hatótávját. A rendelkezésre álló fűtőszivattyú technológiákkal jelentősen javult a teljesítmény azáltal, hogy a „hulladék hőt”, azaz a villanyautók elektromos alkatrészei által kibocsátott hőt újrahasznosítják.
További betekintést keresve a technológia rejtelmeibe, a Hyundai egy interjút készített a fejlesztésért felelős mérnökökkel. Az Fejlett Felépítmény-fejlesztési Csapat globális kutatás-fejlesztési vezetője, Jae-Yeon Kim, a Hűtéstechnikai Mérnökcsapat 1-es részlegének vezetője, Nam-Ho Park, valamint a vezető kutatómérnök, Wan-Jae Cho meséltek büszkeségükről,, a világ leghatékonyabb villanyautós hőszivattyú-rendszeréről.
A hőszivattyúkat először 2014-ben a Soul EV-ben alkalmazták. Mi vezetett ezen technológia bevezetéséhez a villanyautókban?
A villanyautó-használók legnagyobb aggodama mindig is annak viszonylag kis hatótávolsága volt. Ezeket az aggodalmakat téli hónapok csak felerősítik, amikor a fűtés bekapcsolása 30-40 százalékkal csökkentette ezt a hatótávot. Ez sok, nemde? A fűtés sok energiát fogyaszt. 2014-ben felmérést készítettünk az elektromos autók használóiról és az egyik fő megállapítás az volt, hogy sokan hidegben fűtés nélkül vezettek attól tartva, hogy a fűtés lemeríti az akkumulátort. Úgy éreztük, hogy ez túl nagy kényelmetlenség ahhoz, hogy ezt figyelmen kívül hagyjuk, ezért a hőszivattyú-technológia kifejlesztésével és a Soul EV modellben történt 2014-es bevezetésével igyekeztünk megoldani ezt a kérdést. Nem tudjuk a rendszer pontos hatásfokát, mert a Környezetvédelmi Minisztérium a villanyautók hatótávolságát csak szobahőmérsékleten mérte le – de az Ioniq Electric referenciapontként szolgálhat, mivel motorjának szerkezete és akkumulátorkapacitása a Soul EV-hez hasonló. Az Ioniq Electric hőszivattyúval felszerelt változata 19 százalékos javulást mutatott a téli hatótáv csökkenésében.
Alapjában véve hogyan működik a hőszivettyú?
A hőszivattyú rendszer működési elve nagyon hasonló a klímaberendezés működéséhez - a hűtőközeg összenyomódik és kondenzálódik, hogy hőmérséklete megemelkedjen, vagy a hőmérséklet csökkentése érdekében tágításon és párologtatáson megy keresztül. A légkondicionáló alacsony hőmérsékletű hűtőközeget használ a hűvös légáramlás előállításához és a kondenzátorok által létrehozott hő a kültéri egységen keresztül szabadul fel. Ez az ismerős terv a hőszivattyú-rendszerben is létezik azzal a különbséggel, hogy a hőt ahelyett, hogy a szabadba bocsátanák, az utastér fűtésére használják fel. Összefoglalva: a hőszivattyú a hűtőközeget egy ismétlődő tömörítési, kondenzációs, tágulási és párolgási cikluson keresztül kezeli és az ezt kísérő magas és alacsony hőmérsékletet fűtési és hűtési célokra egyaránt felhasználja.
A fenti ábra a hőszivattyú rendszer működési elvét mutatja. A „hulladék hő” olyan elektronikus alkatrészekből származik, mint például a motor, az OBC (fedélzeti töltő) és az EPCU (elektromos tápegység vezérlőegység), ám ez a hő önmagában nem elég meleg ahhoz, hogy elérje az utastér fűtéséhez szükséges 40 fokos küszöböt. Ehelyett tehát inkább a hűtőközeg melegítésére használják - és ezen rendszer kidolgozásánál nemcsak a hőszivattyú hatékonyságát növelhettük, de az akkumulátor hűtését is sikerült elérnünk. Ezt a hatékonyságnövekedést talán a tényleges számok mutatják meg a legjobban – a kompresszor 1 kW hőt termel, és a ciklikus hűtőközeg külső forrásokból 1,5 kW hőt bocsát ki. Nagyon sok hő nyerhető ki a hőszivattyú rendszer működtetéséhez szükséges kis mennyiségű villamosenergia felhasználásával.
A hőszivattyú mostanra iparági szabvánnyá vált – az Egyesült Államokban a Tesla, valamint számos japán és európai villanyautó gyártó használja ezt autóiban. Mi különbözteti meg a Hyundai Motor Group hőszivattyúját a versenytársak hőszivattyúitól?
A hőszivattyúrendszer valójában a Nissan találmánya volt, amely ezt 2012-ben a Nissan Leafben alkalmazta először. A BMW i3, a Volkswagen e-Golf, valamint a Hyundai Soul EV (1. generáció) és az Ioniq Electric ezt követően nem sokkal jelent meg a piacon. De nem minden hőszivattyú-rendszer azonos – a számok azt mutatják, hogy a Hyundai hőszivattyúrendszere túlmutat a versenytársakénál. A koreai környezetvédelmi minisztérium 2018 óta nyomon követi a villanyautók téli teljesítményadatait. Az első generációs hőszivattyúrendszerrel felszerelt Ioniq Electric télen a normál hatótáv 76 százalékát megőrizte, a Nissan Leaf 67 és a BMW i3 64 százalékával szemben. Ez elég jelentős különbség az Ioniq Electric javára.
És ez a különbség a technológiai merészséggel is magyarázható. Pontosabban, megvitathatjuk a rendszer által felhasznált hőforrások körét. Versenytársaink hőszivattyús rendszerei csupán a külső levegőből gyűjtenek hőt, de mivel a hideg téli levegőben nincs sok hő, az egész folyamat hatástalanná válik. Másfelől viszont a Hyundai csoport rendszere emellett a fent említett elektronikus alkatrészekből származó hulladékhőt is felhasználja – azaz az autó egyszerű üzemeltetésével keletkező hőt a hőszivattyú újrahasznosítja, hozzájárulva a hatékonyság növekedéséhez. Valójában a „hulladék” hő nem olyan pazarló, ha új célt kap.
Az eredeti Soul EV-től a mai Kona Electric-ig hogyan tudná leírni a hőszivattyúrendszer fejlesztését?
Nagyrészt ez arról szólt, hogy kibővítsük azokat a forrásokat, amelyekből a rendszer hőt képes gyűjteni és hatékonyabbá tegyük ezt a gyűjtési folyamatot. Mint mondtam, a hőszivattyús rendszer, amelyet először a Nissan Leafben mutattak be 2012-ben, csak a külső levegőből gyűjtött hőt. Az első generációs Soul EV az elektromos motorra és az inverterre is kiterjesztette a hőforrásokat és ez tette a rendszert az iparág első több forrású hőszivattyúrendszerévé. A Kona Electric legújabb, nagy hatékonyságú hőszivattyúja tovább bővítette a forrásokat, kihasználva az akkumulátor és a fedélzeti töltő hulladékhőjét.
Természetesen a hőszivattyúrendszert a következő generációs villanyautóink számára most is fejlesztjük. A fűtési teljesítmény javítása érdekében általánosságban azt tervezzük, hogy agresszívebben használjuk fel a külső levegőből származó hőt. A klímaberendezés javítása érdekében a hűtőteljesítmény és a hatékonyság javítása érdekében a kondenzátort is továbbfejlesztjük.
Volt valami érdekes epizód a nagy hatékonyságú hőszivattyú fejlesztési folyamatában?
Azt hiszem, érdekes, hogy a kezdetekben valójában nem egy hatékonyabb hőszivattyú kifejlesztésén kezdtünk el dolgozni. Az ötlet a korlátokon kívüli gondolkodásból származott. Épp a Kona Electric modellt fejlesztettük, amelynek akkumulátorkapacitása 64 kWh, vagyis 25,7 kWh-val több, mint az Ioniq Electricben (38,3 kWh). Noha ez észrevehető hatótávnövekedést eredményezett, újabb probléma merült fel – a nagyobb akkumulátor túl sok hőt termelt. Tehát ki kellett dolgoznunk egy erősebb és hatékonyabb módszert, hogy lehűtsük, és miközben beszélgettünk, ekkor jött egy Heuréka-pillanat. Az egyik csapattag azt mondta: „Nem tudnánk ezt a felesleges akkumulátor hőt a hőszivattyúnkhoz használni?" Ragyogó ötlet volt, amit beépítettük a fejlesztési folyamatba. A Kona Electric új, nagy hatékonyságú hőszivattyúja egyértelműen hatékonyabb, mint a korábbiak.
Egy másik szempont, ami érdekes lehet, hogy nem voltunk biztosak a technológia megvalósíthatóságában. Más szóval, bizonytalanok voltunk abban, hogy a piacot érdekelheti a téli hatótáv mutatója. 2017-ig a villanyautók hatótávját kizárólag a sztenderd szobahőmérsékleten mérték és még a villanyautók téli hatótávjára sem volt index – még a szakértők számára sem, nem is beszélve a fogyasztókról. Ráadásul egyszerűen nem volt olyan sok elektromos modell, amely akkor hőszivattyúval volt felszerelve: akkor a Tesla Model S akkor volt a leghosszabb hatótávú az összes villanyautó közül, de abban sem volt hőszivattyú. Figyelembe véve a koreai időjárást – négy jól meghatározott szezonnal – és a globális piac sokszínűségét, úgy gondoltuk, hogy érdemes tovább folytatni a hőszivattyúrendszer fejlesztését még akkor is, ha ez csak a fogyasztók egy részének kiszolgálását jelenti. De az eredmény nem volt olyan kicsi, hatalmas siker lett. A Hyundai csoport villanyautóit nemcsak itthon, de a nemzetközi sajtóban is felmagasztalták, a villanyautós téli hatótáv pedig fontos mércévé vált, amellyel a villanyautók teljesítménye megítélhető. Nagyon büszkék vagyunk és nem is számíthattunk volna többre, amikor belekezdtünk.
A Tesla Model Y később némi figyelmet kapott a téli hatótáv javítására kifejlesztett saját hőszivattyúrendszerének alkalmazásával. Mi a különbség a Model Y és a Hyundai csoport hőszivattyúrendszere között?
A pontos összehasonlítás nehéz, mivel a Tesla Model Y még nem került Koreában bevezetésre. De némi különbséget megtudhattunk technológiáról a Tesla szabadalmi publikációjának áttekintésével. A két rendszer abban hasonlít, hogy mind a külső levegőt, mind az elektronikus alkatrészeket és az akkumulátort is hőforrásként használják. A Kona Electric hőszivattyúi azonban okosabban válogatnak a források között. A jármű állapotától függően a motor, az akkumulátor és más elektronikus alkatrészek által termelt hőmennyiség eltérő lehet. Ezzel a változékonysággal a Kona Electric meg tudja választani a leghatékonyabb hőforrást, míg a Tesla Y modellnek hiányzik ez a képessége. Ez a különbség a valós számokban is beigazodik: a Tesla Model Y a hőszivattyúrendszerrel 10 százalékkal jobb téli hatótávot képes elérni, mint anélkül. A Kona Electric esetében ez az arány 18 százalék. Ebben a tekintetben a Kona rendszere egy kicsit hatékonyabb, mint az Model Y-ban.
A Hyundai csoport hőszivattyúrendszere hogyan fejlődik tovább?
Főként két irányba. Az első lépés a rendszer hatékonyságának növelése, általában az akkumulátor által fogyasztott energia megtakarítása érdekében. Különböző új hőforrásokat vizsgálunk és arra törekszünk, hogy adjunk némi komplexitást a hűtőközeg-ciklushoz – mindezt a nagyobb hatékonyság elérése érdekében. A második irány a rendszer modulálása. Jelenleg a hőszivattyú alkatrészei típustól függően az autó különböző pontjain vannak szétszórva, de ezeket az alkatrészeket végül egyetlen modulba kellene egyesítenünk. Egy modulos hőszivattyúrendszer fejlesztésén dolgozunk, amelynek hatékonysága és könnyű sorozatgyártása lehetővé teszi számunkra, hogy a jövő intelligens mobilitási korszaka felé irányítsuk a folyamatot. Ezeket a következő generációs hőszivattyútechnológiákat a Hyundai csoport következő generációs elektromos modelljeiben mutatjuk be. Számunkra és a felhasználók számára ez egy olyan elvárás, amit teljesítenünk kell.
Forrás: hyundaimotorgroup.com
