هیت پمپ خودروی برقی چیست؟

مقدمه

با توجه به قرارگرفتن ایران در اقلیم گرم جهانی، سرنشینان در کابین یک خودرو تقریباً 6 ماه از سال نیازمند استفاده از سیستم سرمایش و 4 ماه نیاز به سیستم گرمایش هستند. اما این دو سیستم مصرف انرژی بالایی دارند که ناقض یکی از اصول بنیادین و فلسفه اصلی طراحی خودروهای برقی یعنی بازده انرژی بالا و مصرف انرژی پایین می‌باشد. همچنین چون شرکت‌های خودروساز این خودروها را با قصد جایگزینی خودروهای بنزینی می‌سازند، پس باید مشکل اصلی خودروهای بنزینی یعنی اتلاف بالای انرژی را نداشته باشند. در این رابطه «پمپ حرارتی خودروی برقی» یا همان «هیت پمپ خودروی برقی» (EV Heat Pump)، راه حلی هوشمندانه برای کاهش انرژی مصرفی توسط سیستم تهویه می‌باشد.

تعریف هیت پمپ

لطفاً توجه داشته باشید که «هیت پمپ» (Heat Pump) یا «پمپ حرارتی» دارای دو تعریف یکی علمی و دیگری اصطلاح روزمره به شرح زیر می‌باشد:

مفهوم علمی هیت پمپ

در علم ترمودینامیک منظور از «هیت پمپ» یا «پمپ حرارتی»، مجموعه تجهیزاتی هستند که بر اساس «سیکل هیت پمپ» سبب انتفال انرژی گرمایی از یک فضا به فضای دیگر با دو دمای متفاوت می‌گردد. حال این انتقال می‌تواند به صورت انتقال گرما از یک محیط بسته به فضای بیرون مانند یخچال و کولر گازی جهت سرمایش باشد، یا برای انتقال انرژی گرمایی از محیط بیرون به محیط بسته، مانند حالت گرمایش گولر گازی.

سیکل هیت پمپ

از دید علم ترمودینامیک، چرخه هیت پمپ دارای 4 بخش اصلی زیر است که در شکل 1 می‌بینید:

1. تراکم (Compression)
2. سرمایش (Cooling)
3. انبساط (Expansion)
4. گرمایش (Heating)

شکل 1 – سیکل ترمودینامیکی هیت پمپ خودروی برقی

انرژی مصرفی در این چرخه صرف انتقال گرما از منبع گرمایی با دمای پایین (Q_C) به منبع گرمایی با دمای بالا (Q_H) می‌گردد.

کاربرد «هیت پمپ» در اصطلاح روزمره در خودروهای برقی

در یک خودروی برقی، مجموعه باتری و قطعات الکترونیک شامل یکسوساز (رکتیفایر Rectifier) و نوسان‌ساز یا معکوس‌کننده (اینورتر Inverter) حین کار گرما تولید می‌نمایند. این گرما توسط سیستم خنک‌کننده به بیرون دفع می‌گردد که اجزای آن عبارتند از:

1. مایع خنک‌کننده شبیه ضدیخ
2. کانال‌های مسیر مایع خنک‌کننده اطراف قطعات فوق
3. پمپ گردش مایع خنک‌کننده
4. سیستم الکترونیکی کنترل
5. مبدل حرارتی (Heat Exchanger) یا همان رادیاتور خنک‌کننده

در اصطلاح روزمره وقتی می‌گوییم یک خودروی برقی «هیت پمپ» دارد، یعنی فن سیستم تهویه با دور قابل تنظیم به صورت اتوماتیک یا دستی، هوای گرم را از پشت رادیاتور فوق به داخل کابین سرنشینان می‌دمد تا در فصل زمستان، دمای کابین به دمای مطلوب برسد.

شکل 2 اجزای سیستم خنک‌کننده موتور، باتری و قطعات الکترونیکی را نشان می‌دهد:

شکل 2 – اجزای سیستم خنک‌کننده موتور، باتری، اینورتر و مبدل DC/CD یک خودروی برقی

سیستم تهویه خودروهای برقی

سیستم تهویه کابین سرنشینان خودروهای برقی دو مد عملکرد سرمایش و گرمایش دارد که راننده و سرنشینان بر حسب تفاوت دمای مطلوب کابین و دمای محیط، می‌توانند آن را به صورت دستی تنظیم کنند. همچنین با انتخاب حالت اتوماتیک، خود سیستم مد عملکرد و سرعت فن‌ها را به صورت خودکار تنظیم می‌نماید.

حالت سرمایش

کاهش دمای کابین سرنشینان از طریق سیکل سرمایش هیت پمپ انجام می‌گردد که بخش‌های اصلی آن مطابق شکل 3 عبارتند از:

شکل 3 – سیکل سرمایش هیت پمپ خودروی برقی

کمپرسور (Compressor)

گاز مبرد کم‌فشار خروجی اواپراتور از طریق شیر 4 طرفه وارد کمپرسور و پس از افزایش فشار از آن خارج می‌گردد. افزایش فشار گاز، افزایش دمای آن را نیز در پی دارد.

در شکل 1، کمپرسور مسیر 1 به 2 سیکل هیت پمپ یعنی کاهش حجم همزمان با افزایش فشار را انجام می‌دهد.

در شکل 3 مسیر گاز پرفشار خروجی کمپرسور را به رنگ قرمز ملاحظه می‌کنید. لازم به ذکر است که کار مکانیکی لازم جهت افزایش فشار گاز در کمپرسور و گردش گاز در چرخه هیت پمپ از انرژی باتری خودروی برقی تأمین می‌گردد. پس روشن نمودن سیستم سرمایش یا به اصطلاح کولر (A/C مخفف Air Condition) در تابستان، سبب افزایش مصرف باتری و کاهش مسافت پیمایش خودروی برقی با یک بار شارژ می‌گردد.

کندانسور (Condenser)

کندانسور را در شکل 3 با عنوان Outdoor Coil می‌بینید که وظیفه آن مطابق شکل 1، کاهش دما جهت تبدیل گاز پرفشار به مایع پرفشار برای طی مسیر 2 به 3 است. ساختار کندانسور به صورت لوله فلزی (مسی یا آلومینیوم) با طول زیاد و با پوشش پره‌های مشبک است تا دفع گرمای گاز به محیط بیرون از خودرو و تبدیل آن به مایع به راحتی  صورت پذیرد. یک فن نیز با افزایش جریان هوا اطراف پره‌ها، به دفع گرما کمک می‌کند.

توجه نمایید که سیال مبرد حین ورود به کندانسور به فرم گاز پرفشار و حین خروج از کندانسور به دلیل دفع گرما به محیط بیرون و کاهش دما، به فرم مایع پرفشار می‌‌باشد.

شیر انبساط (Expansion Valve)

در یک سیستم تبرید بر پایه سیکل هیت پمپ، قلب فرآیند تولید سرما (یا به عبارت علمی، جذب گرما) شیر انبساط است. چون انرژی بسیار زیادی که کمپرسور صرف افزایش فشار نموده، با کاهش ناگهانی فشار مایع مبرد در شیر انبساط آزاد می‌گردد و این کاهش انرژی، خود را به صورت کاهش شدید دمای مایع مبرد نشان می‌دهد. در شکل 2، کاهش فشار و افزایش حجم را در مسیر 3 به 4 نمودار ملاحظه می‌نمایید. در شکل 3، مسیر مایع پر فشار ورودی به شیر انبساط را با رنگ صورتی و مسیر مایع کم‌فشار خروجی آن را به رنگ آبی مشاهده می‌نمایید.

اواپراتور (Evaportaor)

با طی مسیر 4 به 1 شکل 2، مایع بسیار سرد خروجی شیر انبساط با جذب گرمای کابین سرنشینان تبخیر شده و به حالت گاز کم فشار در می‌آید. در شکل 3، اواپراتور با عنوان Indoor Coil نشان داده شده است. در این شکل مسیر مایع سرد ورودی به رنگ آبی و گاز گرم خروجی به رنگ زرد می‌باشد. جهت سهولت جذب گرمای کابین، ساختار اواپراتور نیز مانند کندانسور دارای لوله‌های بلند مسی با پوشش پره‌های مشبک است. سیستم کنترل دور فن داخل اتاق به صورت حلقه-بسته (Closed-Loop) بر اساس دمای تنظیمی، دور فن داخل اتاق را تنظیم می‌نماید تا دمای کابین به دمای تنظیمی (Set Point Temperature) برسد. لازم به ذکر است که در برخی از خودروهای برقی، راننده و سرنشین جلو و حتی سرنشینان عقب دارای سیستم کنترل مستقل دما هستند. بنابراین در این خودروها، تعداد فن‌های گردش هوا برابر تعداد دماهای قابل تنظیم است.

به اواپراتور «مبدل حرارتی» (Heat Exchanger) یا «رادیاتور» (Radiator) نیز می‌گویند. گفتنی است در کولرهای گازی خانگی و تجاری نوع اسپیلیت، اواپراتور داخل پنلی است که در فضای داخلی روی دیوار یا به صورت ایستاده نصب می‌گردد.

شیر یکطرفه (Check Valve)

وجود شیرهای یکطرفه سبب می‌گردد که در هر دو سیکل سرمایش و گرمایش، مایع پرفشار در مسیر درست (رنگ صورتی) هدایت شود.

شیر چهارطرفه معکوس‌کننده (Four-Way Reversing Valve)

این شیر دارای 2 ورودی گاز پر فشار از کمپرسور و گاز کم فشار از اواپراتور و 2 خروجی گاز پر فشار به سمت کندانسور و گاز کم فشار به سمت کمپرسور است. لازم به ذکر است که این شیر وظیفه معکوس نمودن جهت سیکل سیال مبرد از سرمایش به گرمایش یا بالعکس را بر عهده دارد. به همین دلیل در نام آن «معکوس‌کننده» (Reversing) می‌بینید. همچنین، عملکرد این شیر است که حین تعویض سیکل‌ از سرمایش به گرمایش، کویل کندانسور را به اواپراتور یا بالعکس تبدیل می‌نماید.

سیستم کنترل

این سیستم را در شکل 3 به صورت نمادین با یک سیم مارپیچ بین شیر انبساط و مسیر زردرنگ خروجی اواپراتور می‌بینید. اگر دمای گاز کم‌فشار خروجی اواپراتور از حد تنظیمی فراتر رود، سیستم کنترل به شیر انبساط فرمان بازشدن می‌دهد تا دمای مایع ورودی اواپراتور کاهش یابد. عملکرد این سیستم به صورت حلقه-بسته (Closed-Loop) می‌باشد.

گرمایش

در خودروهای بنزینی، موتور منبع بزرگ تولید گرما می‌باشد. زیرا راندمان احتراق بنزین در موتورهای احتراق داخلی در بهترین حالت حداکثر %35 است. پس حداقل %65 از انرژی شیمیایی نهفته در بنزین پس از احتراق به صورت گرما تلف می‌گردد. در سیستم بخاری خودروهای بنزینی، از همین اتلاف گرما برای گرم نمودن کابین سرنشینان استفاده می‌گردد و نیازی به صرف انرژی اضافه به این منظور نیست.

اما در خودروهای برقی به دلیل راندمان بسیار بالای تبدیل انرژی الکتریکی باتری به انرژی جنبشی، اتلاف انرژی به صورت گرما به اندازه خودروهای بنزینی وجود ندارد و گرمایش کابین سرنشینان از 3 طریق زیر انجام می‌گردد:

سیکل گرمایش هیت پمپ

در شکل 4 می‌بینید که در صورت طی شدن سیکل هیت پمپ در مسیر معکوس شکل 3، انتقال گرما از بیرون به داخل کابین خودروی برقی انجام می‌گردد. نکته قابل ذکر این است که مسیر چرخه ترمودینامیکی شکل 2 در سیکل گرمایش با سیکل سرمایش تفاوتی ندارد. اما کندانسور و اواپراتور در شکل 4 نسبت به شکل 3 جابجا می‌شوند. یعنی در سیکل گرمایش هیت پمپ Indoor Coil که در شکل 3 اواپراتور بود، نقش کندانسور و Outdoor Coil که کندانسور بود، نقش اواپراتور را خواهد داشت.

شکل 4 – سیکل گرمایش هیت پمپ خودروی برقی

به عبارت دیگر در سیکل گرمایش شکل 4، کندانسور با عنوان  Indoor Coil در داخل کابین قرار دارد و یک فن گرمای آزاد شده ناشی از کاهش انرژی گاز داغ به مایع داغ را به فضای داخل کابین می‌دمد. در نقطه دیگر، مایع خنک با جذب گرمای محیط بیرون در اواپراتور (با عنوان Outdoor Coil) به گاز گرم تبدیل و جهت افزایش فشار و تبدیل به گاز داغ وارد کمپرسور می‌گردد.

نکته مهمی که از شکل 4 می‌توانید دریابید، این است که سیال مبرد می‌بایست نقطه جوش (Boiling Point) بسیار پایینی داشته باشد. چون حتی در دمای بسیار پایین محیط بیرون در زمستان، می‌بایست در اواپراتور از فاز مایع به گاز تبدیل گردد.

گرمای باتری و مبدل‌ها

یک روش دیگر گرمایش کابین، استفاده از گرمای مایع خنک‌کننده موتور، باتری و اینورتر و مبدل DC/DC می‌باشد (شکل 1). به این صورت که یک مایع خنک‌کننده شبیه ضدیخ در کانال‌های اطراف این قطعات توسط یک پمپ به گردش در می‌آید و گرمای این قطعات را جذب می‌کند. سپس مایع گرم وارد یک رادیاتور (هیت اکسچنجر Heat Exchanger) می‌گردد و حرارت آن حین عبور لوله‌های فلزی پره‌دار، توسط یک فن به داخل کابین دمیده می‌شود.

نکته مهم:

لازم به ذکر است در اصطلاح روزمره وقتی می‌گویند یک خودروی برقی دارای «هیت پمپ» است، اشتباهاً به این روش گرمایش اشاره می‌نمایند که البته طبق توضیحات فوق درست نیست.

هیتر یا المنت برقی

روش آخر گرمایش کابین استفاده از یک هیتر یا المنت برقیست. به این صورت که عبور جریان بالا از سیم‌پیچ هیتر آن را داغ می‌نماید. سپس فن سیستم تهویه،  هوای گرم اطراف هیتر را به داخل کابین می‌دمد. اجزای این روش گرمایش بسیار ساده و کم هزینه هستند. اما این سیستم بار بزرگی برای باتری محسوب می‌گردد و به شدت از رنج خودروی برقی در زمستان می‌کاهد.

گاز مبرد هیت پمپ

گاز مورد استفاده در سیکل هیت پمپ خودروی برقی یکی از انواع زیر می‌باشد:

1. R134a که فعلاً بیشترین کاربرد را دارد. اما این گاز دارای فلورین است که ماده‌ای سمی می‌باشد و در صورت وجود نشت در سیستم تهویه، استنشاق آن یا تماس با پوست بدن خطرناک خواهد بود. به همین دلیل استفاده از این گاز در حال کاهش است.
2. R152a
3. R1234yf
4. R290
5. R410A
6. R32
7. R744

گازهای مبرد فوق از این جنبه‌ها با یکدیگر تفاوت دارند:

1. هزینه تولید
2. ضرر برای بدن انسان و محیط زیست
3. راندمان سیکل سرمایش/گرمایش

به همین خاطر، در صنعت خودرو از یک گاز مبرد واحد استفاده نمی‌شود. توجه کنید که در این مطلب، گاه برای گاز مبرد واژه «سیال مبرد» بکار بردیم. دلیل این امر دو فاز شدن این سیال در طی سیکل هیت پمپ می‌باشد. زیرا در شکل‌های 3 و 4، کندانسور فاز سیال را از گاز به مایع و اواپراتور فاز آن را از مایع به گاز تبدیل می‌نماید.

نتیجه‌گیری

در فصل سرما و هنگام نیاز به گرم‌نمودن کابین سرنشینان خودروهای برقی، استفاده از سیکل گرمایش هیت پمپ و همچنین گرمای مایع خنک‌کننده باتری و قطعات الکترونیکی، مصرف انرژی کمتری نسبت به استفاده از المنت برقی دارد. بنابراین، دو روش اول گرمایش تأثیر کمتری بر کاهش مسافت پیمایش خودروهای برقی نسبت به روش سوم دارند.

مطالعه بیشتر

Heat Pump

مصرف باتری خودروهای برقی

حداکثر مسافت پیمایش (یا رنج) خودروهای برقی